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本项目基于DIGILENT公司的Basys3开发板，在Xilinx公司的Vivado2019.1上使用Verilog语言设计了一个FPGA电子琴。
该电子琴可以弹奏21个音阶（三个八度），并且有三种模式供选择：
- 钢琴模式
- 八音盒模式
- 音乐游戏模式
本项目是复旦大学2022年秋季学期《数字逻辑基础(H)》课程的学期任务，任务要求如下：
以下任务二选1：可以任选1个有现成代码的数字系统进行实现以及改进，也可以自己完全重新设计一下数字系统。例如可从“数电实验指导书-东大”中以下实验中任选一个（交通灯，秒表，VGA等）作为参考。
要求：下板实现，并进行验收；要提交实验报告【实验报告内容：实验内容（实验的设计、代码、仿真结果等）；实验结果分析；实验心得等】，同时提交打包压缩的工程文件【注：代码上写上注释，以增加可读性】，最好有个视频，这样助教可以看到下板结果。
验收时间：第9周和第11周的周三都可验收，看板上代码运行情况，并提问。
提交时间：第10周周三晚12点前上传到elearning
本项目的八音盒模块（Auto_play.v）、VGA显示的底层代码（VGA_640x480.v），使用Matlab解析图片并输出到VGA的相关代码（IMG2COE.m、silence的ip核）为笔者参考CSDN和相关教材并适当改进而成。除此之外，其他的功能和代码均为自主设计，历时四个星期完成。
Basys3开发板上只有5个按钮，连一个八度都弹不完整，所以笔者参考了古筝的音阶分配进行设计。
古筝采用的是笔者国古代的五声调式，一个八度以内只有五根琴弦，即宫（do）、商（re）、角（mi）、徵（so）、羽（la），变徵（fa）和变宫（xi）分别通过升mi和升la来实现。笔者参考这种模式，设计的Basys3琴键分配如下：
五个按钮分别对应do、re、mi、so、la，当升音开关置1时，对应的mi键变为fa，la键变为xi。
低音域开关置1时，弹奏的是低八度；高音域开关置1时，弹奏的是高八度；两个开关都置0时，弹奏的是中八度。
VGA（Video Graphics Array）视频图形阵列是IBM于1987年提出的一个使用模拟信号的电脑显示标准，广泛应用于图像输出中。
VGA图像传输原理和实现方法可参考这篇文章：FPGA学习——VGA显示和教材《基于Xilinx Vivado的数字逻辑实验教程》（廉玉欣 侯博雅 王猛 侯云鹏 编著）
在本项目中，VGA用于输出琴键图像、展示琴键信号、展示下落式乐谱等。
本项目所用的显示器是笔者在闲鱼平台上购置的二手车载显示器，用于接收VGA信号，输出图像。
蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。
本项目音频输出采用三个蜂鸣器串联，电路图如下
注：一般蜂鸣器的电路都利用了三极管对电流进行放大，但由于笔者依然选择了这种简单的电路结构，理由如下：
模电没学好市面上三极管型号繁多，笔者时间有限，难以仔细研究挑选偶然发现这种电路居然也可以工作
实物连接图如下：
| 功能名称 | 具体功能 | 关键模块和代码 |
|---|---|---|
| 音频输出 | 将频率信号输入蜂鸣器振荡电路中，发出对应的音调 | Generate_melody.v |
| 图像显示 | 显示琴键图像、按键标识和下落式乐谱 | VGA_640x480.v、VGA_picture.v、Press_signal.v、Bar.v、silence.xci |
| 音高显示 | 将所按下琴键对应的音调显示在数码管上 | Display_melody.v |
钢琴模式 |
把开发板上的按钮和拨码开关当作琴键，蜂鸣器作为音箱，像钢琴一样演奏乐曲 | Free_play.v、Generate_melody.v、Press_signal.v |
| 八音盒模式 | 根据笔者事先转译并写入的频率乐谱，像八音盒一样自动播放乐曲 | Auto_play.v、Generate_melody.v、Press_siganl.v |
| 音乐游戏模式 | 在钢琴模式的基础上，根据笔者事先转译并写入的下落式乐谱，像音乐游戏一样指引玩家按下对应琴键 | Free_play.v、Generate_melody.v、VGA_picture.v、Bar.v |
| 模块或代码名称 | 功能简介 |
|---|---|
| Piano_top.v | 顶层模块，根据接收拨码开关的选择信号和按钮的输入信号，统筹调用各个子模块，实现音频和图像输出 |
| Free_play.v | 钢琴模式的关键模块，根据接收到的sw和Button信号，输出对应音符的音调信号frequency |
| Auto_play.v | 八音盒模式的关键模块，根据接收到的sw信号，选择事先已编入的曲目（《Genshin Impact main Theme》或《Do you hear the people sing?》）进行演奏，也是输出对应音符的音调信号frequency |
| Select_frequency.v | 根据输入的sw信号，对以上两种模式产生的frequency信号进行选择 |
| Generate_melody.v | 将以上两个模块输出的音调信息用于时钟分频，生成对应的振荡信号，用于蜂鸣器发声 |
| Display_melody.v | 将输出的音调显示在开发板的7段数码管上 |
| Key_dejetter.v | 按键消抖模块，用于Button信号的消抖 |
| VGA_640x480.v | VGA图像显示的驱动模块，用于显示图像 |
