基于FPGA的音樂播放控制電路設(shè)計

1、 音樂播放器控制電路課程設(shè)計報告 班 級： 學(xué) 號： 姓 名: 指導(dǎo)老師：一、設(shè)計目的將斷橋殘雪簡譜按照要求進(jìn)行編碼并將其寫入只讀存儲器ROM之中，然后通過設(shè)計的電路讀出ROM的內(nèi)容，進(jìn)行解碼后驅(qū)動蜂鳴器播放。二、開發(fā)環(huán)境 采用Altera Quartus II 9.0軟件設(shè)計環(huán)境。它提供了全面的邏輯設(shè)計能力,包括電路圖、文本和波形的設(shè)計輸入以及編譯、邏輯綜合、仿真和定時分析以及器件編程等諸多功能。特別是在原理圖輸入等方面,Altera Quartus II 9.0被公認(rèn)為是最易使用、人機(jī)界面最友好開發(fā)軟件。并采用FPGALP-2900開發(fā)裝置硬件實現(xiàn)，給人們帶來極大的方便。三、設(shè)計過程概述1

2、、 數(shù)字簡譜簡介數(shù)字簡譜用不同的點和線段配合8個阿拉伯?dāng)?shù)字07構(gòu)成音符，記錄表示千變?nèi)f化的音樂曲子及其基本音樂元素。樂音是由三個要素決定的：頻率決定了樂音的音高，頻譜決定過了樂音的音色，音形標(biāo)志著演奏方式。樂曲的基本元素是：音的高低（音高）、音的長短（時值）、音的力度和音質(zhì)（音色）。音的高低和長短不同決定了樂曲的不同，因此構(gòu)成了音樂的最重要的基礎(chǔ)元素。音樂用1、2、3、4、5、6、7分別表示同一調(diào)式7個不同的音高：多、來、米、法、索、拉、西。這七個數(shù)字上、下標(biāo)注的點表示音調(diào)升高8度音程或降低8度音程。數(shù)字0為休止符，表示停止發(fā)音。數(shù)字下或數(shù)字上的線段表示因的持續(xù)時間的長短。沒有線段的數(shù)字為4分

3、音符，器時值為音長的基本度量單元，成為一拍。數(shù)字下面標(biāo)注的線段表示時間減短，沒增加一條線段，表示時值減少一半，音符相應(yīng)的成為8分音、16分音數(shù)字后面的線段稱為延長線，表示前一個音符的市場的增加，每條延長線的時值增量為1拍。音長是一個相對的時間概念，一拍的時間長度沒有限制，可以是1s，也可以是2s或是0.5s,。若將4分音符的時長定為1s，其他音符的時值長度以其為基本參照度量，半拍為0.5s，2拍為2s，以此類推。2、音高與頻率關(guān)系20Hz至20KHz的音頻脈沖信號控制蜂鳴器，可以使其根據(jù)控制信號的頻率發(fā)出不同的音調(diào)。一般的音樂我們可以用3個8度音程進(jìn)行表現(xiàn)，不同的音名和音程具有不同的頻率，由此

4、我們可以設(shè)計出電子電路根據(jù)音符控制輸入到蜂鳴器中的頻率，從而發(fā)出我們想要的聲音。 3個八度音程的音高與頻率關(guān)系各音高的頻率關(guān)系：每兩個相差度的音高頻率相差一倍.若計數(shù)器輸出頻率的為高音1，將分頻器輸入的計數(shù)脈沖頻率降低一倍，則音調(diào)降低8度，發(fā)出中音1。 3、音高控制根據(jù)簡譜音符的音高控制蜂鳴器頻率。數(shù)字電路中，模N的計數(shù)器溢出信號的頻率是計數(shù)脈沖信號頻率的1/N。所以，可以設(shè)計一個模可控的計數(shù)器實現(xiàn)不同的分頻比，使溢出信號頻率滿足不同的音高要求。由于三個8度音程中相同音名的信號頻率相差一倍 。所以在分頻系數(shù)不變時，將計數(shù)脈沖頻率升高（或降低）一倍可使分頻器的溢出信號頻率升高（或降低）一倍，音調(diào)

