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蓝牙技术

蓝牙多功能琴键设计


基于手机蓝牙与FPGA的多功能琴键设计

使用FPGA编程来设计电子琴,通过Verilog HDL硬件描述语言实现不同门电路之间的线路连接,通过编译、仿真后下载到电路中,降低了连线错误、逻辑错误、烧坏芯片的可能。通过Verilog HDL硬件描述语言实现设计易于进行功能扩展。Verilog HDL设计文件中的程序都是描述逻辑关系,引脚的锁定则是在逻辑关系编译通过后才进行配置的,所以Verilog HDL设计文件的可读性较好,简单明了,易于修改或移植。

电子乐器发声和普通乐器发声一样,它需要一个可振荡的元器件,上电后给元器件脉冲信号使之一直不停的振荡、发出声音,通过FPGA设计,给蜂鸣器连接的I/O口输入不同的频率,给予蜂鸣器振荡发声。设置手动弹奏模式和自动演奏模式,手动弹奏模式时,设定不同的按键按下时触发的频率;自动演奏模式时,设计一个ROM,按顺序来存储曲谱中不同音符对应的频率,通过计数器,将ROM中对应地址所存储的频率取出来传送到蜂鸣器中;蓝牙无线控制模式时,由安卓设备端发送一个ASCII码字符给FPGA系统,经过FPGA处理后可实现不同的功能。

一、蓝牙无线传输

蓝牙无线传输的协议有多种,本设计采用异步通信串口协议UART协议,通过调整蓝牙模块接收端的波特率(时间间隔),使之与安卓用户端发送模块的波特率一致,然后通过每间隔1单位波特率的时间读取传送过来的数据,以字符帧为单位、一帧一帧的接收安卓用户端发送端传输过来的数据。

1.1波特率模块

以波特率作为一个内部时钟,每间隔1单位波特率的时间发送端就发送字符帧的一位数据,接收端有与发送端相同的波特率,在相同的时间间隔接收字符帧的一位数据,由此实现数据的传输。电子琴系统使用ASCII码进行蓝牙无线数据的传输,一个ASCII码字符占8bit数据位宽,接收一个ASCII码字符需要10bit数据位宽。本设计中使用的系统时钟为12MHz,串口通信的波特率为9600bps/s,要实现9600bps/s的波特率,则需要设定一个时钟分频,分频系数为12M/9600=1250。定义一个11位、reg寄存器类型的计数器,设计采用always语句,在时钟信号的上升沿到来时对计数器进行累加计数,当按下复位按键或者累加到1250个脉冲信号或者使能控制信号为高电平时,计数清零,实现分频系数为1250的分频。在通过时钟分频设置好波特率间隔时间后,还需设置一个可用于接收模块对数据进行采样的时间输出信号,将此输出信号传输给UART_RX接收模块,通常采样点都设置在每个数据位持续时间的中间点,以确保采样数据的正确性。

1.2 UART数据接收模块

时钟信号连接到FPGA板子I/O口管脚,频率为12MHz;复位信号连接到FPGA板子的N14管脚;首先需要检测RX接收信号的下降沿。采用非阻塞赋值语句,在第一个时钟信号的上升沿来临时,将检测到的RS232_RX信号赋值给RS232_RX0,在第二个时钟信号的上升沿来临时,将检测到的RS232_RX信号赋值给RS232_RX0并且将原来的RS232_RX0赋值给RS232_RX1,重复非阻塞赋值语句步骤,直到检测到RS232_RX2、RS232_RX1为高电平且RS232_RX0、RS232_RX为低电平,则表示出现了一个低电平信号,锁存该时间点为起始位开始进行数据传输。

1.3蓝牙接收信号转码模块

本模块将上级电路接收到的帧字符ASCII码进行码值转换,使之可用于电子琴系统的各个功能控制。时钟信号连接到FPGA板子的I/O口管脚,频率为12MHz;复位信号连接到FPGA板子的N14管脚;RS232_RX是UART_RX接收模块中的输出信号;输出信号连接到其他模块用于实现蓝牙无线控制的功能。

二、多功能琴键安卓端APP设计

首先需要允许用户打开安卓用户端蓝牙,所以调用一个安卓蓝牙启动器,用于打开手机蓝牙,选择需要连接的蓝牙,在连接成功后提示“蓝牙设备连接成功”并显示功能选择与切换组件,若连接不成功则提示“无法连接到蓝牙设备”。分别设置两个按钮用于“断开蓝牙连接”和“退出”APP。

总结

本文提出了一种手机蓝牙与FPGA的多功能琴键设计方法,利用手机蓝牙与FPGA设备无线通信,实现了多功能琴键音乐暂停与启动、音乐存储与回放。利用蓝牙传输方式实现了从有线配置到无线配置的跨越。设计高效、灵活地存储以及管理配置文件,易于修改或移植,具有一定的实用价值。

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