北京邮电大学电子节拍器的设计与实现

1、数字系统与逻辑设计实验-电子节拍器电子节拍器的设计与实现一 设计课题的任务要求设计并实现一个具有声光显示的电子节拍器。 基本要求： 1、 速度在 40120 次/分钟范围内连续可调，通过 2 个按键进行速度调节，一个用来增 加，一个用来减少，当长按按键时，按 5 次/秒的速度连续增加或减少，用 3 个数码 管显示当前速度。 2、 节拍有 1/4、2/4、3/4、4/4、3/8、6/8 可选，通过一个按键选择，用 2 个数码管显示。 3、 通过一个按键开始和停止打节拍，开始后按照设置好的节拍和速度打节拍。 4、 要求有声音和灯光提示，声音要有强弱区别，灯光可用不同颜色的发光二极管表示 强弱。 提

2、高要求： 1、 通过一个按键选择时值（节奏类型），并在用点阵显示，如下图。 2、 实现在无节奏型的情况下，用点阵计时，点阵的显示从0到9，时间间隔为一秒，从而帮助使用者学习乐理知识。二 系统设计（设计思路，总体框图，分块设计）1. 设计思路 程序分为输入模块，分频模块，中央控制模块和显示模块四大模块，其中显示模块又可细分为数码管显示，点阵显示，LED灯亮灯显示和蜂鸣器发声四个部分。输入有reset（复位键），st（开关键），tn（调速键），tk(调节拍键)，tj（调节奏键）五个键。利用三个数码管显示速率，两个数码管显示节拍型，使用点阵显示节奏型，无节奏时点阵显示0到9的计时（时间间隔为1秒）。

3、对于开关，速率，节拍，节奏的调节，使用5HZ的时钟信号进行防抖和控制调节的速度。利用取余函数将节拍器的速率的个十百位数字分别提取出来，并通过扫描显示将节拍器的速率和节拍型显示出来。LED灯和点阵的信号依据节奏和节拍型确定，先考虑节奏型，分列出各个节奏型的信号，如果无节奏型再考虑节拍型，确定节拍型的信号。最后蜂鸣器的信号由红灯信号与250HZ高频相乘所得信号和绿灯信号与500HZ高频相乘所得信号共同合成。2总体框图（1）系统顶层框图 系统复位蜂鸣器发声电路数码管显示电路点阵显示电路LED灯显示电路 节拍器中心控制电路（2）系统对外接口图蜂鸣器LED显示数码管扫描显示点阵显示节奏选择键st节拍选择

4、键st速率调节键tn开关键st复位键Reset节拍控制器 （3）逻辑划分方框图n , kclk500,clk250,clk1clk2,clk4,clk8frow ,listb ,cr ,g gclk5clk控制器分频器时钟时钟蜂鸣器LED灯数码管点阵tjtktnstreset防抖复位键调速键节拍选择键节奏选择键开关键noyes无节奏型节奏选择键？noyes节奏型1节奏选择键？noyes节奏型2节奏选择键？noyes节奏型4节奏选择键？noyes节奏型3节奏选择键？noyes节奏型5节奏选择键？（4）逻辑流程图（由于状态先由有无节奏型确定，无节奏型时再看节拍型，为了使图形简洁美观，避免画图时线条

5、过多和交叉，此处将逻辑流程图分为两个部分，当从有节奏型转换为无节奏型时，状态转入先前的节拍型，而非默认的40HZ的1/4拍）节奏型间的转换： noyes1/4拍节拍键?noyes2/4拍节拍键?noyes3/4拍节拍键?noyes4/4拍节拍键?noyes3/8拍节拍键?noyes6/8拍节拍键?节拍内的转换：（5）MDS图节奏间的转移（其中0为无节奏，转移条件为节奏选择键输入tj）:101010101010012345节拍间的转移（转移条件为节拍选择键输入tk）:1010101010100102030405063. 分块设计（1） 分频模块：分频模块可以细分为两个部分，一个是与速率，节拍无关

