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求RS232通信方式控制电子琴演奏电路的CPLD设计？？
提问者:岳学天
摘要：可编程逻辑器件集成度高、设计灵活，已经逐渐成为设计和实现数字系统的主要方式，本文结合RS232通信方式控制的电子琴的CPLD的设计过程，介绍可编程逻辑器件（CPLD）的使用以及自顶向下的设计思想。设计中CPLD芯片选择Altera公司的 FLEX10K系列芯片，并且利用其内含EAB的特点，结合LPM宏单元设计了基于ROM的数控分频器以及音乐自动播放电路，RS232接口采用VHDL语言设计，借鉴了单片机串口通信的设计思想。关键词：串行通信，电子琴，CPLD，VHDL，电子设计自动化一、绪论CPLD是一种复杂的用户可编程逻辑器件，以其编程方便、集成度高、速度快、价格低等特点已经获得越来越广泛的应用，掌握利用CPLD进行电子系统的设计方法已经成为广大电子设计人员必不可少的技能[1]。本文就是结合利用CPLD设计一个由计算机通过RS232接口控制的电子琴的过程，介绍了可编程逻辑器件的使用方法，以及利用可编程逻辑器件设计时常用的自顶向下的设计思想[2] [3]。在设计的过程中首先根据设计要求得出设计的整体框图，然后再按模块进行单独设计并仿真验证，最后是联机调试，确定无误后下载到电路板进行设计验证。二、正文RS232通信方式控制的电子琴系统是一个既能够通过电路板上按键进行弹奏和播放，又能在接上串口线后利用PC机键盘进行弹奏和播放的基于CPLD的数字电路系统，此电子琴具有发音清晰、操作简单、界面漂亮等特点，其原理框图如图1:[4]在由硬件电路板上按键控制时，由于按键数量的限制，仅能发出C调低音5到高音5等不含半音的15个音节，并且能播放一首预置在ROM里的乐曲，还可以由电路板上的数码管和发光二极管配合来显示简谱。在与计算机进行连接时，电子琴琴键由电脑键盘来充当，并且由计算机串口进行控制，此时电子琴能发出近80个单音（发音频率从131Hz到10548Hz，基本上已达到普通8欧姆扬声器的发音极限），可以从C调到B调任意的改变音调，并且可以播放任何一首存储在电脑里的音乐文件，简谱信息由VB程序在PC机上显示。专用的音乐文件编辑器也是通过VB编程实现的。微软公司开发的Visual Basic 是一种面向对象的高级语言，软件界面非常友好，深受广大编程人员的好评，其中的MSCOMM控件更是使用方便，它将最低层的部分隐蔽，只要了解自己需要的参数即可方便地编写出上位机通信程序[5]，图2就是我所设计电子琴的界面。它包含了音调选择、串口自动/手动选择、按键弹奏、鼠标弹奏、自动播放等功能。 CPLD部分设计主要利用自上而下的设计思想，首先根据设计的要求以及技术指标将设计分为以下几个模块：串口通信接口、分频预置数ROM和音调发生器、自动演奏电路、综合分频器、按键编码器、显示译码器，其原理框图如图3所示：接下来，就是对各个模块进行设计：1）电子琴发音电路设计电子琴发音电路包含两部分：音调发生器和分频预置数存储器。音调发生器就是一个数控分频器；分频预置数存储器设计与其它相关设计中采用case语句的做法略有区别，它充分利用了FLEX10K10系列芯片内含EAB的特点，调用LPM宏单元配置出了一个ROM（80×16bit），将分频预置数存于其中，利用它来控制数控分频器。该方法可以大量节省芯片资源的占用，并且提高了设计效率。下面是电子琴主电路的顶层逻辑框图：COUNT16TY（数控分频器）包含一个16位可预置数加法计数器和一个均衡输出脉冲占空比的D触发器。晶体振荡器输出的信号为16MHz，经过综合分频器预分频后得到一个8MHz的数控分频器基准频率，经由数控分频器clk8m端输入，再由数控分频器根据不同的预置数，分频得到相应的音节频率；由于直接从数控分频器出来的输出信号是脉冲信号，为了有利于驱动扬声器，故而加一个D触发器使输出信号为等占空比。CODEROM就是分频预置数ROM，其地址线为7位，数据线为16位。2）自动演奏电路设计电子琴自动演奏电路包括节拍发生器TIME和乐曲歌谱编码存储器SONGROM两部分，其顶层设计框图如下：在音乐播放过程中，音符的持续时间是根据乐曲的速度以及每个音符的节拍来确定，在设计中，选择《梁祝》这首经典的曲子作为电子琴的演奏曲目，由于它是4/4拍的，所以选择250ms作为节拍发生器发出的基准节拍，而节拍发生器的基准频率则是1kHz的脉冲信号，再加上乐曲歌谱编码存储器是256×7的，因此节拍发生器就必须包含一个250的分频器和一个8位的地址加法计数器。这样每隔250ms，节拍发生器就会产生一个地址，然后乐曲歌谱编码ROM就把相应地址里的编码数据输出去，从而实现乐曲的连续播放。