樂曲硬件演奏電路的VHDL設(shè)計(jì)報(bào)告.doc

天津工業(yè)大學(xué) 通信工程 EDA課程設(shè)計(jì)報(bào)告 EDA課程設(shè)計(jì)題目：樂曲硬件演奏電路的VHDL設(shè)計(jì) 專業(yè)：通信工程 班級：通信071 姓名：葛鵬 學(xué)號：0710920101一、設(shè)計(jì)題目：樂曲硬件演奏電路的VHDL設(shè)計(jì)二、設(shè)計(jì)目標(biāo)：了解一般樂曲演奏電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)方法,學(xué)習(xí)VHDL語言，熟悉EDA設(shè)計(jì)軟件QuartusII和MAX+plus，加強(qiáng)獨(dú)立完成電子設(shè)計(jì)的能力。 （1）能夠播放“梁?！睒非?。（2）能夠通過LED顯示音階。（3）（選作）具有“播放/停止”功能，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)“按鍵演奏”的電子琴功能。主芯片型號為FLEX10K10LC84-4三、實(shí)驗(yàn)電路的工作原理：(演奏電路邏輯圖) 組成樂曲的每個音符的發(fā)音頻率值及其持續(xù)的時間是樂曲能夠連續(xù)演奏所需的兩個基本要素，設(shè)計(jì)演奏電路的關(guān)鍵就是獲得這兩個要素所對應(yīng)的數(shù)值以及通過純硬件的手段來利用這些數(shù)值實(shí)現(xiàn)所希望樂曲的演奏效果。演奏電路邏輯圖有三部分：音樂節(jié)拍和音調(diào)發(fā)生器、簡譜碼對應(yīng)的分頻預(yù)置數(shù)查表電路、數(shù)控分頻與演奏發(fā)生器。演奏電路邏輯圖：四、設(shè)計(jì)內(nèi)容：1.完成程序的編輯工作。2.將音樂數(shù)據(jù)制作成LMP_ROM文件.3.將程序加載到MAX+plus中進(jìn)行編譯、仿真，并保存仿真結(jié)果。4.到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行下載驗(yàn)證。引腳進(jìn)行鎖定，然后下載到實(shí)驗(yàn)芯片中觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。五、仿真結(jié)果：1.音樂節(jié)拍和音調(diào)發(fā)生器（NoteTabs.VHD）notetabs模塊中設(shè)置了一個8位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器（計(jì)數(shù)最大值138），作為音符數(shù)據(jù)ROM的地址發(fā)生器。這個計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)頻率選為4Hz，即每一個計(jì)數(shù)值的停留時間為0.25秒，恰為當(dāng)全音符設(shè)為1秒時，四四拍的4分音符持續(xù)時間。隨著notetabs模塊中的計(jì)數(shù)器按4Hz的時鐘速率作為加法計(jì)數(shù)時，即隨地址值遞增時，音符數(shù)據(jù)ROM中的音符數(shù)據(jù)將從ROM中通過ToneIndex3.0端口輸向ToneTaba模塊，“梁祝”樂曲就開始連續(xù)自然的演奏起來了。Notetabs模塊仿真圖：2.簡譜碼對應(yīng)的分頻預(yù)置數(shù)查表電路（ToneTaba.VHD）音符的持續(xù)時間需根據(jù)樂曲的速度及每個音符的節(jié)拍數(shù)來確定，tonetaba模塊的功能首先是為speakera提供決定所發(fā)音符的預(yù)置數(shù)，而此數(shù)在speakera輸入口停留的時間即為此音符的節(jié)拍值。Tonetaba模塊是樂曲簡碼對應(yīng)的分頻預(yù)置數(shù)查表電路。其中設(shè)置了“梁?！睒非恳舴鶎?yīng)的分頻預(yù)置數(shù)，共13個，每一音符的停留時間由音樂節(jié)拍和音調(diào)發(fā)生器模塊NoteTabs的clk的輸入頻率決定。這13個值的輸出由對應(yīng)于ToneTaba的4位輸入值Index3.0確定，而Index3.0最多有16種可選值。輸向ToneTaba中Index3.0的值ToneIndex3.0的輸出值與持續(xù)時間有模塊notetabs決定。Tonetaba仿真圖：4.數(shù)控分頻與演奏發(fā)生器（Speakera.VHD）音符的頻率可由次模塊獲得，這是一個數(shù)控分頻器，由其clk端輸入一個具有較高頻率的信號，通過speakera分頻后由spkout輸出，由于直接從數(shù)控分頻器中出來的輸出信號是脈沖較窄的脈沖信號，為了有助于驅(qū)動揚(yáng)聲器，需另加一個D觸發(fā)器以均衡其占空比，但這時的頻率是原來的1/2。Speakera對clk輸入信號的分頻的預(yù)置數(shù)Tone10.0與spkout的輸出頻率就有了對應(yīng)關(guān)系。Sperkera模塊仿真圖：5. 梁祝music.vhd(音樂數(shù)據(jù)):將數(shù)據(jù)保存為.mif格式然后制作成LMP_ROM文件。