基于FPGA音樂(lè)硬件演奏電路設(shè)計(jì).doc

EDA技術(shù)實(shí)用教程課程設(shè)計(jì)題目：基于FPGA音樂(lè)硬件演奏電路設(shè)計(jì)目錄摘要-11.系統(tǒng)設(shè)計(jì)總述1.1設(shè)計(jì)要求-21.2系統(tǒng)組成-32.總體程序設(shè)計(jì)2.1頂層模塊設(shè)計(jì)流程圖-42.2頂層電路VHDL程序設(shè)計(jì)-53.單元模塊程序設(shè)計(jì)3.1音樂(lè)節(jié)拍和音調(diào)發(fā)生器模塊-63.2音樂(lè)譜對(duì)應(yīng)分頻預(yù)制數(shù)查表-83.3音樂(lè)符數(shù)控11分頻電路模塊-103.4樂(lè)曲演奏音符數(shù)據(jù)文件-123.5定制音符數(shù)據(jù)的ROM文件-144.VHDL音樂(lè)硬件演奏電路系統(tǒng)仿真與調(diào)試4.1NoteTabs音樂(lè)節(jié)拍和音調(diào)發(fā)生器模塊的仿-164.2ToneTaba分頻預(yù)置數(shù)查表模塊的仿真-164.3Speakera音樂(lè)符數(shù)控分頻模塊的仿真-174.1擴(kuò)大此音樂(lè)硬件演奏電路的通用性-195.心得體會(huì)-216.參考文獻(xiàn)-21摘要根據(jù)國(guó)家教委與專(zhuān)業(yè)教學(xué)委員會(huì)對(duì)教育機(jī)構(gòu)的要求，為培養(yǎng)適應(yīng)我國(guó)21世紀(jì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要的電子設(shè)置人才；同時(shí)基于國(guó)家教委面向21世紀(jì)電工電子課程體系改革和電工電子工科教學(xué)基地建設(shè)兩項(xiàng)教學(xué)改革研究成果。要求高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)生能夠自己動(dòng)手完成簡(jiǎn)單數(shù)字器件的設(shè)計(jì)。這不但反應(yīng)了我國(guó)當(dāng)前在電子電路的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系、內(nèi)容和方法上的改革思路和教學(xué)水平的提高，更重要的是在加強(qiáng)以傳統(tǒng)電子設(shè)計(jì)方法為基礎(chǔ)的工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練的同時(shí)，使學(xué)生能夠盡快掌握現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)的新方法、新工具和新手段系統(tǒng)的、科學(xué)的培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力、理論聯(lián)系實(shí)際的能力、工程設(shè)計(jì)能力，創(chuàng)新能力，提高了學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的興趣。本次設(shè)計(jì)在EDA開(kāi)發(fā)平臺(tái)QUARTUS|6.0上利用VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)數(shù)控分頻器電路，利用數(shù)控分頻的原理設(shè)計(jì)音樂(lè)硬件演奏電路，并定制LPM-ROM存儲(chǔ)音樂(lè)數(shù)據(jù)，以“梁祝”和“月亮代表我的心”兩首樂(lè)曲為例，將音樂(lè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到LPM-ROM，就達(dá)到了以純硬件的手段來(lái)實(shí)現(xiàn)樂(lè)曲的演奏效果。只要修改LPM-ROM所存儲(chǔ)的音樂(lè)數(shù)據(jù)，將其換成其他樂(lè)曲的音樂(lè)數(shù)據(jù)，再重新定制LPM-ROM，連接到程序中就可以實(shí)現(xiàn)其它樂(lè)曲的演奏。