6、的普 通分频，一个是与其有关的分频分频比的计算：待得信号单位时长 / 基础信号单位时长第一部分：需要分出的信号有clk500（用于蜂鸣器高音合成）clk250（用于蜂鸣器低音合成）clk5（用于调速，选节拍，选节奏的防抖和控制其变化速度）clk1（用于无节奏时控制计时器在0到9间转换） 第二部分：需要分出的信号有 clk8（八分音符信号）clk4（四分音符信号）clk2（二分音符信号）（2） 调速，选拍，选节奏模块对于速率，拍子和节奏的选择，各使用·一个按钮输入，通过循环实现重复选择。由于按钮输入时在上升沿有毛刺出现，为了防抖，引入5HZ的信号clk5，由clk5的上升沿决定是否变化

7、。同时，clk5的引入控制了变化的速度。（3） 数码管显示模块此模块共用到五个数码管，其中三个显示速率，两个显示节拍类型，通过引入clk250实现数码管的扫描显示。节拍的显示可以通过k的值（6种情况）直接使用case语句分类输出。而速率的显示由于速率从每分钟40次到每分钟120次，中间共有81种情况，不可能直接依据其值n进行分类，写出每一种情况对应的数码管扫描输出。所以需要提前把速率的每一个数位上的数字提取出来，便于输出。提取每一位的数字可以利用取余函数rem, 具体如下： c3<=n rem 10; c2<=(n-c3) rem 100)/10; c1<=(n-c2*10-

8、c3)/100;（4） 点阵显示模块实验室提供的点阵是8乘8的行扫描点阵。点阵模块在此要实现两个功能能，一是在无节奏普通节拍的情况下实现从0到9的时钟计时（两个数字时间间隔为1秒），第二则是在有节奏型的情况下，将节奏型的符号显示在点阵上。为了实现此两个功能，要引入一个变量p来进行区分：当无节奏型（j=1）时，p在0到9间转换，实现计时功能；当有节奏型（j!=1）时，p=j+8，用于显示节奏符号的情况。实际上，点阵显示共有15种状态（10+5）。 （5） LED灯显示模块LED灯采用两个不同颜色的灯输出，一红一黄，分别代表强弱拍。根据有无节奏类型和节拍类型，可先确定一个基本的信号，以下以3/4拍

9、为例，则基本信号为四分音符信号clk4，再通过引入计数变量y1，y1在clk4的上升沿出现时发生变化，且在0到2间变化，若y1对3取余为0，则将基本信号赋值给红灯输出，否则将信号赋值给绿灯输出，从而实现信号的抽取（注意将此处得到的信号与普通分频得到的信号加以区分，占空比不为50%）。其余的节奏和节拍均可用类似的方法抽取出LED红绿灯的信号。（6） 蜂鸣器发声模块蜂鸣器的声是实现在LED灯显示的基础上的，由于LED的红灯亮时，蜂鸣器发出声调较低的响声（强音），当LED绿灯亮时发出声调较高的响声（弱音），蜂鸣器和LED间有明显的同步关系，则蜂鸣器的具体实现为：将LED红灯信号与次高频信号相乘，将L

10、ED绿灯信号与高频信号相乘，再将两者相加，赋值给蜂鸣器。实现语句可写为： clkf<=(clkr and clk250) or (clkg and clk500)三 仿真波形及波形分析1. 分频波形分析 此处的分频为与速率，节拍，节奏无关的分频。从图中我们可以看出clk250是clk500的2分频，而clk5是clk250的50分频。在仿真的后半部分，当reset输入为1时，clk250不再随clk500上升沿的到来而发生翻转，因为reset为1时，程序中令每一个用于记录翻转的信号temp为0，无法到达发生翻转的数值。2. 速率选择，节拍选择，节奏选择部分仿真 对n（速率）的分析：从图中