5、升高（或降低）8度。4、音長控制某個音符音長由該音高頻率信號的持續(xù)時間長短決定可采用一個計數(shù)器對音長進(jìn)行定時，計數(shù)脈沖周期是樂譜時值，決定了該單元音符的持續(xù)時間。所以，可采用計數(shù)器對音長進(jìn)行定時，計數(shù)脈沖周期為所選樂譜中時值最短音符的時值，其它音符的音長定時可根據(jù)其時值與最短音符音長（度量單位）的倍數(shù)關(guān)系持續(xù)不同的計數(shù)脈沖周期。比如：樂譜中最短音符為8分音長，則4分音符為2個時鐘周期，而全音符為8個時鐘周期。5、總體設(shè)計思路 要制作播放器，首先要解決的問題就是找一個能夠產(chǎn)生固定頻率的源，在這里很容易實現(xiàn)，我們使用一個10M的晶振，當(dāng)其接上適當(dāng)?shù)碾娐分螅鋵l(fā)出恒定的振蕩波形。 有了10M的信

6、號源之后，怎樣才能使其變成驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出我們需要的聲音的信號，這里我們使用分頻器來實現(xiàn)。 為了發(fā)出不同音名的音，用計數(shù)器來實現(xiàn)分頻器要常常改變分頻系數(shù)，這里我們選用一個模可變的計數(shù)器來完成這個功能。 對于如何實現(xiàn)復(fù)位控制環(huán)節(jié)，由于音程碼只能用到其中的三種組合，還有一種可以用作復(fù)位信號，當(dāng)播放到最后一個音節(jié)的時候，復(fù)位信號有效，經(jīng)過復(fù)位控制產(chǎn)生一個有效電平使得時值計數(shù)器清零，實現(xiàn)音樂的循環(huán)播放。 對于如何實現(xiàn)間斷音控制環(huán)節(jié)，從“曲譜儲存表”中讀出間斷音控制位被送入間斷音控制環(huán)節(jié)，這個環(huán)節(jié)的單穩(wěn)會產(chǎn)生一個相當(dāng)于十分之一“音符播放長度”的脈沖，使得計數(shù)使能無效產(chǎn)生間斷。 對于如何實現(xiàn)不同的音高，選擇

7、兩個獨立的二分頻元件對10M的輸入信號實現(xiàn)兩次二分頻，利用一片74153來實現(xiàn)數(shù)據(jù)選擇，根據(jù)“曲譜表”中的音程碼控制數(shù)據(jù)選擇器選出需要的頻率實現(xiàn)不同的音高。 為了實現(xiàn)音樂播放的連續(xù)性，我們把樂譜存儲到ROM中，播放電路的通取ROM中的內(nèi)容經(jīng)過特殊的解碼操作便可以得到我們需要的計數(shù)器分頻系數(shù)。分頻后便是我們需要的驅(qū)動蜂鳴器的信號。6、設(shè)計方案原理框圖四、總體設(shè)計電路圖五、單元電路設(shè)計與分析各單元電路的選擇與工作原理分析1、 二分頻功能作用:作為獨立的元件使用在總體電路中。原理分析：使用一個D觸發(fā)器和一個非門實現(xiàn)對輸入信號的二分頻。獨立的二分頻元件：2、 M分頻和時值計數(shù)單元功能作用： 10M的晶

8、振中輸出的脈沖波cp，通過“M分頻”，作為時鐘脈沖輸入“時值計數(shù)器”，計數(shù)器便按照此時鐘進(jìn)行計時，其輸出端連接“曲譜儲存表”。原理分析：預(yù)設(shè)每秒鐘播放5個單元的音符，對來自晶振的CP脈沖進(jìn)行2000000分頻（即M分頻器lpm_counter2的模取為2000000），其cout端接時值計數(shù)器(lpm_counter1)。時值計數(shù)器(lpm_counter1)的q輸出做為地址對ROM進(jìn)行訪問，由于有125個單元的音符，所以選擇8位地址線，在圖形上表現(xiàn)出就是q7.0.3、曲譜存儲表功能作用：“時值計數(shù)器”（lpm_counter2）的輸出端連接“曲譜儲存表”(lpm_rom0)，這就可以使其按照

9、地址訪問ROM中的數(shù)據(jù)，從曲譜輸出表ROM的輸出端輸出數(shù)據(jù)。 “曲譜儲存表”(lpm_rom0)中的音名碼作為地址被送入“分頻系數(shù)表”(lpm_rom1).原理分析：按照編碼規(guī)則，讀出的數(shù)據(jù)一共分為6位，如下表所示543210間斷音控制音程碼（控制音高）音名碼（控制音名）最高位控制間斷音控制。4、3兩位是音程碼，用于控制高音、中音和低音。2、1、0這三個是音名碼，用于控制音名，選擇播放do re mi fa so la si中的哪個音。曲譜表用一個ROM儲存，當(dāng)address輸入相應(yīng)的地址之后，q段就輸出其中的數(shù)據(jù)。 斷橋殘雪簡譜編碼4、分頻系數(shù)表功能作用：“曲譜儲存表”(lpm_rom0)中