| VGA_picture.v | VGA图像模块，统筹三个图像子模块silence、Press_signal和Bar，将他们拼合成对应的图像 |
| silence.xci | 一个ROM存储器，存储了原始钢琴键图像，是由.jpg文件经Matlab解析成.coe文件后再导入ip核形成 |
| Press_signal.v | 按键标识模块，根据frequency信号判断当前按下了哪个琴键，在VGA中进行标识 |
| Bar.v | 音游模式的关键模块，根据接收到的sw信号，在VGA中显示《复旦大学校歌》的下落式曲谱 |
| Clkdiv.v | 时钟分频模块，分频产生本项目各模块所需要的时钟信号。如八音盒模式和音游模式需要的节拍信号CP_rhythm、VGA输出图像需要的时钟信号CP_25MHz、消抖需要的信号CP_20ms、数码管显示需要的CP_381Hz等 |
| piano_cntr.xdc | Basys3的引脚约束文件，用于规定输入信号的接收端口和输出信号的输出端口 |
| IMG2COE.m | matlab的函数文件，用于将jpg图片解析为coe文件 |
| main.m | matlab主函数文件，用于调用IMG2COE函数 |
| 信号名称 | 所含信息 |
|---|---|
| [4:0]sw | 音高和模式的选择信号。sw[4]为低音域开关，sw[3]为高音域开关，sw[2]为升音开关，sw[1:0]为模式选择开关 |
| [4:0]Button | 琴键输入信号。从Button[0]到Button[4]依次为do、re、mi、so、la |
| [10:0]frequency | 对应音调的频率 |
| melody | 以frequency为频率的振荡信号，输出到蜂鸣器电路中，控制蜂鸣器发声 |
| CP_rhythm | 用于八音盒模式和音游模式的节拍信号，1分钟180拍 |
| hsync | VGA的行同步信号 |
| vsync | VGA的场同步信号 |
本项目顶层模块的代码如下：
module Piano_top (
input CP,
input clr,
input[4:0] sw,
input[4:0] Button,
output melody,
output[4:0] led,
output[6:0] a_to_g,
output[3:0] an,
output hsync,vsync,
output[3:0] red,green,blue
);
wire[10:0] frequency1, frequency2, frequency;
wire CP_25MHz, CP_20ms,CP_rhythm,CP_381Hz;
wire vidon;
wire[9:0] hc,vc;
assign led=sw;
//时钟分频模块
Clkdiv U1(.CP_100MHz(CP),
.clr(clr),
.CP_25MHz(CP_25MHz),
.CP_rhythm(CP_rhythm),
.CP_20ms(CP_20ms),
.CP_381Hz(CP_381Hz));
//钢琴模式
Free_play U2(.CP(CP_20ms),
.sw(sw[4:2]),
.Button(Button),
.frequency(frequency1));
//八音盒模式
Auto_play U3(.CP_rhythm(CP_rhythm),
.sw(sw[1:0]),
.frequency(frequency2));
//对两种模式进行选择
Select_frequency U4(.sw(sw[1:0]),
.frequency1(frequency1),
.frequency2(frequency2),
.frequency(frequency));
//选择完毕后输出音频
Generate_melody U5(.CP(CP),
.frequency(frequency),
.melody(melody));
//在数码管显示对应的音符
Display_melody U6(.CP_381Hz(CP_381Hz),
.frequency(frequency),
.sw(sw[4:3]),
.a_to_g(a_to_g),
.an(an));
//与此同时，vga也没闲着
//vga驱动模块
VGA_640x480 U7(.CP(CP_25MHz),
.clr(clr),
.hsync(hsync),
.vsync(vsync),
.hc(hc),
.vc(vc),
.vidon(vidon));
//vga显示的图像（内含音游模式）
VGA_picture U8(.vidon(vidon),
.CP_25MHz(CP_25MHz),
.CP_rhythm(CP_rhythm),
.sw(sw[1:0]),
.hc(hc),
.vc(vc),
.frequency(frequency),
.red(red),
.green(green),
.blue(blue));
endmodule
每个音调都有独特的频率，本项目所采用的21音阶频率表如下：
| c3(高音1) | d3(高音2) | e3(高音3) | f3(高音4) | g3(高音5) | a3(高音6) | b3(高音7) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1047 | 1175 | 1319 | 1398 | 1569 | 1762 | 1977 |
| c2(中音1) | d2(中音2) | e2(中音3) | f2(中音4) | g2(中音5) | a2(中音6) | b2(中音7) |
| 523 | 587 | 659 | 699 | 784 | 880 | 988 |
