一種基于FPGA和超聲波的虛擬電子琴設計

鐘秀媚 ， 陳榮軍 ，2， 李偉健

（1.中山大學 信息科學與技術學院，廣東 廣州 510006；2.中山大學 南方學院，廣東 廣州 510970）

現代娛樂設備多種多樣，各種新奇的發明層出不窮，大大豐富了人們的娛樂休閑和生活。而其中數字音樂電子琴由于其操作簡單、價格低廉而廣受大眾喜愛。數字音樂電子琴是現代電子科技與音樂結合的產物，傳統的鋼琴由于其體積龐大笨重、價格昂貴，普通家庭的孩子如果想要學琴而又無法買得起鋼琴的話，電子琴就是一個很好的選擇。國內外均有許多對電子琴的研究和創意發明[1-4]，文中介紹的是一種基于FPGA和超聲波測距的虛擬電子琴。

該虛擬電子琴可用于家庭娛樂或幼兒初識教育，也可以作適當的修改設計后作為家庭或公共場合卡拉OK系統、跳舞機等。它是一種集娛樂、教育和醫療保健于一體的，同時具有結構簡單、成本低廉、對環境友好等特點的裝置。

1 總體方案設計

系統總的架構是由FPGA（Cyclone III）、超聲波測距模塊和蜂鳴器共同組成。系統結構框圖如圖1所示，FPGA作為系統控制單元，控制超聲波模塊向空間中發射超聲波信號，FPGA控制模塊內設定的定時/計數器counter1開始計數，形成一個 “虛擬琴鍵鍵盤”，該琴鍵的鍵盤寬度由counter1決定，當測量到手指處于某一“鍵盤”位置，即超聲波遇到手指被反射回來由超聲波模塊接收到，對手指的所處“琴鍵”位置進行測量，超聲波模塊向FPGA控制模塊返回相應的測量信號，定時/計數器counter0由該回響信號控制進行計數，計算出這一“按鍵”，選擇相應的音符（頻率）傳送給蜂鳴器，蜂鳴器發出某一音調的聲音。當手指在虛擬的“鍵盤”上靈動跳躍時，蜂鳴器便可以發出一連串美妙的音樂。

圖1 虛擬電子琴的系統結構框圖Fig.1 Structure diagram of the virtual electronic piano system

2 硬件設計

2.1 虛擬鍵盤模塊設計

虛擬鍵盤模塊是由超聲波測距模塊和虛擬琴鍵模塊組成。

超聲波測距模塊是一種通過發射超聲波和接收回響信號，測量回響時差來進行測量物體距離的裝置。該裝置具有結構簡單、受環境光度影響小、成本低廉等特點。本設計采用的是DYP-ME007超聲波測距模塊。由于超聲波在空氣中的傳播速度受環境溫度的影響[5]，因此，為了更精確靈敏地測量物體位置，DYP-ME007超聲波測距模塊中加入了溫度補償電路。DYP-ME007超聲波測距模塊有out和echo兩種輸出方式，out為只要收到一個回波則輸出一個脈沖信號，echo為收到回波后輸出一個脈沖寬度與距離成正比的脈沖信號，這里選擇的是echo引腳。DYP－ME007模塊可提供3～350 cm的非接觸式距離感測功能。

DYP－ME007超聲波測距模塊的echo腳的輸出脈沖寬度與距離之間的關系為

其中uS為echo脈沖的寬度，單位為μs。

琴鍵是一張印有鍵盤的紙，紙上每個鍵的寬度是固定的。由于超聲波測距是有盲區的，因此在設定“琴鍵”位置的時候應該避開其盲區。經測試選用的超聲波測距模塊的盲區在0－3 cm之內，因此，只要把“琴鍵”位置設在3 cm之外就可以了。這里設定“琴鍵”總的寬度為35 cm，從距超聲波測距模塊5 cm遠處開始，每5 cm為一個“琴鍵”。

2.2 FPGA模塊設計

FPGA（現場可編程門陣列）作為可編程邏輯器件，是在PAL等邏輯器件的基礎上發展而來，其規模比較大，可以代替幾百塊通用IC芯片[6]。FPGA內部具有豐富的邏輯資源，能夠實現各種硬件電路，它的結構主要由3部分組成：一個二維的邏輯塊陣列，構成了其邏輯組成核心；輸入/輸出塊；連接邏輯塊的互連資源。而verilog HDL是一種簡單的硬件描述語言，可以很容易地用verilog HDL編寫代碼實現某一特定功能的電路，而且FPGA是可以多次寫入擦除，方便調試和修改。用戶可以在其基礎上簡單快捷的完成設計。本設計采用芯片EP3C25Q240C8N。