3）按键编码电路按键编码电路实质上是一个优先编码器，它对15个琴键的信号进行优先编码形成一个7位的地址线，用来控制电子琴的发音。其它电路在这里不再一一介绍。4）串行通信接口电路设计 由于所设计的串行通信接口是异步的，因此在讨论具体的设计之前，先对异步串行通信做一下简要介绍。所谓异步通信方式的&异步&主要体现在字符与字符之间，至于同一字符内部的位与位间却是同步的。可见，为了确保异步通信的正确性，必须找到一种方法，使收发双方在随机传送的字符与字符间实现同步。这种方法就是在字符格式中设置起始位和停止位。[8]异步通信的传输格式如下图所示。每帧信息（即每个字符）由4部分组成：1)1位起始位，规定为低电平&0&。2)5～8位数据位，它紧跟在起始位后面，是要传送的有效信息。规定从低位至高位依次传送。3)0位或1位奇偶校验位。异步通信格式中起始位和停止位起着至关重要的作用。起始位标志每个字符的开始，通知接收器开始装置一个字符，以便和发送器取得同步；停止位标志每个字符的结束。通过起始位和停止位的巧妙结合，实现异步字符传输的同步。正是为了保证这种从一个字符到另一个字符的转换必须以负跳变开始，通信协议规定在字符与字符之间出现空闲状态时，空闲位也一律用停止位的&1&填充。[8]根据异步串行通信的特点，结合单片机串行通信的思想，设计出如下串行接收原理：跳变检测器采样到RXD引脚上的电平从1到0负跳变时，启动接收控制器接收数据，控制器将1位传送时间分为16等份，位检测器在7、8、9三个状态也就是在位信号中央采样RXD三次。而且三次采样中至少有两次相同的值被确认为数据，这样就可以减小干扰的影响。如果起始位接收到的值不是0，则为无效起始位，复位接收电路。如果起始位为0，则开始接收本帧的其他各位数据。控制器发出的内部移位脉冲将RXD上的数据移入移位寄存器，当8位数据全部移入后，就将数据锁存在接收缓存区内。[9]其设计原理框图如下： 串行发送相对于串行接收来说比较简单，并且它不是本设计的重点，这里就不再做介绍，下左图是用VHDL语言编程实现串行数据接收的程序流程图，串行通信模块的仿真波形如图8所示。[10]仿真图中清楚地显示了在起始位不为0以及数据位被干扰时的串口通信模块工作情况，体现了其传输准确的优点，而且CPLD器件可以工作在较高的时钟频率下，因此可以获得相对较高的波特率。三、结束语在电子琴的CPLD设计过程中，充分利用FLEX10K10芯片的特点，大胆创新，大量使用芯片内部的EAB单元（内部RAM）以及LPM宏单元库进行设计，大量减少了设计所占用的系统逻辑单元数，实现了更多的发音，使电子琴发音的音节总数达到了77个，并且能够在VB程序的控制下进行C调到B调12个音调的任意调节、选择，实际电路调试时效果良好，并且超过了毕业设计要求的各项技术指标。参考文献[1]常青，陈辉煌，孙广富等. 可编程专用集成电路及其应用与设计实践. 国防工业出版社[2]赵曙光，郭万有等. 可编程逻辑器件原理、开发与应用. 西安电子科技大学出版社[3]吴超英. 基于CPLD/FPGA技术的数字系统. [4]华升EDA网站. PC机与CPLD通信问题的研究. http://www.ioor.net/hseda/main.htm[5]范逸之，陈立元. Visual Basic与RS232串行通讯控制. 中国青年出版社. 2002第2版[6]候伯亨，顾新. VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计. 西安电子科技大学出版社[7]潘松等. VHDL实用教程. 电子科技大学出版社[8]邹逢兴. 计算机硬件技术基础. 国防科技大学出版社[9]丁元杰等. 单片微机原理及应用. 机械工业出版社.版[10]何伟，张玲. 消除CPLD/FPGA器件设计中的毛刺. 重庆大学学报. (12)源代码下载：/ 宇翔源码/RS232Organ.rar 基于VB和CPLD的电子琴设计
回答者:章俪桐
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《伯牙断琴》课后反思
愚师俗人 发表于
“无论伯牙弹奏什么乐曲，钟子期很快便能道出曲子表达的思想和感情。”展开，结构为总－分－总式。教学根据这种构段方式有序地进行，引导学生感受伯牙与子期的知音关系，同时了解本段的结构特点及句子之间的联系。
“乐曲声时而表现大雨滂沱，时而表现狂风怒吼，时而表现山崩地裂。”，教师启发想象三种情境，让学生读一读、想一想、说一说，品悟语言文字背后的意味。
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