| c1(低音1) | d1(低音2) | e1(低音3) | f1(低音4) | g1(低音5) | a1(低音6) | b1(低音7) |
| 262 | 294 | 330 | 349 | 392 | 440 | 494 |
根据不同音调的频率特性，用频率信号来表示各个音调，将其输入振荡电路，令蜂鸣器发出不同的音高。代码如下：
parameter low_do=262, middle_do=523, high_do=1046,
low_re=294, middle_re=587, high_re=1175,
low_mi=330, middle_mi=659, high_mi=1318,
low_fa=349, middle_fa=699, high_fa=1398,
low_so=392, middle_so=784, high_so=1569,
low_la=440, middle_la=880, high_la=1762,
low_xi=494, middle_xi=988, high_xi=1977,
silence=1; 每个频率信号以Hz为单位，据此对Basys3的100MHz时钟信号进行分频，得到对应频率的振荡信号，代码如下：
module Generate_melody (
input CP,
input[10:0] frequency,
output reg melody
);
reg[30:0] count;
reg[30:0] flag;
reg change;
parameter N=9999_9999;
always @(frequency) begin
if(frequency==1)
flag=1; //高频被人耳自动过滤
else flag=N/(2*frequency);
end
always @(posedge CP) begin
if(count<flag) begin
count<=count+1;
change<=0;
end
else begin
change<=1;
count<=0;
end
end
always@(posedge change) //产生音阶信号的输出 ，根据origin，产生相应频率的方波信号
melody=~melody;
endmodulemodule VGA_640x480 (
input CP,
input clr,
output reg hsync,
output reg vsync,
output reg[9:0] hc,
output reg[9:0] vc,
output reg vidon
);
parameter hpixels=10'b11001_00000, //行像素点=800
vlines=10'b10000_01001, //行数=521
hbp=10'b00100_10000, //行显示后沿=144 (128+16)
hfp=10'b1100010000, //行显示前沿=784 (128+16+640)
vbp=10'b00000_11111, //场显示后沿=31 (2+29)
vfp=10'b01111_11111; //场显示前沿=511 (2+29+480)
reg vsenable; //使能vc
//行同步信号计数器
always @(posedge CP, posedge clr) begin
if(clr==1) begin
hc<=0;
vsenable<=0;
end
else begin
if(hc==hpixels-1) begin //到达最后一个点，可以换下一行了
hc<=0; //计数器复位
vsenable<=1; //场同步信号+1
end
else begin
hc<=hc+1; //计数器+1
vsenable<=0;
end
end
end
//产生hsync脉冲
always @(*) begin
if(hc<96)
hsync=0;
else
hsync=1;
end
//场同步信号计数器
always @(posedge CP, posedge clr) begin
if(clr==1)
vc<=0;
else
if(vsenable==1) begin
if(vc==vlines-1) //到达最后一行，可以换帧了
vc<=0;
else
vc<=vc+1;
end
end
//产生vsync脉冲
always @(*) begin
if(vc<2)
vsync=0;
else
vsync=1;
end
//使能显示器显示
always @(*) begin
if((hc<hfp)&&(hc>=hbp)&&(vc<vfp-40)&&(vc>=vbp))
vidon=1;
else
vidon=0;
end
endmodule ① 琴键图像
笔者在《完美钢琴》app上截取了一张钢琴琴键图如下：
由于电路只能识别数字信号，因此必须使用matlab对图片进行解析，将图片的每个像素点用rgb向量表示，从而将.jpg文件转化存为vivado可读取的.coe文件。
matlab解析图像的函数代码如下：
function img2=IMG2COE12(imgfile,outfile)
img=imread(imgfile);
height=size(img,1);
width=size(img,2);
s=fopen(outfile,'wb');
fprintf(s,'%s\n','memory_initialization_radix=16;'); //16进制
fprintf(s,'%s\n','memory_initialization_vector=');
cnt=0;
img2=img;
for r=1:height
for c=1:width