本設(shè)計(jì)采用的是杭州康芯電子有限公司生產(chǎn)的GW48-CK實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，F(xiàn)PGA目標(biāo)芯片型號(hào)為Altera公司的Cyclone系列中的EPFl0K10LC84。芯片配置成功后即可進(jìn)行硬件測(cè)試：選擇實(shí)驗(yàn)電路結(jié)構(gòu)圖NO1，使CLK6MH2與C10ck9相接(接受6MHz時(shí)鐘頻率)，CLK4Hz與CLOCK2相接(接受4Hz時(shí)鐘頻率)，發(fā)音輸出接SPEAK，當(dāng)樂(lè)曲一遍演奏完成后，樂(lè)曲發(fā)生器能自動(dòng)從頭開(kāi)始循環(huán)演奏，按下SEL鍵時(shí)播放第二首歌，按下RST鍵時(shí)從頭開(kāi)始播放歌曲。關(guān)鍵詞：FPGA/CPLD，音樂(lè)硬件演奏電路，VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)，QUARTUS|6.01.系統(tǒng)設(shè)計(jì)總述1.1設(shè)計(jì)要求（1）順序播放樂(lè)曲功能（2）具有通過(guò)按鍵任意切換樂(lè)曲功能1.2系統(tǒng)組成（1）音樂(lè)硬件演奏電路基本原理硬件電路的發(fā)聲原理，聲音的頻譜范圍約在幾十到幾千赫茲，若能利用程序來(lái)控制FPGA芯片某個(gè)引腳輸出一定頻率的矩形波，接上揚(yáng)聲器就能發(fā)出相應(yīng)頻率的聲音。樂(lè)曲中的每一音符對(duì)應(yīng)著一個(gè)確定的頻率，要想FPGA發(fā)出不同音符的音調(diào)，實(shí)際上只要控制它輸出相應(yīng)音符的頻率即可。樂(lè)曲都是由一連串的音符組成，因此按照樂(lè)曲的樂(lè)譜依次輸出這些音符所對(duì)應(yīng)的頻，就可以在揚(yáng)聲器上連續(xù)地發(fā)出各個(gè)音符的音調(diào)。而要準(zhǔn)確地演奏出一首樂(lè)曲，僅僅讓揚(yáng)聲器能夠發(fā)生是不夠的，還必須準(zhǔn)確地控制樂(lè)曲的節(jié)奏，即樂(lè)曲中每個(gè)音符的發(fā)生頻率及其持續(xù)時(shí)間是樂(lè)曲能夠連續(xù)演奏的兩個(gè)關(guān)鍵因素。（2）音符頻率的獲得多個(gè)不同頻率的信號(hào)可通過(guò)對(duì)某個(gè)基準(zhǔn)頻率進(jìn)行分頻器獲得。由于各個(gè)音符的頻率多為非整數(shù)，而分頻系數(shù)又不能為小數(shù)，故必須將計(jì)算機(jī)得到的分頻系數(shù)四舍五入取整。若基準(zhǔn)頻率過(guò)低，則分頻系數(shù)過(guò)小，四舍五入取整后的誤差較大。若基準(zhǔn)頻率過(guò)高，雖然可以減少頻率的相對(duì)誤差，但分頻結(jié)構(gòu)將變大。實(shí)際上應(yīng)該綜合考慮這兩個(gè)方面的因素，在盡量減少誤差的前提下，選取合適的基準(zhǔn)頻率。本設(shè)計(jì)中選取750KHz的基準(zhǔn)頻率。由于現(xiàn)有的高頻時(shí)鐘脈沖信號(hào)的頻率為12MHz，故需先對(duì)其進(jìn)行16分頻，才能獲得750KHz的基準(zhǔn)頻率。對(duì)基準(zhǔn)頻率分頻后的輸出信號(hào)是一些脈寬極窄的尖脈沖信號(hào)（占空比=1/分頻系數(shù)）。為提高輸出信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，以使揚(yáng)聲器有足夠的功率發(fā)音，需要再通過(guò)一個(gè)分頻器將原來(lái)的分頻器的輸出脈沖均衡為對(duì)稱(chēng)方波（占空比=1/2），但這時(shí)的頻率將是原來(lái)的1/2。下表中各音符的分頻系數(shù)就是從750KHz的基準(zhǔn)頻率二分頻得到的375KHz頻率基礎(chǔ)上計(jì)算得到的。由于最大分頻系數(shù)是1274，故分頻器采用11位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器能滿(mǎn)足要求，樂(lè)曲中的休止符，只要將分頻系數(shù)設(shè)為0，即初始值=211-1=2047，此時(shí)揚(yáng)聲器不會(huì)發(fā)聲。