圖2 FPGA內部硬件電路連接圖Fig.2 Hardware circuit connection diagram in FPGA

用芯片EP3C25Q240C8N實現硬件電路如圖2所示，U1是超聲波測距控制模塊，U2模塊是音符頻率選擇模塊。clk為系統的時鐘輸入信號，為50 MHz，rst為復位信號，en為開關使能引腳，echo為超聲波測量回波時差得到的脈沖信號，trig為向超聲波模塊發送的激勵脈沖，tune為送給蜂鳴器的一定頻率的信號。超聲波測距模塊測得手指所在 “琴鍵”位置，當測到的手指距超聲波模塊的距離在音符i的琴鍵范圍（5*i，5*i+5）cm內，則根據特定的音符頻率，分別計算出每個音符的分頻系數

其中為音符i的頻率，求出分頻系數，對時鐘信號進行產生相應頻率的周期信號tune，傳送給蜂鳴器進行發聲。

2.3 發聲模塊設計

蜂鳴器是一種廣泛運用于各種電子產品的電子訊響器件，采用直流供電，其實現電路結構簡單，如圖3所示。

圖3 蜂鳴器電路Fig.3 Circuit of buzzer driver

3 軟件設計

系統流程如圖4所示：counter1為控制超聲波模塊測量最大范圍的計數器，counter0用于計算超聲波模塊返回的脈沖寬度。counter1和counter0初始值為0，在發射一個激勵脈沖trig后counter1開始計時，檢查回波信號echo是否為高電平，是則counter0開始計數，直到echo變為低電平counter0停止計數。指定一個最大測量值，由公式（1）計算出一個計數值，當counter1計數到該計數值時，提取counter0的值。為了使測量數據比較穩定，代碼總增加了濾波部分，綜合考慮靈敏度和穩定性，選擇均值濾波器的長度為8。

圖4 流程圖Fig.4 Flow chart

FPGA選用的時鐘頻率為50 MHz，參考文獻[4]中音階頻率對應關系，根據公式（2）求出各個音符的分頻系數如表1所示，根據每個音符對應的分頻系數對時鐘進行分頻，得到相應頻率的音符信號tune輸出給蜂鳴器。

表1 音階頻率與分頻系數表Tab.1 Scale frequency and frequency factor table

本設計是采用verilog HDL進行編寫的，在QuartusII編譯器上進行綜合編譯，用ModelSim仿真器進行仿真，驗證功能正確后通過QuartusII內的下載器將編譯好的電路下載到FPGA（CycloneIII）上。其中超聲波測距控制模塊部分代碼如下：

4 調 試

用ModelSim進行仿真，輸入一個模擬的距離值，當距離為某一值時，tune的輸出頻率為相應值，對該信號進行測量驗證了其頻率是符合要求的，說明仿真的結果符合設計要求。仿真波形圖如圖5所示。

如圖1所示搭建好系統的硬件電路，運行系統，用手指或者其他物體“敲擊”超聲波模塊前方的“虛擬鍵盤”，檢驗蜂鳴器發出的音符是否符合設計要求，實踐證明，該音樂系統能夠根據敲下的“琴鍵”較準確地發出相應的音符。

圖5 仿真波形圖Fig.5 Simulation waveform

快速移動手指或物體的位置，檢查該電子琴的靈敏度如何，實驗檢驗發現，當手指或物體在各個“琴鍵”之間切換時，靈敏度不夠高，檢查后發現，是因為“琴鍵”之外的區域的分頻設置問題，導致每個音符之間的切換會出現停滯，對verilog代碼進行修改，再次檢驗，靈敏度有了很大改善，各個“琴鍵“之間的切換更為流暢，基本達到了設計的目標要求。

5 結束語

本設計基本達到設計預想要求：選擇不同“琴鍵”時能夠相應地發出某一特定音符。上面描述的是虛擬電子琴的基本的結構和功能。FPGA具有很大靈活性，可以根據需要在本設計的基礎上進行多功能改進：如增加若干選擇鍵，可以相應選擇低/中/高音；或者加入多個超聲波測距模塊，制作成一個大型的跳舞機系統。

[1]Suzuki Y，Yamayoshi T，Kato T，et al.Japanese inventors develop electronic piano with remote controller[C]//US Fed News Service， Including US State News，2007.

[2]Raoul Parienti.Foldable Electronic Piano with Means to Make the Keyboard Stiff-KR20090010080A[P].2008－11－26.

[3]LIU Shu-peng， CHEN Lin， ZHU Xiang-ming， et al.Digital piano keyboard based on PVDF piezoelectric film[C]//Audio Language and Image Processing （ICALIP）， 2010 International Conference on Digital Object Identifier:10.1109/ICALIP.2010.5684555 Publication Year: 2010:378－382.

[4]閆娟.基于Verilog HDL的簡易電子琴設計[J].企業技術開發，2011（7）:104－104，109.YAN Juan.Design of electronic piano based on verilog HDL[J].Technological Development of Enterprisf，2011（7）:104－104，109.

[5]李云龍，卜雄誅，趙文，等.新型嵌入式超聲波測距系統[J].儀表技術與傳感器，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，趙明富，陳渝光.EDA技術與數字系統設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，2002.