六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果：（程序下載驗(yàn)證是否通過） 試驗(yàn)成功！將設(shè)計(jì)出的演奏電路的程序經(jīng)過編譯（Compiler）后，選擇FLEX10K系列中EPF10K10LC84-4作為目標(biāo)器件（Assign/Device），并進(jìn)行管腳鎖定（Floorplan Editor）。器件編程(Programmer)，將編譯生成的*.sof文件下載到目標(biāo)芯片。觀察到數(shù)碼管5顯示出演奏時的音樂簡譜，發(fā)光二極管D5指示音調(diào)高低，同時實(shí)驗(yàn)箱自帶蜂鳴器（Speaker）奏出“梁?！蹦瞧嗝绖尤说男?，實(shí)驗(yàn)成功。七、總結(jié)：本次樂曲硬件演奏電路的VHDL設(shè)計(jì)主要采用數(shù)控分頻原理來實(shí)現(xiàn)，在本次EDA課程設(shè)計(jì)中，我與其他同學(xué)相互交流，相互學(xué)習(xí)，提高了用VHDL語言編程的技能及進(jìn)一步加強(qiáng)了MAX+plus對這種EDA流行軟件的應(yīng)用，通過這次設(shè)計(jì)，我們溫故了已學(xué)的理論知識和實(shí)踐操作技能，同時也學(xué)習(xí)了更多的新的知識和技能，為以后進(jìn)一步的學(xué)習(xí)和工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本設(shè)計(jì)得到的電路可以作為一個樂曲演奏模塊，如果要演奏出另外一首曲子，只需將該曲子出現(xiàn)的簡譜分頻預(yù)置數(shù)寫入ToneTaba.VHD，再將該曲子的節(jié)拍表制作成ROM文件輸入到NoteTabs.VHD中，編譯后，編程下載即可。八、附錄(程序)1.Songer頂層文件模塊:LIBRARY IEEE; - 硬件演奏電路頂層設(shè)計(jì)USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY Songer IS PORT ( CLK4MHZ : IN STD_LOGIC; -音調(diào)頻率信號 CLK8HZ : IN STD_LOGIC; -節(jié)拍頻率信號 pause: IN STD_LOGIC; CODE1 : OUT STD_LOGIC_VECTOR (3 DOWNTO 0);- 簡譜碼輸出顯示 HIGH1 : OUT STD_LOGIC; -高8度指示 SPKOUT : OUT STD_LOGIC );-聲音輸出 END;ARCHITECTURE one OF Songer IS COMPONENT NoteTabs PORT ( clk : IN STD_LOGIC; SWITCH: IN STD_LOGIC; ToneIndex : OUT STD_LOGIC_VECTOR (3 DOWNTO 0) ); END COMPONENT; COMPONENT ToneTaba PORT ( Index : IN STD_LOGIC_VECTOR (3 DOWNTO 0) ; CODE : OUT STD_LOGIC_VECTOR (3 DOWNTO 0) ; HIGH : OUT STD_LOGIC; Tone : OUT STD_LOGIC_VECTOR (10 DOWNTO 0) ); END COMPONENT; COMPONENT Speakera PORT ( clk : IN STD_LOGIC; Tone : IN STD_LOGIC_VECTOR (10 DOWNTO 0); SpkS : OUT STD_LOGIC ); END COMPONENT; SIGNAL Tone : STD_LOGIC_VECTOR (10 DOWNTO 0); SIGNAL ToneIndex : STD_LOGIC_VECTOR (3 DOWNTO 0); BEGINu1 : NoteTabs PORT MAP (clk=CLK8HZ, SWITCH=pause,ToneIndex=ToneIndex);u2 : ToneTaba PORT MAP (Index=ToneIndex,Tone=Tone,CODE=CODE1,HIGH=HIGH1);u3 : Speakera PORT MAP(clk=CLK4MHZ,Tone=Tone, SpkS=SPKOUT );END;2.音樂節(jié)拍和音調(diào)發(fā)生器（NoteTabs.VHD）LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY NoteTabs IS PORT ( clk : IN STD_LOGIC; switch: IN STD_LOGIC; ToneIndex : OUT STD_LOGIC_VECTOR (3 DOWNTO 0) );END;ARCHITECTURE one OF NoteTabs ISCOMPONENT MUSIC -音符數(shù)據(jù)ROM PORT(address : IN STD_LOGIC_VECTOR (7 DOWNTO 0); inclock : IN STD_LOGIC ; q : OUT STD_LOGIC_VECTOR (3 DOWNTO 0);END COMPONENT; SIGNAL Counter : STD_LOGIC_VECTOR (7 DOWNTO 0);BEGIN CNT8 : PROCESS(clk,Counter) BEGIN IF Counter=138 THEN Counter = 00000000; ELSIF (clkEVENT AND clk = 1) THEN IF switch = 1 THEN Counter Counter , q=ToneIndex, inclock=clk); END;3.