10、的音名碼作為地址被送入“分頻系數(shù)表”（lpm_rom1），這樣相應(yīng)的分頻系數(shù)就被讀了出來，然后被送進(jìn)N分頻單元中計數(shù)器（lpm_counter0）的置數(shù)端data12.0。原理分析：分頻系數(shù)表用一個如下圖所示的ROM實現(xiàn)，其中的地址(Addr)就代表這個do re mi fa so la si和休止符這個8個音符的簡譜表示。其中的數(shù)值便是分頻系數(shù)。 5、N分頻單元功能作用：從“分頻系數(shù)表”（lpm_rom1）中讀出來的分頻系數(shù)被送進(jìn)N分頻單元中的計數(shù)器（lpm_counter0）的置數(shù)端data12.0，原始的信號經(jīng)過N分頻便得到需要的信號。原理分析：為了方便計算，采用了減計器，cout端為溢

11、出端，當(dāng)計數(shù)其計到0以后cout出高電平，使得同步置數(shù)sload段有效，分頻系數(shù)被從date12.0段置入計數(shù)器。6、間斷音控制模塊 功能作用：從“曲譜儲存表”（lpm_rom0）中讀出間斷音控制位被送入間斷音控制環(huán)節(jié)，這個環(huán)節(jié)的單穩(wěn)會產(chǎn)生一個相當(dāng)于十分之一“音符播放長度”的脈沖，使得計數(shù)使能無效產(chǎn)生間斷。 原理分析：由于需要的間斷音的長度是普通播放長度的十分之一，所以這里選擇200000分頻（計數(shù)器的模為200000）。其輸出端接一個由兩個D觸發(fā)器構(gòu)成的數(shù)字單穩(wěn)電路，產(chǎn)生一個脈沖寬度為輸入脈沖正向的一個有效電平，使得計數(shù)使能暫時無效，實現(xiàn)間斷。間斷音獨立元件7、音高控制電路 功能作用：10M

12、的晶振中輸出的脈沖波cp 連續(xù)被兩次二分頻，最后連同自身被送入一個數(shù)據(jù)選擇權(quán)器（即頻率選擇器）的數(shù)據(jù)輸入端口，其控制段接“曲譜儲存表”（lpm_rom0）輸出的音程碼，根據(jù)音程碼的要求把不同頻率的信號送入到N分頻單元中，便可以實現(xiàn)不同的音高。輸出信號被送進(jìn)N分頻單元中的計數(shù)器（lpm_counter0）的時鐘輸入信號clock。原理分析：此處選擇了之前已經(jīng)做好的兩個獨立的二分頻元件實現(xiàn)兩次二分頻，和一片74153來實現(xiàn)數(shù)據(jù)選擇，根據(jù)“曲譜表”中的音程碼控制數(shù)據(jù)選擇器選出需要的頻率實現(xiàn)不同的音高。8、放音單元功能作用：在N分頻單元的輸出端用一個2分頻器，得到占空比為百分之五十的信號，最后驅(qū)動蜂鳴

13、器實現(xiàn)播放功能。原理分析：使用一個D觸發(fā)器實現(xiàn)了二分頻，使得脈沖占空比為50%，避免了蜂鳴器的不正常工作導(dǎo)致的磁化。六、部分電路調(diào)試由于電路的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，采用分段調(diào)試的方法1、二分頻電路圖：調(diào)試結(jié)果：2、音高控制電路電路圖：調(diào)試結(jié)果：3、數(shù)字單穩(wěn)電路圖：調(diào)試結(jié)果：七、拓展電路設(shè)計1、播放顯示模塊原理分析：使用一個8421BCD碼的譯碼器將音符的顯示在數(shù)碼管上，顯示出實時播放的音符。2、變速控制模塊 速度控制電路及生成的獨立元件原理分析：將二分頻獨立元件串聯(lián)使用，使得播放速度能夠以快2倍速的方式逐漸變化，通一個數(shù)據(jù)選擇器74151選擇輸出不同頻率，從而以實現(xiàn)不同速度的播放。生成的獨立的速度控制