cnt=cnt+1;
R=img(r,c,1);
G=img(r,c,2);
B=img(r,c,3);
Rb=dec2bin(double(R),8);
Gb=dec2bin(double(G),8);
Bb=dec2bin(double(B),8);
img2(r,c,1)=bin2dec([Rb(1:4),'0000']);
img2(r,c,2)=bin2dec([Gb(1:4),'0000']);
img2(r,c,3)=bin2dec([Bb(1:4),'0000']);
Outbyte=[Rb(1:4) Gb(1:4) Bb(1:4)];
if(strcmp(Outbyte(1:5),'00000'))
fprintf(s,'0%X',bin2dec(Outbyte));
else
fprintf(s,'%X',bin2dec(Outbyte));
end
if((c==width)&&(r==height))
fprintf(s,'%c',';');
else
fprintf(s,'%c',',');
fprintf(s,'\n');
end
end
end
fclose(s);
end解析之后的.coe文件如下：
``` matlab
memory_initialization_radix=16;
memory_initialization_vector=
00,
00,
00,
00,
00,
00,
00,
00,
00,
00,
00,
00,
00,
00,
00,
00,
00,
00,
00,
00,
00,
111,
00,
00,
00,
00,
00,
00,
...
```
之后将.coe文件导入到vivado中生成ROM IP核。具体方法可参考这篇文章：
https://blog.csdn.net/weixin_46136963/article/details/118367784
生成ip核：
显示结果：
② 按键标识
欲在显示器上准确显示按键的位置，需要知道显示器上每个琴键的坐标。
经计算，各琴键边沿的行坐标如下：
琴键场坐标和按键标识上下边沿的场坐标如下：
| 琴键 | 左边沿行坐标 |
|---|---|
| 低音1 | 144 |
| 低音2 | 175 |
| 低音3 | 205 |
| 低音4 | 236 |
| 低音5 | 266 |
| 低音6 | 296 |
| 低音7 | 327 |
| 中音1 | 357 |
| 中音2 | 390 |
| 中音3 | 418 |
| 中音4 | 449 |
| 中音5 | 479 |
| 中音6 | 510 |
| 中音7 | 540 |
| 高音1 | 570 |
| 高音2 | 601 |
| 高音3 | 632 |
| 高音4 | 662 |
| 高音5 | 692 |
| 高音6 | 723 |
| 高音7 | 753 |
设定按键标识为一个20×20的正方形，所以右边沿行坐标=左边沿行坐标+20
assign press_right=press_left+20; //按键标志的宽度为20上下边沿场坐标：
parameter press_top=vfp-80, press_bottom=vfp-60;根据目前输出的音高确定按键位置：
always @(*) begin
case (frequency)
low_do: press_left=149;//低音do
middle_do: press_left=362; //中音do
high_do: press_left=575; //高音do
low_re: press_left=180;//低音re
middle_re: press_left=395; //中音re
high_re: press_left=606;//高音re
low_mi: press_left=210;//低音mi
middle_mi: press_left=423;//中音mi
high_mi: press_left=637;//高音mi
low_fa: press_left=241; //低音fa
middle_fa: press_left=454; //中音fa
high_fa: press_left=667; //高音fa
low_so: press_left=271;//低音so
middle_so: press_left=484; //中音so
high_so: press_left=697;//高音so
low_la: press_left=301;//低音la
middle_la:press_left=515; //中音la
high_la: press_left=728; //高音la
low_xi: press_left=332; //低音xi
middle_xi: press_left=545; //中音xi
high_xi: press_left=758;//高音xi
default: press_left=hfp;
endcase
end 显示结果如下：
③ 下落式乐谱
a. 先声明框定下落式条块四条边的变量
//下落式条块的边沿
reg[9:0] bar_bottom[28:0],bar_right[28:0];
wire[9:0] bar_left[28:0],bar_top[28:0];b. 再声明一些常数
//每个音符对应条块的左边沿
parameter low_do=149, middle_do=362, high_do=575,
low_re=180, middle_re=395, high_re=606,
low_mi=210, middle_mi=423, high_mi=637,
low_fa=241, middle_fa=454, high_fa=667,
