一种基于FPGA和超声波的虚拟电子琴设计

第２０卷　第ｌ９期　Ｖ０１．２０　Ｎｏ．１９　电子设计工程　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　２０１２年１０月　０ｃｔ．２０ｌ２　一种基于ＦＰＧＡ和超声波的虚拟电子琴设计　钟秀媚　，陈荣军　一，李伟健　（１．中山大学信息科学与技术学院，广东广州５１０００６；２．中山大学南方学院，广东广州５１０９７０）　摘要：介绍了一种以ＦＰＧＡ为核心控制部件、运用超声波测距技术在空间中形成虚拟琴键．使用分频方式实现７个　音阶的虚拟电子琴。经过ＭｏｄｅｌＳｉｍ仿真测试与实物调试，该电子琴能较好地实现音乐弹奏功能，结构简单．娱乐性　强．具有一定的市场推广价值　关键词：ＦＰＧＡ；ｖｅｒｉｌｏｇ；超声波；电子琴；虚拟琴键　中图分类号：ＴＰ２９　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７４—６２３６（２０１２）１９—０１４２—０３　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ａ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｐｉａｎｏ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＦＰＧＡ　ａｎｄ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ＺＨＯＮＧ　Ｘｉｕ—ｍｅｉ　，ＣＨＥＮ　Ｒｏｎｇ－ｊｕｎ　，ＬＩ　Ｗｅｉ－ｊｉａｎ　（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｕｎ　Ｙａｔ—Ｓｅｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５１０００６，Ｃｈｉｎａ　２．Ｎａｎｆａｎｇ　ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆＳｕｎ　Ｙａｔ－Ｓｅｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５１０９７０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｐｉａｎｏ　ｗｈｉｃｈ　ｕｓｅｓ　ＦＰＧＡ　ａｓ　ｔｈｅ　ｃｅｎｔｒａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｕｎｉｔ　ａｎｄ　ｕｓｅｓ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｒａｎｇｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｔｏ　ｆｏｒｍ　ａ　ｖｉｔｕａｌｒ　ｋｅｙｂｏａｒｄ　ｉｓ　ｉｎｔｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄ　ｉｔｒ　ｈａｓ　ｓｅｖｅｎ　ｓｙｌｌａｂｌｅｓ　ｇｅｎｅｒａｔｅｄ　ｂｙ　ｓｅｐａｒａｔｉｎｇ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｏｆ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃｌｏｃｋ．Ａｆｔｅｒ　ｂｅｉｎｇ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ｉｎ　ＭｏｄｅｌＳｉｍ　ａｎｄ　ｔｅｓｔｅｄ　ｉｎ　ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎｉｎｇ，ｔｈｉｓ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｐｉａｎｏ　ｃａｎ　ｗｏｒｋ　ｗｅｌ１．Ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｐｉａｎｏ　ｈａｓ　ａ　ｓｉｍｐｌｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｉｓ　ｐｒｅｔｔｙ　ｅｎｔｅｒｔａｉｎｉｎｇ，ＳＯ　ｉｔ　ｍｉｇｈｔ　ｈａｓ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｍａｒｋｅｔ　ｖａｌｕｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＦＰＧＡ；ｖｅｒｉｌｏｇ；ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ；ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ；ｖｉｔｒｕａｌ　ｋｅｙ　现代娱乐设备多种多样，各种新奇的发明层出不穷，大　号，定时，计数器ｃｏｕｎｔｅｒＯ由该回响信号控制进行计数，计算　出这一“按键”，选择相应的音符（频率）传送给蜂鸣器，蜂呜　大丰富了人们的娱乐休闲和生活。而其中数字音乐电子琴由　于其操作简单、价格低廉而广受大众喜爱。数字音乐电子琴　是现代电子科技与音乐结合的产物。传统的钢琴由于其体积　庞大笨重、价格昂贵．普通家庭的孩子如果想要学琴而又无　法买得起钢琴的话．电子琴就是一个很好的选择。国内外均　有许多对电子琴的研究和创意发明［１－４］，文中介绍的是一种基　于ＦＰＧＡ和超声波测距的虚拟电子琴。　器发出某一音调的声音。当手指在虚拟的“键盘”上灵动跳跃　时，蜂鸣器便可以发出一连串美妙的音乐。　虚拟琴键　超声波模块　ＦＰＧＡ（Ｃｙｃ１ｏｎｅｔｌ１）　蜂鸣器　…块　该虚拟电子琴可用于家庭娱乐或幼儿初识教育，也可以　作适当的修改设计后作为家庭或公共场合卡拉０Ｋ系统、跳　图１　虚拟电子琴的系统结构框图　Ｆｉｇ．１　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｐｉａｎｏ　ｓｙｓｔｅｍ　舞机等。它是一种集娱乐、教育和医疗保健于一体的，同时具　有结构简单、成本低廉、对环境友好等特点的装置。　１　总体方案设计　系统总的架构是由ＦＰＧＡ（Ｃｙｃｌｏｎｅ　ＩＩＩ）、超声波测距模块　和蜂鸣器共同组成。系统结构框图如图１所示，ＦＰＧＡ作为系　２硬件设计　２１虚拟键盘模块设计　．虚拟键盘模块是由超声波测距模块和虚拟琴键模块　组成。　统控制单元．控制超声波模块向空间中发射超声波信号，　ＦＰＧＡ控制模块内设定的定时，计数器ｃｏｕｎｔｅｒ１开始计数，形　成一个“虚拟琴键键盘”，该琴键的键盘宽度由ｃｏｕｎｔｅｒｌ决　定．当测量到手指处于某一“键盘”位置，即超声波遇到手指　超声波测距模块是一种通过发射超声波和接收回响信　号，测量回响时差来进行测量物体距离的装置。该装置具有　结构简单、受环境光度影响小、成本低廉等特点。本设计采用　的是ＤＹＰ－ＭＥＯ０７超声波测距模块。