簡譜碼對應(yīng)的分頻預(yù)置數(shù)查表電路（ToneTaba.VHD）LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY ToneTaba IS PORT ( Index : IN STD_LOGIC_VECTOR (3 DOWNTO 0) ; CODE : OUT STD_LOGIC_VECTOR (6 DOWNTO 0) ; HIGH : OUT STD_LOGIC; Tone : OUT STD_LOGIC_VECTOR (10 DOWNTO 0) );END;ARCHITECTURE one OF ToneTaba ISBEGIN Search : PROCESS(Index) BEGIN CASE Index IS - 譯碼電路，查表方式，控制音調(diào)的預(yù)置數(shù) WHEN 0000 = Tone=11111111111 ; CODE=0111111; HIGH Tone=01100000101 ; CODE=0000110; HIGH Tone=01110010000 ; CODE=1011011; HIGH Tone=10000001100 ; CODE=1001111; HIGH Tone=10010101101 ; CODE=1101101; HIGH Tone=10100001010 ; CODE=1111101; HIGH Tone=10101011100 ; CODE=0000111; HIGH Tone=10110000010 ; CODE=0000110; HIGH Tone=10111001000 ; CODE=1011011; HIGH Tone=11000000110 ; CODE=1001111; HIGH Tone=11001010110 ; CODE=1101101; HIGH Tone=11010000100 ; CODE=1111101; HIGH Tone=11011000000 ; CODE=0000110; HIGH NULL; END CASE; END PROCESS;END;4.數(shù)控分頻與演奏發(fā)生器（Speakera.VHD）LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY Speakera IS PORT ( clk : IN STD_LOGIC; Tone : IN STD_LOGIC_VECTOR (10 DOWNTO 0); SpkS : OUT STD_LOGIC );END;ARCHITECTURE one OF Speakera IS SIGNAL PreCLK, FullSpkS : STD_LOGIC;BEGIN DivideCLK : PROCESS(clk) VARIABLE Count4 : STD_LOGIC_VECTOR (3 DOWNTO 0) ; BEGIN PreCLK 11 THEN PreCLK = 1; Count4 := 0000; ELSIF clkEVENT AND clk = 1 THEN Count4 := Count4 + 1; END IF; END PROCESS; GenSpkS : PROCESS(PreCLK, Tone)- 11位可預(yù)置計(jì)數(shù)器 VARIABLE Count11 : STD_LOGIC_VECTOR (10 DOWNTO 0);BEGIN IF PreCLKEVENT AND PreCLK = 1 THEN IF Count11 = 16#7FF# THEN Count11 := Tone ; FullSpkS = 1; ELSE Count11 := Count11 + 1; FullSpkS = 0; END IF; END IF; END PROCESS; DelaySpkS : PROCESS(FullSpkS)-將輸出再2分頻，展寬脈沖，使揚(yáng)聲器有足夠功率發(fā)音 VARIABLE Count2 : STD_LOGIC;BEGIN IF FullSpkSEVENT AND FullSpkS = 1 THEN Count2 := NOT Count2; IF Count2 = 1 THEN SpkS = 1; ELSE SpkS = 0; END IF; END IF; END PROCESS;END;5. 梁祝music.vhd(音樂數(shù)據(jù)):將數(shù)據(jù)保存為.mif格式然后制作成LMP_ROM文件。width=4;depth=256;address_radix=dec;data_radix=dec;content begin 00:3;01:3;02:3;03:3;04:5;05:5;06:5;07:6;08:8;09:8; 10:8;11:9;12:6;13:8;14:5;15:5;16:12;17:12;18:12;19:15; 20:13;21:12;22:10;23:12;24:9;2