11、可以看出，n的初始值为40，输入信号tn为0时，n值保持不变；当输入信号tn为1且clk5的上升沿到来时，n的值加1。当复位键信号reset为1时，n的值回复到默认设定值40。从后半部分可以看出，当tn输入为1而clk5的时钟上升沿没到来的话，n的值不变。对k（节拍）的分析：从图中可以看出，k的初始值为1，输入信号tk为0时，k值保持不变；当输入信号tk为1且clk5的上升沿到来时，k的值加1。K的值在1到6间循环变换。当复位键信号reset为1时，k的值回复到默认设定值1。从后半部分可以看出，当tk输入为1而clk5的时钟上升沿没到来的话，k的值不变。对j（节奏）的分析：从图中可以看出，j的

12、初始值为1，输入信号tj为0时，j值保持不变；当输入信号tj为1且clk5的上升沿到来时，j的值加1。j的值在1到6间循环变换。当复位键信号reset为1时，j的值回复到默认设定值1。从后半部分可以看出，当tj输入为1而clk5的时钟上升沿没到来的话，j的值不变。总体分析：由于clk5信号的引入，按键输入实现的防抖的效果。同时，clk5控制了速率，节拍，节奏的变化速度，当clk5取值5HZ的信号时，能够实现每秒变化5次的效果。3. 数码管显示部分仿真 对c（数码管）的分析；c控制6个数码管的亮灭，且为低电平有效。从图中可以看出，当clk250的上升沿到来的时候，c的值发生改变。在此程序中，共使

13、用5个数码管，当一个clk250的上升沿到来时，换一个数码管亮，数码管亮的次序为5->4->3->1->0，然后再循环。由于每个数码管闪烁的频率为50hz，所以人眼无法分辨出来，实现每个管的稳定显示。对单个数码管的分析：b控制单个数码管7个管脚的亮灭，且为高电平有效。从图中可以看到：当n=40,k=1的时候，b表示的数字依次为0->4-> 0->1->4，表示速率为40hz每分钟和节拍型为1/4拍；当n=41,k=2的时候，b表示的数字依次为0->4->1->2->4，表示表示速率为41hz每分钟和节拍型为2/4拍。综合分

14、析：当复位键reset输入信号为1时，用于扫描计数的q_tem值一直为0，所以c中一直是数码管5亮，亮的时间延长。Reset值对b的输出值无影响。 4.红绿灯输出，蜂鸣器输出部分仿真总体分析：从图中开始部分可以看出，当开关键输入为1且clk5的上升沿到来时，开关信号才输入有效，所以第二次开关键输入为1而无clk1的上升沿到来时，红绿灯蜂鸣器均有输出，不发生改变；末尾处开关输入为1且有上升沿，从“开”的状态转换为“关”状态，输出均为0。 红绿灯输出信号分析：开始时，k=1，p=1或p=5，由于p<10，为普通节拍型1/4拍，所以红灯信号等于时钟信号clk4; 然后，k=2，p=0，由于p&

15、lt;10，为普通节拍型2/4拍，红绿信号单位置1时长与clk4的单位置1时长相等，且交替置1，表示红绿灯每次亮灯时长与clk4的单位高电平时长一致，且红绿灯交替闪烁； 然后，k=5，p=1，由于p<10，为普通节拍型3/8拍，红绿信号单位置1时长与clk8的单位置1时长相等，且置1顺序为红绿绿，表示红绿灯每次亮灯时长与clk8的单位高电平时长一致，且红绿灯发光顺序为红绿绿； 最后，k=1，p=13，由于p>10，为节奏型。从图中可以看到，红灯信号的单位置1时长与clk4单位高电平时长一致，绿灯信号单位置1时长与clk8单位高电平时长一致，且置1的顺序为红绿绿。则此时表示的节奏型为