由于超声波在空气中的　被反射回来由超声波模块接收到，对手指的所处“琴键”位置　进行测量，超声波模块向ＦＰＧＡ控制模块返回相应的测量信　———————————————■—————————一收稿日期：２０１２—０６—１０　稿件编号：２０１２０６０７１　１４２－　传播速度受环境温度的影响［５１，因此，为了更精确灵敏地测量　物体位置，ＤＹＰ—ＭＥＯ０７超声波测距模块中加入了温度补偿　电路。ＤＹＰ—ＭＥ００７超声波测距模块有ｏｕｔ和ｅｃｈｏ两种输出　　作者简介：钟秀媚（１９９０一），女，广东梅州人。研究方向：ＦＰＧＡ应用开发，电路与系统设计。　一钟秀媚，等　一种基于ＦＰＧＡ和超声波的虚拟电子琴设计　方式．ｏｕｔ为只要收到一个回波则输出一个脉冲信号，ｅｃｈｏ为　收到回波后输出一个脉冲宽度与距离成正比的脉冲信号，这　里选择的是ｅｃｈｏ引脚。ＤＹＰ—ＭＥＯ０７模块可提供３￣３５０　ｅｍ的　非接触式距离感测功能。　ＤＹＰ—ＭＥ００７超声波测距模块的ｅｃｈｏ脚的输出脉冲宽度　与距离之间的关系为　Ｄ＝ｕＳ／５．８　ｍｍ　（１）　其中ｕＳ为ｅｃｈｏ脉冲的宽度，单位为　ｓ。　琴键是一张印有键盘的纸．纸上每个键的宽度是固定　的。由于超声波测距是有盲区的，因此在设定“琴键”位置的　时候应该避开其盲区。经测试选用的超声波测距模块的盲区　在０—３　ｃｍ之内，因此，只要把“琴键”位置设在３　ｃｍ之外就　可以了。这里设定“琴键”总的宽度为３５　ｅｍ，从距超声波测距　模块５　ａｍ远处开始，每５　ａｍ为一个“琴键”。　２．２　ＦＰＧＡ模块设计　ＦＰＧＡ（现场可编程门阵列）作为可编程逻辑器件，是在　ＰＡＬ等逻辑器件的基础上发展而来，其规模比较大，可以代　替几百块通用ＩＣ芯片网。ＦＰＧＡ内部具有丰富的逻辑资源，能　够实现各种硬件电路，它的结构主要由３部分组成：一个二　维的逻辑块阵列，构成了其逻辑组成核心；输入，输出块；连接　逻辑块的互连资源。而ｖｅｆｉｌｏｇ　ＨＤＬ是一种简单的硬件描述　语言，可以很容易地用ｖｅｆｉｌｏｇ　ＨＤＬ编写代码实现某一特定　功能的电路，而且ＦＰＧＡ是可以多次写入擦除，方便调试和　修改。用户可以在其基础上简单快捷的完成设计。本设计采　用芯片ＥＰ３Ｃ２５Ｑ２４０Ｃ８Ｎ。　ｓｕｐｅｒｓｏｎＩｃ　Ｕｌ　图２　ＦＰＧＡ内部硬件电路连接图　Ｆｉｇ．２　Ｈａｒｄｗａｒｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ　ｄｉａｇｒａｍ　ｉｎ　ＦＰＧＡ　用芯片ＥＰ３Ｃ２５Ｑ２４ＯＣ８Ｎ实现硬件电路如图２所示，Ｕ１　是超声波测距控制模块，Ｕ２模块是音符频率选择模块。ｃｌｋ　为系统的时钟输入信号，为５０　ＭＨｚ，ｒｓｔ为复位信号，ｅｎ为开　关使能引脚，ｅｃｈｏ为超声波测量回波时差得到的脉冲信号，　ｔｒｉｇ为向超声波模块发送的激励脉冲．ｔｕｎｅ为送给蜂鸣器的　一定频率的信号。超声波测距模块测得手指所在“琴键”位　置，当测到的手指距超声波模块的距离在音符ｉ的琴键范围　（５｛　，５＂ｉ＋５）ｅｒａ内，则根据特定的音符频率，分别计算出每个　音符的分频系数　Ｋ＝５０＊ｌＯ￣Ｅ　（２）　其中为音符ｉ的频率，求出分频系数，对时钟信号进行产　生相应频率的周期信号ｔｕｎｅ，传送给蜂鸣器进行发声。　２．３发声模块设计　蜂鸣器是一种广泛运用于各种电子产品的电子讯响器件，　采用直流供电，其实现电路结构简单，如图３所示。　ＶＣＣ　ＧＮＤ　图３蜂鸣器电路　Ｆｉｇ．３　Ｃｉｒｃｕｉｔ　ｏｆ　ｂｕｚｚｅｒ　ｄｒｉｖｅｒ　３软件设计　系统流程如图４所示：ｃｏｕｎｔｅｒｌ为控制超声波模块测　量最大范围的计数器．ｃｏｕｎｔｅｒＯ用于计算超声波模块返回　的脉冲宽度。ｃｏｕｎｔｅｒｌ和ｃｏｕｎｔｅｒ０初始值为０。在发射一个　激励脉冲ｔｒｉｇ后ｃｏｕｎｔｅｒｌ开始计时，检查回波信号ｅｃｈｏ是　否为高电平。