一种基于FPGA和超声波的虚拟电子琴设计

钟秀媚 ， 陈荣军 ，2， 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）

现代娱乐设备多种多样，各种新奇的发明层出不穷，大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。

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OK系统、跳舞机等。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counter1决定，当测量到手指处于某一“键盘”位置，即超声波遇到手指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号，定时/计数器counter0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，蜂鸣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。

图1 虚拟电子琴的系统结构框图Fig.1 Structure diagram of the virtual electronic piano system

2 硬件设计

2.1 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。

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-ME007超声波测距模块。由于超声波在空气中的传播速度受环境温度的影响[5]，因此，为了更精确灵敏地测量物体位置，DYP-ME007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－ME007模块可提供3～350 cm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

其中uS为echo脉冲的宽度，单位为μs。

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 cm，从距超声波测距模块5 cm远处开始，每5 cm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[6]。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verilog HDL是一种简单的硬件描述语言，可以很容易地用verilog 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。

图2 FPGA内部硬件电路连接图Fig.2 Hardware circuit connection diagram in FPGA

用芯片EP3C25Q240C8N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*i，5*i+5）cm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

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。

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：counter1为控制超声波模块测量最大范围的计数器，counter0用于计算超声波模块返回的脉冲宽度。counter1和counter0初始值为0，在发射一个激励脉冲trig后counter1开始计时，检查回波信号echo是否为高电平，是则counter0开始计数，直到echo变为低电平counter0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counter1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1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。

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QuartusII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（CycloneIII）上。其中超声波测距控制模块部分代码如下：

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，该音乐系统能够根据敲下的“琴键”较准确地发出相应的音符。

图5 仿真波形图Fig.5 Simulation waveform

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。

[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]闫娟.基于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[J].Technological Development of Enterprisf，2011（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技术与数字系统设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002.