基于FPGA的电子琴动态录音与回放系统的设计

O 引 言
乐曲都是由一连串的音符组成，因此按照乐曲的乐谱依次输出这些音符所对应的频率，就可以在扬声器上连续地发出各个音符的音调。大多数的电子琴设计都有弹奏和播放功能，但能自动对弹奏的乐曲进行录音并可改变回放快慢可调的设计却很少。要实现录音和回放功能，就必须将弹奏的音符值在相应的写控制信号控制下存储到FPGA芯片内部的随机存储器(RAM)中，而在相应的读控制信号控制下，将RAM中存储的音符值读出来，送给相应的发声控制等模块。进入20世纪90年代以后，EDA技术得到了飞速的发展，电子系统的设计方法发生了很大的变化，传统的设计方法正逐步退出历史舞台，而基于EDA技术的可编程逻辑芯片设计成为电子系统设计的主流。本设计基于QuartusⅡ6．0开发平台，采用VHDL语言在FPGA芯片上成功地实现了电子琴动态录音与回放功能。

l 电子琴动态录音与回放系统设计
已经设计成功的多功能电子琴乐曲硬件演奏设计电路主要包括：键盘演奏、人工选曲并播放乐曲、录音／回放、可控制播放歌曲的节奏快慢、液晶显示当前系统状态等功能。其中在FPGA芯片中实现的电路设计有4个模块，分别为键盘扫描和按键功能设置模块、RoM／RAM控制器模块、发声控制模块、LCD驱动控制模块。系统设计框图如图1所示。

工作原理如下：首先通过键盘扫描和按键功能设置模块将一个4*4的键盘上各按键进行功能设置，然后根据相应的操作要求进行发声和液晶显示。如果选中当前状态是弹奏模式，则发声控制模块直接把琴键送来的音符对应的分频系数转换成相应频率送到扬声器发声，字幕信息通过液晶显示驱动模块驱动液晶显示；如果选中当前工作模式为播放模式，则ROM／RAM控制器模块把事先存储在ROM中的音乐数据提出来送至发声模块，完成自动播放功能；如果选中当前工作状态是录音回放模式，则启动ROM／RAM控制器模块中RAM状态机控制器进行读写操作。
这里重点介绍由ROM／RAM控制模块通过状态机设计产生录音／回放功能的实现。

2 ROM／RAM控制模块的设计
ROM／RAM控制模块的作用是通过对系统当前所处的模式进行判断，并根据输入的控制信号，对CycloneⅡFPGA内嵌的RAM的读写信号、读写时钟及读写地址进行控制。其中ROM／RAM控制模块的外部接口符号图如图2所示。

此模块定义了10个输入端口，分别为：mode_key(键盘演奏模式)、mode_auto(播放歌曲模式)、mode_tape(录音回放模式)、time_up(节奏上升)、time_down(节奏下降)、song_select(曲目选择)、tape(录音)、playback(放音)、reset(系统复位)、clk(时钟)。定义了15个输出端口：rom_add(ROM地址)、rom_clk(ROM时钟)、rom_en(ROM时钟使能)、ram_wradd(RAM写地址)、ram_wren(RAM写使能)、ram_wrclk(RAM写时钟)、ram_rdadd(RAM读地址)、ram_rden(RAM读地址)、ram_rdclk(RAM读地址)、full(录音满信号)、over(回放完毕信号)以及5个提供LCD驱动显示用的信号。
RAM／ROM控制模块中的RAM控制部分分成两个小部分，采用有限状态机(FSM)分别对RAM读状态和RAM写状态进行操作控制。当系统当前模式为“录音／回放模式”时，如果“录音”按键按下，则RAM进行写操作，从首地址开始进行存储。如果存储满1 024个地址空间，则提示“录音满”，写操作终止，等待用户命令，以进行下一步操作。当系统当前模式为“录音／回放模式”时，如果“回放”按键按下，则RAM进行读操作，从首地址开始将RAM单元中的数据送给发声控制模块进行播放。如果读完1 024个地址空间，则提示“回放完毕”，读操作终止，等待用户命令，以进行下一步操作。