是则ｃｏｕｎｔｅｒＯ开始计数．直到ｅｃｈｏ变为低电　平ｃｏｕｎｔｅｒＯ停止计数。指定一个最大测量值，由公式（１）计　算出一个计数值，当ｃｏｕｎｔｅｄ计数到该计数值时，提取　ｃｏｕｎｔｅｒ０的值。为了使测量数据比较稳定，代码总增加了　滤波部分，综合考虑灵敏度和稳定性，选择均值滤波器的　长度为８。　图４流程图　Ｆｉｇ．４　Ｆｌｏｗ　ｃｈａｒｔ　ＦＰＧＡ选用的时钟频率为５０　ＭＨｚ，参考文献［４】中音阶频　率对应关系，根据公式（２）求出各个音符的分频系数如表ｌ　所示，根据每个音符对应的分频系数对时钟进行分频，得到　相应频率的音符信号ｔｕｎｅ输出给蜂鸣器。　—．１４３－　《电子设计工程）２０１２年第１９期　表１音阶频率与分频系数表　Ｔａｂ．１　Ｓｃａｌｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ａｎｄ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｆａｃｔｏｒ　ｔａｂｌｅ　本设计是采用ｖｅｒｉｌｏｇ　ＨＤＬ进行编写的，在ＱｕａｒｔｕｓｌＩ编　译器上进行综合编译，用ＭｏｄｅｌＳｉｍ仿真器进行仿真，验证　功能正确后通过ＱｕａｒｔｕｓＩＩ内的下载器将编译好的电路下载　到ＦＰＧＡ（ＣｙｅｌｏｎｅｌＩＩ）ｔ－。其中超声波测距控制模块部分代码　如下：　ｂｅｇｉｎ　ｉｆ（ｃｏｕｎｔｅｒｌ＝＝１４５０００）　ｂｅｇｉｎ　ｉｆ（ｃｏｕｎｔ＝＝４’ｂｌ１１　ｂｅｇｉｎ　ｃｏｕｎｔ＜＝４’ｂ０；　ｄｉｓｔａｎｃｅ＜＝（ｄｉｓｔａ＋ｃｏｕｎｔｅｒＯ）／２３２０　ｄｉｓｔａ＜＝３２’ｂ０；　时　ｃｏｕｎｔｅｒＯ＜＝１２’ｂ０：　ｃｏｕｎｔｅｒｌ＜＝１２‘ｂ０；　ｔｆｉｇ＜＝ｌ’ｂｌ：／／激励脉冲　ｅｎｄ　ｅｌｓｅ　ｂｅｇｉｎ　ｄｉｓｔａ＜＝ｄｉｓｔａ＋ｃｏｕｎｔｅｒ０：／／８次累计和　ｃ０ｕｎｔ＜＝ｃｏｕｎｔ＋４’ｂｌ：　ｃｏｕｎｔｅｒＯ＜：１２’ｂ０：　ｃｏｕｎｔｅｒｌ＜＝１２’ｂ０；　ｔｉｆｇ＜＝ｌ’ｂｌ：ｉｆ激励嘛冲．　ｅｎｄ　ｅｎｄ　４调　试　用ＭｏｄｅｌＳｉｍ进行仿真，输入一个模拟的距离值，当距离　为某一值时。ｔｕｎｅ的输出频率为相应值，对该信号进行测量　验证了其频率是符合要求的，说明仿真的结果符合设计要　求。仿真波形图如图５所示。　如图１所示搭建好系统的硬件电路，运行系统，用手指　或者其他物体“敲击”超声波模块前方的“虚拟键盘”，检验蜂　鸣器发出的音符是否符合设计要求，实践证明，该音乐系统　一１４４一　－Ｎｏ　搬　－Ｎｏ　ｆｄ醴艄　－Ｎｏ　『【ｍｅ　－Ｎｏ　图５仿真波形图　Ｆｉｇ．５　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｗａｖｅｆｏｒｍ　能够根据敲下的“琴键”较准确地发出相应的音符。　快速移动手指或物体的位置，检查该电子琴的灵敏度如　何，实验检验发现，当手指或物体在各个“琴键”之间切换时，　灵敏度不够高，检查后发现，是因为“琴键”之外的区域的分　频设置问题，导致每个音符之间的切换会出现停滞．对　ｖｅｒｉｌｏｇ代码进行修改，再次检验，灵敏度有了很大改善，各个　“琴键“之间的切换更为流畅，基本达到了设计的目标要求。　５结束语　本设计基本达到设计预想要求：选择不同“琴键”时能够　相应地发出某一特定音符。上面描述的是虚拟电子琴的基本　的结构和功能。ＦＰＧＡ具有很大灵活性，可以根据需要在本设　计的基础上进行多功能改进：如增加若干选择键，可以相应　选择低／中／高音；或者加入多个超声波测距模块，制作成一个　大型的跳舞机系统。　