16、四分音符时长强拍八分音符时长弱拍八分音符时长弱拍，即“红空空绿空绿空”“强空空弱空弱空”的节奏型。蜂鸣器分析：蜂鸣器的信号由红灯信号与clk250相乘加上绿灯信号与clk250相乘所得。所以从图上可以看到，当红灯信号为1时，蜂鸣器等于信号clk250，当绿灯信号为1时，蜂鸣器等于信号clk500，否则蜂鸣器信号为0。四 源程序library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity jiepaiqi isport(clk,st,tn,tk,tj,reset:in std_logic; b:ou

17、t std_logic_vector(6 downto 0); c:out std_logic_vector(5 downto 0); r_out,g_out,f_out:out std_logic; row:out std_logic_vector(7 downto 0); list:out std_logic_vector(7 downto 0) );end jiepaiqi;architecture a of jiepaiqi is signal n:integer range 40 to 120; signal k:integer range 1 to 6; signal clk500

18、,clk250, clk5, clk1,clk8,clk4,clk2,clk48,clkr,clkg,clkf,clkst:std_logic; signal tem500:integer range 0 to 49999; signal tem5:integer range 0 to 24; signal tem1:integer range 0 to 124; signal q_tem:integer range 0 to 4; signal c1:integer range 0 to 1; signal c2,c3:integer range 0 to 9; signal tem8:in

19、teger range 0 to 18749999; signal k1:integer range 0 to 7; signal y1:integer range 0 to 5; signal y2:integer range 0 to 5; signal y3:integer range 0 to 3; signal y4:integer range 0 to 2; signal r,g,f:std_logic; signal j:integer range 1 to 6; signal p:integer range 0 to 14; signal p_tem:integer range

20、 0 to 5; begin p1:process(reset,clk) -clk分频，得500HZ信号clk500 begin if reset='1'then tem500<=0; elsif (clk'event and clk='1')then if tem500=49999 then tem500<=0;clk500<=not clk500; else tem500<=tem500+1; end if; end if; end process p1; p2:process(reset,clk500) -clk500分频，

21、得250HZ信号clk250 begin if reset='1'then clk250<='0' elsif (clk500'event and clk500='1')then clk250<=not clk250; end if; end process p2; p3:process(reset,clk250) -clk250分频，得5HZ信号clk5 begin if reset='1'then tem5<=0; elsif (clk250'event and clk250='1&#

22、39;)then if tem5=24 then tem5<=0;clk5<=not clk5; else tem5<=tem5+1; end if; end if; end process p3; p4:process(reset,clk250) -clk250分频，得1HZ信号clk1 begin if reset='1'then tem1<=0; elsif (clk250'event and clk250='1')then if tem1=124 then tem1<=0;clk1<=not clk1; els

23、e tem1<=tem1+1; end if; end if; end process p4; p5:process(reset,clk5,tn) -调速率n begin if reset='1'then n<=40; elsif (tn='1' )then -防抖 if (clk5'event and clk5='1') then if (n=120) then n<=40; else n<=n+1; end if; end if; end if; end process p5; p6:process(tk,re

24、set,clk5) -调节拍型k begin if reset='1'then k<=1; elsif (tk='1')then -防抖 if (clk5'event and clk5='1') then if k=6 then k<=1; else k<=k+1; end if; end if; end if; end process p6; p7:process(tj,reset,clk5) -调节奏型j begin if reset='1'then j<=1; elsif (tj='1

25、')then -防抖 if (clk5'event and clk5='1') then if j=6 then j<=1; else j<=j+1; end if; end if; end if; end process p7; p8:process(reset,n,k,clk250) -数码管扫描显示 begin if (clk250'event and clk250='1')then if reset='1'then q_tem<=0; elsif q_tem=4 then q_tem<=0;

26、 else q_tem<=q_tem+1; end if; c3<=n rem 10; -提取速率的个十百位数字 c2<=(n-c3) rem 100)/10; c1<=(n-c2*10-c3)/100; case q_tem is when 0 =>c<="011111" case c1 is when 0 =>b<="1111110" when 1 =>b<="0110000" when others=>b<="0110000" end c