low_so=271, middle_so=484, high_so=697,
low_la=301, middle_la=515, high_la=728,
low_xi=332, middle_xi=545, high_xi=758;
parameter move_length=25;//单位时间下降距离，即下降速度c. 根据曲谱中每个音符的顺序，确定每个下落条的左右边沿。
//根据曲谱音符确定每个条块的位置
//第一句
assign bar_left[0]=middle_so;
assign bar_left[1]=high_mi;
assign bar_left[2]=high_mi;
assign bar_left[3]=high_fa;
assign bar_left[4]=high_mi;
assign bar_left[5]=high_re;
assign bar_left[6]=high_do;
...
//根据左边沿确定右边沿
always @(*) begin
for(i=0;i<=28;i=i+1)
bar_right[i]=bar_left[i]+20;
end
d. 根据每个音符的时长，确定对应下落条的长度。
//根据节拍确定每个条块的长度
assign bar_top[0]=bar_bottom[0]-move_length*2;
assign bar_top[1]=bar_bottom[1]-move_length*3;
assign bar_top[2]=bar_bottom[2]-move_length;
assign bar_top[3]=bar_bottom[3]-move_length*2;
assign bar_top[4]=bar_bottom[4]-move_length*2;
assign bar_top[5]=bar_bottom[5]-move_length*4;e. 利用CP_rhythm信号进行计数，在到达特定时刻时生成对应的下落条。
同时已生成的下落条要不断下落。
//按曲谱顺序产生下落条
always @(posedge CP_rhythm) begin
case (sw)
2'b11: begin
rhythm<=rhythm+1;
case (rhythm)
//第一句
2: begin
bar_bottom[0]<=vbp;
end
4: begin
bar_bottom[0]<=bar_bottom[0]+move_length;
bar_bottom[1]<=vbp;
end
7: begin
for(i=0;i<=1;i=i+1)
if(bar_bottom[i])
bar_bottom[i]<=bar_bottom[i]+move_length;
else bar_bottom[i]<=0;
bar_bottom[2]<=vbp;
end
8: begin
for(i=0;i<=2;i=i+1)
if(bar_bottom[i])
bar_bottom[i]<=bar_bottom[i]+move_length;
else bar_bottom[i]<=0;
bar_bottom[3]<=vbp;
end
10: begin
for(i=0;i<=3;i=i+1)
if(bar_bottom[i])
bar_bottom[i]<=bar_bottom[i]+move_length;
else bar_bottom[i]<=0;
bar_bottom[4]<=vbp;
end
12: begin
for(i=0;i<=4;i=i+1)
if(bar_bottom[i])
bar_bottom[i]<=bar_bottom[i]+move_length;
else bar_bottom[i]<=0;
bar_bottom[5]<=vbp;
end
16: begin
for(i=0;i<=5;i=i+1)
if(bar_bottom[i])
bar_bottom[i]<=bar_bottom[i]+move_length;
else bar_bottom[i]<=0;
bar_bottom[6]<=vbp;
end f. 当行同步信号hc和场同步信号vc扫描到达下落条的位置时，像素被赋予青色。
//生成同步信号是否在条块内的判断信号
always @(*) begin
for(i=0;i<=28;i=i+1)
in_bar[i]=(hc<bar_right[i])&(hc>bar_left[i])&(vc>bar_top[i])&(vc<bar_bottom[i]);
end
//生成颜色
always @(*) begin
red=0; green=0; blue=0;
if(in_bar) begin //青色
red=4'b1001;
green=4'b1111;
blue=4'b1111;
end
end显示结果：
module VGA_picture (
input vidon,
input CP_rhythm,
input CP_25MHz,
input[1:0] sw,
input[9:0] hc,
input[9:0] vc,
input[10:0] frequency,
output reg[3:0] red,green,blue
);
parameter hbp=10'b00100_10000, hfp=10'b1100010000;
parameter vbp=10'b00000_11111, vfp=10'b01111_11111;
parameter W=640, H=189;
wire[10:0] xpix,ypix;
wire[18:0] rom_addr1, rom_addr2;