参考文献：　［１】Ｓｕｚｕｋｉ　Ｙ，Ｙａｍａｙｏｓｈｉ　Ｔ，Ｋａｔｏ　Ｔ，ｅｔ　ａ１．Ｊａｐａｎｅｓｅ　ｉｎｖｅｎｔｏｒｓ　ｄｅｖｅｌｏｐ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｐｉａｎｏ　ｗｉｔｈ　ｒｅｍｏｔｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ［ｃＦ／ｕｓ　Ｆｅｄ　Ｎｅｗｓ　Ｓｅｒｖｉｃｅ，Ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ＵＳ　Ｓｔａｔｅ　Ｎｅｗｓ，２００７．　『２１　Ｒａｏｕｌ　Ｐａｒｉｅｎｔｉ．Ｆｏｌｄａｂｌｅ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｐｉａｎｏ　ｗｉｔｈ　Ｍｅａｎｓ　ｔｏ　Ｍａｋｅ　ｔｈｅ　Ｋｅｙｂｏａｒｄ　Ｓｔｉｆ－ＫＲ２００９００１００８０Ａ［Ｐ］．２００８—１　ｌ一２６．　【３］ＬＩＵ　Ｓｈｕ—ｐｅｎｇ，ＣＨＥＮ　Ｌｉｎ，ＺＨＵ　Ｘｉａｎｇ—ｍｉｎｇ，ｅｔ　ａ１．Ｄｉｇｉｔａｌ　ｐｉａｎｏ　ｋｅｙｂｏａｒｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＰＶＤＦ　ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｆｉｌｍ［Ｃ　｜Ｋｕｄｉｏ　Ｌａｎｇｕａｇｅ　ａｎｄ　Ｉｍａｇｅ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　（ＩＣＡＬＩＰ），　２０１０　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｄｉｇｉｔｌａ　Ｏｂｊｅｃｔ　Ｉｄｅｎｔｉｉｆｅｒ：　１０．１　１０９／１ＣＡＬＩＰ．２０１０．５６８４５５５　Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｙｅａｒ：　２０１０：　３７８—３８２．　『４】闫娟．基ｆｆ－Ｖｅｒｉｌｏｇ　ＨＤＬ的简易电子琴设计［Ｊ】．企业技术开　发。２０１１（７）：１０４—１０４，１０９．　ＹＡＮ　Ｊｕａｎ．Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｐｉａｎｏ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｖｅｒｉｌｏｇ　ＨＤＬ［￣．　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｆ，２０１　１（７）：１０４—　１０４，１０９．　［５】李云龙，卜雄诛，赵文，等．新型嵌入式超声波测距系统［Ｊ】．　仪表技术与传感器，２０１２（１）：９７—９．９　ＬＩ　Ｙｕｎ—ｌｏｎｇ，ＢＵ　Ｘｉｏｎｇ—ｚｈｕ，ＺＨＡＯ　Ｗｅｎ，ｅｔ　ｌａ．　Ｎｅｗ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｄｉｓｔａｎｃｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．　Ｉｎｔｒｕｍｅｎｔ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ａｎｄ　Ｓｅｎｓｏｒ，２０１２（１）：９７—９９．　［６】包明，赵明富，陈渝光．ＥＤＡ￣．术与数字系统设计【Ｍ】．北　京：北京航空航天大学出版社，２０ｏ２．