27、ase; when 1 =>c<="101111" case c2 is when 0 =>b<="1111110" when 1 =>b<="0110000" when 2 =>b<="1101101" when 3 =>b<="1111001" when 4 =>b<="0110011" when 5 =>b<="1011011" when 6 =>b<=&

28、quot;1011111" when 7 =>b<="1110000" when 8 =>b<="1111111" when 9 =>b<="1111011" when others=>b<="0000000" end case; when 2 => c<="110111" case c3 is when 0 =>b<="1111110" when 1 =>b<="0110

29、000" when 2 =>b<="1101101" when 3 =>b<="1111001" when 4 =>b<="0110011" when 5 =>b<="1011011" when 6 =>b<="1011111" when 7 =>b<="1110000" when 8 =>b<="1111111" when 9 =>b<="

30、1111011" when others=>b<="0000000" end case; when 3 =>c<="111101" case k is when 1 =>b<="0110000" when 2 =>b<="1101101" when 3 =>b<="1111001" when 4 =>b<="0110011" when 5 =>b<="1111001&quo

31、t; when 6 =>b<="1011111" when others=>b<="0000000" end case; when 4 =>c<="111110" case k is when 1 =>b<="0110011" when 2 =>b<="0110011" when 3 =>b<="0110011" when 4 =>b<="0110011" when 5 =

32、>b<="1111111" when 6 =>b<="1111111" when others=>b<="0000000" end case; end case; end if; end process p8; p9:process(j,reset,st,clk1,clk250) -点阵显示，此处为行扫描 begin if j=1 then if( reset='1' or st='1' or p>9) then p<=0; elsif (clk1'

33、;event and clk1='1')then if p=9 then p<=0; else p<=p+1; end if; end if; else p<=j+8; end if; if (clk250'event and clk250='1')then if reset='1'then p_tem<=0; elsif p_tem=5 then p_tem<=0; else p_tem<=p_tem+1; end if; case p_tem is when 0 =>row<="

34、;10111111" case p is when 0 =>list<="00111100" when 1 =>list<="00100000" when 2 =>list<="00111100" when 3 =>list<="00111100" when 4 =>list<="00100100" when 5 =>list<="00111100" when 6 =>list<=&

35、quot;00111100" when 7 =>list<="00111100" when 8 =>list<="00111100" when 9 =>list<="00111100" when 10 =>list<="00010000" when 11 =>list<="00111100" when 12 =>list<="00111100" when 13 =>list<=&qu

36、ot;11111110" when 14 =>list<="00111100" when others=>list<="00000000" end case; when 1 =>row<="11011111" case p is when 0 =>list<="00100100" when 1 =>list<="00100000" when 2 =>list<="00100000" when 3

37、 =>list<="00100000" when 4 =>list<="00100100" when 5 =>list<="00000100" when 6 =>list<="00000100" when 7 =>list<="00100000" when 8 =>list<="00100100" when 9 =>list<="00100100" when 10 =>

38、;list<="00010000" when 11 =>list<="00100100" when 12 =>list<="00100100" when 13 =>list<="10010010" when 14 =>list<="00100100" when others=>list<="00000000" end case; when 2 =>row<="11101111"

39、case p is when 0 =>list<="00100100" when 1 =>list<="00100000" when 2 =>list<="00111100" when 3 =>list<="00111100" when 4 =>list<="00111100" when 5 =>list<="00111100" when 6 =>list<="00111100&qu

40、ot; when 7 =>list<="00100000" when 8 =>list<="00111100" when 9 =>list<="00111100" when 10 =>list<="00010000" when 11 =>list<="00100100" when 12 =>list<="00111100" when 13 =>list<="11110010"

41、; when 14 =>list<="00110100" when others=>list<="00000000" end case; when 3 =>row<="11110111" case p is when 0 =>list<="00100100" when 1 =>list<="00100000" when 2 =>list<="00000100" when 3 =>list<=&

42、quot;00100000" when 4 =>list<="00100000" when 5 =>list<="00100000" when 6 =>list<="00100100" when 7 =>list<="00100000" when 8 =>list<="00100100" when 9 =>list<="00100000" when 10 =>list<="