wire[16:0] rom_addr17;
reg sprite_on,R,G,B;
wire[11:0] M;
wire[9:0] press_left; //按键标志的左边沿
wire[9:0] press_right; //按键标志的右边沿
parameter press_top=vfp-80, press_bottom=vfp-60; //按键标志的上下范围
wire[3:0] red_bar,green_bar,blue_bar;
wire wea;
assign wea=0;
wire[16:0] dina=0;
assign ypix=vc-(vfp-H-40); //-40是因为笔者的显示屏有白边
assign xpix=hc-hbp;
assign rom_addr17=ypix*640+xpix;
//钢琴键
silence U1(.clka(CP_25MHz),
.wea(wea),
.dina(dina),
.addra(rom_addr17),
.douta(M));
//钢琴键显示在中下方
always @(*) begin
if((hc>=hbp)&&(hc<hbp+W)&&
(vc>=vfp-H-40)&&(vc<vfp-40))
sprite_on=1;
else
sprite_on=0;
end
//按键标识
Press_signal U2(.frequency(frequency),
.press_left(press_left),
.press_right(press_right));
//下落条
Bar U3(.CP_rhythm(CP_rhythm),
.sw(sw),
.hc(hc),
.vc(vc),
.red(red_bar),
.green(green_bar),
.blue(blue_bar));
//输出颜色
always @(*) begin
red=0; green=0; blue=0;
if(sprite_on==1) begin
if((hc>=press_left)&&(hc<press_right)&&
(vc>=press_top)&&(vc<press_bottom)) begin //显示按键标识
red=4'b1111;
green=0;
blue=0;
end
else begin//显示钢琴键
red=M[11:8];
green=M[7:4];
blue=M[3:0];
end
end
else if(vidon==1) begin //显示下落条
red=red_bar;
green=green_bar;
blue=blue_bar;
end
else begin
red=0;
green=0;
blue=0;
end
end
endmodule
根据frequency信号，将当前正在输出的音高显示在7段数码管上。
其中，数字前面的横杠表示音域。==_==表示低音域，==-==表示中音域，==$\overline{\text{ }}$== 表示高音域。
always @(*) begin
case (frequency)
low_do: x=8'b1010_0001; //低音do
middle_do: x=8'b1011_0001; //中音do
high_do: x=8'b1100_0001; //高音do
low_re: x=8'b1010_0010; //低音re
middle_re: x=8'b1011_0010; //中音re
high_re: x=8'b1100_0010; //高音re
low_mi: x=8'b1010_0011; //低音mi
middle_mi: x=8'b1011_0011; //中音mi
high_mi: x=8'b1100_0011; //高音mi
low_fa: x=8'b1010_0100; //低音fa
middle_fa: x=8'b1011_0100; //中音fa
high_fa: x=8'b1100_0100; //高音fa
low_so: x=8'b1010_0101; //低音so
middle_so: x=8'b1011_0101; //中音so
high_so: x=8'b1100_0101; //高音so
low_la: x=8'b1010_0110; //低音la
middle_la: x=8'b1011_0110; //中音la
high_la: x=8'b1100_0110; //高音la
low_xi: x=8'b1010_0111; //低音xi
middle_xi: x=8'b1011_0111; //中音xi
high_xi: x=8'b1100_0111; //高音xi
default: case (sw)
low: x=8'b1010_0000; //低音状态，但啥音都冇
middle: x=8'b1011_0000; //中音状态，但啥音都冇
high: x=8'b1100_0000; //高音状态，但啥音都冇
default: x=8'b1011_0000;
endcase
endcase
end结果如下：
先对按键信号进行进行命名
parameter do=5'b10000, re=5'b01000, mi=5'b00100, so=5'b00010, la=5'b00001;
//宫商角徵羽五音，fa和xi分别用升mi和升la来实现
parameter low_origin=3'b100, low_up=3'b101, //低音域的原音、升音信号
middle_origin=3'b000, middle_up=3'b001, //中音域的原音、升音信号