音符名頻率(Hz)分頻系數(shù)計(jì)數(shù)初值音符名頻率(Hz)分頻系數(shù)計(jì)數(shù)初值休止符37500002047中音4796.1784681579低音1294.3491274773中音5882.3534251622低音2330.3961135912中音6989.4463791668低音3370.9210111036中音71136.3633301717低音4386.5989701077高音11175.5493191728低音5394.7379501197高音21353.7902771770低音6495.3767571290高音31512.0972481799RSTSELclkToneIndex3.0Index3.0HIGHCODE3.0Tone10.0clkTone10.0SpkSCODE13.0SPKOUTCLK12MHZSELRSTNoteTabs:u1CLK8HZToneTaba:u2Speakera:u3HIGH1各個(gè)音符的頻率及其對(duì)應(yīng)的分頻系數(shù)（基準(zhǔn)頻率375KHz）（3）樂(lè)曲節(jié)奏的控制本設(shè)計(jì)中的梁祝和月亮代表我的心的樂(lè)曲，最小的節(jié)拍為1/4拍，若將1拍的時(shí)間定為1秒，則只需要提供一個(gè)4Hz的時(shí)鐘頻率即可產(chǎn)生1/4拍的時(shí)長(zhǎng)（0.25秒），對(duì)于其它占用時(shí)間較長(zhǎng)的節(jié)拍（必為1/4拍的整數(shù)倍）則只需要將該音符連續(xù)輸出相應(yīng)的次數(shù)即可。計(jì)數(shù)時(shí)鐘信號(hào)作為輸出音符快慢的控制信號(hào)，時(shí)鐘快時(shí)輸出節(jié)拍速度就快，演奏的速度也就快，時(shí)鐘慢時(shí)輸出節(jié)拍的速度就慢，演奏的速度自然降低。（4）樂(lè)譜發(fā)生器本文將樂(lè)譜中的音符數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在LPM-ROM中，如“梁?！睒?lè)曲中的第一個(gè)音符為“3”，此音在邏輯中停留了4個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍，即1秒的時(shí)間，相應(yīng)地，音符“3”就要在LPM-ROM中連續(xù)的四個(gè)地址上都存儲(chǔ)。當(dāng)一個(gè)4Hz的時(shí)鐘來(lái)時(shí)，相應(yīng)地就從LPM-ROM中輸出一個(gè)音符數(shù)據(jù)。（5）音樂(lè)硬件演奏電路總體設(shè)計(jì)流程當(dāng)一個(gè)4Hz的時(shí)鐘脈沖來(lái)到時(shí)，樂(lè)譜發(fā)生器模塊輸出一個(gè)音符數(shù)據(jù)給分頻系數(shù)模塊，分頻系數(shù)模塊輸出此音符相應(yīng)的分頻系數(shù)，將分頻系數(shù)送給數(shù)控分頻器模塊，當(dāng)12MHz的時(shí)鐘脈沖來(lái)到時(shí)，數(shù)控分頻器就根據(jù)分頻系數(shù)輸出相應(yīng)的頻率(即此音符所對(duì)應(yīng)的發(fā)生頻率)給揚(yáng)聲器，揚(yáng)聲器就可發(fā)出對(duì)應(yīng)音符的聲音來(lái).連續(xù)的4Hz的時(shí)鐘脈沖就將樂(lè)譜發(fā)生器里所存儲(chǔ)的音符數(shù)據(jù)一個(gè)接一個(gè)的送給了分頻系數(shù)模塊，再經(jīng)過(guò)數(shù)控分頻模塊,最后揚(yáng)聲器一個(gè)接一個(gè)的發(fā)出音符數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的聲音來(lái)。曲子也就流暢的播放出來(lái)了，當(dāng)樂(lè)曲一遍演奏完成后，樂(lè)曲發(fā)生器能自動(dòng)從頭開(kāi)始循環(huán)演奏，按下SEL鍵時(shí)播放第二首歌，按下RST鍵時(shí)從頭開(kāi)始播放歌曲。音樂(lè)硬件演奏電路主要是用VHDL語(yǔ)言來(lái)設(shè)計(jì)，并利用Quartus6.0軟件工具來(lái)編譯、測(cè)試和仿真，音樂(lè)硬件演奏電