43、00010000" when 11 =>list<="00100100" when 12 =>list<="00100100" when 13 =>list<="10010010" when 14 =>list<="00100100" when others=>list<="00000000" end case; when 4 =>row<="11111011" case p is when 0

44、 =>list<="00111100" when 1 =>list<="00100000" when 2 =>list<="00111100" when 3 =>list<="00111100" when 4 =>list<="00100000" when 5 =>list<="00111100" when 6 =>list<="00111100" when 7 =>

45、list<="00100000" when 8 =>list<="00111100" when 9 =>list<="00111100" when 10 =>list<="00010000" when 11 =>list<="00100100" when 12 =>list<="00100100" when 13 =>list<="10010010" when 14 =>l

46、ist<="00100100" when others=>list<="00000000" end case; when 5 =>row<="11111101" case p is when 10 =>list<="00011000" when 11 =>list<="00110110" when 12 =>list<="00110110" when 13 =>list<="1101101

47、1" when 14 =>list<="00110110" when others=>list<="00000000" end case; end case; end if;end process p9; p10:process(reset,clk,n) -依据n值，从clk分出8分音符间隔信号clk8 begin if reset='1'then tem8<=0; elsif (clk'event and clk='1')then if tem8=750000000/n-1

48、 then tem8<=0;clk8<=not clk8; else tem8<=tem8+1; end if; end if; end process p10; p11:process(clk8) -从clk8分出四分音符间隔信号clk4 begin if (clk8'event and clk8='1')then clk4<=not clk4; end if; end process p11; p12:process(clk4) -从clk4分出二分音符间隔信号clk2 begin if (clk4'event and clk4=&#

49、39;1')then clk2<=not clk2; end if; end process p12; p13:process(k,clk2,clk4,clk8,reset,st,clk48,p) -红绿灯闪烁输出定值 begin case k is -依据节拍型号赋值基本信号clk48，为红绿信号赋值做准备 when 1 =>clk48<=clk4;k1<=1; when 2 =>clk48<=clk4;k1<=2; when 3 =>clk48<=clk4;k1<=3; when 4 =>clk48<=clk4

50、;k1<=4; when 5 =>clk48<=clk8;k1<=3; when 6 =>clk48<=clk8;k1<=6; when others=>clk48<=clk4;k1<=1; end case; if (reset='1' or st='1') then y3<=0; elsif (clk8'event and clk8='1')then if y3=3 then y3<=0; else y3<=y3+1; end if; end if; if

51、(reset='1' or st='1') then y4<=0; elsif (clk8'event and clk8='1')then if y4=2 then y4<=0; else y4<=y4+1; end if; end if; if (reset='1' or st='1') then y1<=0; elsif (clk48'event and clk48='1')then if y1=k1-1 then y1<=0;y2<=y1 r

52、em k1; else y1<=y1+1;y2<=y1 rem k1; end if; end if; case p is -红绿灯信号赋值，10至14为节奏型，其余为基本节拍型（无节奏） when 10 =>clkr<=clk2;clkg<='0' when 11 =>clkr<=clk4;clkg<='0' when 12 =>clkr<=clk8;clkg<='0' when 13 => if y3<2 then clkr<=clk4;clkg<=&#

53、39;0' else clkg<=clk8;clkr<='0' end if; when 14=> if y4<2 then clkr<=clk4;clkg<='0' else clkg<=clk8;clkr<='0' end if; when others=> -节拍型的红绿灯信号赋值（从基本信号clk48抽取） if y2=0 then clkr<=clk48;clkg<='0' else clkg<=clk48;clkr<='0' end if; end case; end process p13; p14:process(st,clk5,clk500,clk250,clkr,clkg) -蜂鸣器输出赋值 begin if (st='1')then -开关防抖 if (clk5'event and clk5='1')then clkst<=not clkst; end if; end if; if clkst='1'