high_origin=3'b010, high_up=3'b011; //高音域的原音、升音信号将按键信号转化为频率信号，然后输出为音频。
//将按键信号转换为音频信号
always @(*) begin
case (Button)
do: case (sw)
low_origin: frequency=low_do; //低音do
low_up: frequency=low_do;
middle_origin: frequency=middle_do; //中音do
middle_up: frequency=middle_do;
high_origin: frequency=high_do; //高音do
high_up: frequency=high_do;
default: frequency=middle_do;
endcase
re: case (sw)
low_origin: frequency=low_re; //低音re
low_up: frequency=low_re;
middle_origin: frequency=middle_re; //中音re
middle_up: frequency=middle_re;
high_origin: frequency=high_re; //高音re
high_up: frequency=high_re;
default: frequency=middle_re;
endcase
mi: case (sw)
low_origin: frequency=low_mi; //低音mi
low_up: frequency=low_fa; //低音fa
middle_origin: frequency=middle_mi; //中音mi
middle_up: frequency=middle_fa; //中音fa
high_origin: frequency=high_mi; //高音mi
high_up: frequency=high_fa; //高音fa
default: frequency=middle_mi; //中音mi
endcase
so: case (sw)
low_origin: frequency=low_so; //低音so
low_up: frequency=low_so;
middle_origin: frequency=middle_so; //中音so
middle_up: frequency=middle_so;
high_origin: frequency=high_so; //高音so2
high_up: frequency=high_so;
default: frequency=middle_so;
endcase
la: case (sw)
low_origin: frequency=low_la; //低音la
low_up: frequency=low_xi; //低音xi
middle_origin: frequency=middle_la; //中音la
middle_up: frequency=middle_xi; //中音xi
high_origin: frequency=high_la; //高音la
high_up: frequency=high_xi; //高音xi
default: frequency=middle_la; //中音la
endcase
default: frequency=silence;
endcase
end
与钢琴模式不同，八音盒模式下输出的音频并非由玩家决定，而是由笔者预先写入的频率信号流决定。
以下代码为乐曲《Genshin Impact Main Theme》第一乐句，因为CP_rhythm是每分钟180拍，而这首曲子用每分钟90拍为宜，因此每两个上升沿代表一拍。
always @(posedge CP_rhythm) begin
case (sw)
2'b10: begin //《Genshin Impact Main Theme》
rhythm<=rhythm+1;
case(rhythm)
0: frequency<=silence;
1: frequency<=middle_do;
3: frequency<=middle_fa;
6: frequency<=silence;
7: frequency<=middle_so;
8: frequency<=middle_la;
9: frequency<=middle_xi;
12: frequency<=silence;
13: frequency<=middle_la;
14: frequency<=middle_so;
15: frequency<=middle_la;
18: frequency<=silence;
19: frequency<=middle_so;
20: frequency<=middle_fa;
21: frequency<=middle_so;
23: frequency<=middle_re;
...在钢琴模式基础上增加了下落式乐谱，指引玩家弹奏《复旦大学校歌》。
具体实现请见 下落式乐谱
实验结果请移步视频链接：
略
- 《Verilog HDL数字集成电路设计原理与应用》蔡觉平
- 《Verilog数字系统设计教程》夏宇闻
- 《基于Xilinx Vivado的数字逻辑实验教程》廉玉欣 侯博雅 王猛 侯云鹏
- 硬件课程设计报告--基于Basys2的多功能电子琴
- FPGA零基础学习：基于FPGA的音乐蜂鸣器设计（附代码）
- Vivado ROM IP的生成和调用
- Verilog教授：复旦大学易老师和两位助教学长
- 蜂鸣器来源：复旦大学20级微电林学长
- 钢琴图片来源：《完美钢琴》app