14、元件： 速度選擇模塊原理分析：利用一個加減計數(shù)器74192和之前生成的速度控制元件組合，當(dāng)DN有效，UP無效時（DN=1,UP=0），為減計數(shù)，此時實現(xiàn)減速播放功能；當(dāng)DN無效，UP有效時（DN=0,UP=1），為加計數(shù)，此時實現(xiàn)加速播放功能；當(dāng)DN與UP均無效時（DN=0,UP=0）,則輸出預(yù)置數(shù)（0011），即實現(xiàn)常速播放功能。生成的獨立的速度選擇元件：3、 暫停播放控制單元原理分析：在M分頻單元與變速控制單元之間加一個與門，將M分頻單元的計數(shù)器（lpm_counter2）的輸出端（cout）與暫?？刂奇I（zhanting）相與，得到的輸出信號送進(jìn)速度選擇元件的脈沖輸入端PC。當(dāng)暫?？刂奇I

15、為1時，對輸出沒有影響，當(dāng)暫?？刂奇I為0時，輸出為0，即實現(xiàn)暫停播放功能。4、 靜音播放控制單元 原理分析：在間斷音控制單元與N分頻單元之間加一個與門，將靜音控制鍵（jingyin）與間斷音元件的輸出端（out）相與，得到的輸出信號送進(jìn)N分頻單元的脈沖輸入信號clock。當(dāng)靜音控制鍵為1 時，對輸出沒有影響，正常播放；當(dāng)靜音控制鍵為0時，輸出為0，此時蜂鳴器無法發(fā)出聲音，而對前面的電路沒有影響，曲譜仍處于播放狀態(tài)，即實現(xiàn)靜音播放功能。八、代碼轉(zhuǎn)換電路設(shè)計1、集成加法器原理集成4位加法器74283有兩組4位的二進(jìn)制數(shù)輸入A(a4A1)和B（B4B1）,并有進(jìn)位輸入Cin，邏輯符號如圖所示。742

16、83實現(xiàn)A加B加Cin的運算，并輸出4位二進(jìn)制運算和S（S4S1）及進(jìn)位輸出Cout。比如輸入A為1101，B為0110，Cin為1時，輸出S為0100，Cout為1。 集成4位二進(jìn)制加法器74283邏輯符號2、設(shè)計思路余3碼和8421BCD碼都是表示09共10個十進(jìn)制數(shù)符的4位二進(jìn)制編碼。8421BCD碼是有權(quán)碼，其編碼中各位二進(jìn)制數(shù)代表的位權(quán)分別是8、4、2、1。每組8421BCD碼表示的十進(jìn)制數(shù)符等于其編碼中為“1”的位所表的權(quán)值之和。比如十進(jìn)制數(shù)符“5”的8421BCD碼是“0101”。余3碼是無權(quán)碼，但若定義其編碼中各位二進(jìn)制數(shù)代表的位權(quán)仍然是8、4、2、1，則每組余3碼表示的十進(jìn)制

17、數(shù)符等于其編碼中為“1”的位所代表的權(quán)值之和再減3。比如十進(jìn)制數(shù)符“5”的余3碼是“1000”。所以，表示同樣十進(jìn)制數(shù)符的8421BCD碼和余三碼碼值相差3。考慮到二進(jìn)制減法可以采用加補碼的方式實現(xiàn)，所以采用4位集成加法器74283實現(xiàn)代碼轉(zhuǎn)換電路。當(dāng)輸入碼8421BCD碼時，利用控制鍵X的狀態(tài)產(chǎn)生加數(shù)“0011”使輸入碼加3后輸入余3碼；當(dāng)輸入碼是余三碼時，利用控制鍵狀態(tài)產(chǎn)生“0011”的補碼“1101”，使輸入碼減3(加3的補碼)后輸入8421BCD碼。參考電路框圖如圖。3、 全局電路9、 動態(tài)掃描顯示電路設(shè)計1、 設(shè)計思路動態(tài)掃描顯示控制的關(guān)鍵問題在于產(chǎn)生順序脈沖分時選通各顯示器的公共端

18、，并同步輸出其段控制信號。在數(shù)字電路中，時序波形可以采用移位脈沖發(fā)生器產(chǎn)生，也可以采用計數(shù)器控制二進(jìn)制譯碼器產(chǎn)生。若采用LP-2900開發(fā)裝置，由于已在FPGA外部設(shè)置了3-8線譯碼器74138控顯示器的共陰極，因此只要采用計數(shù)器產(chǎn)生二進(jìn)制計數(shù)信號控制譯碼器即能實現(xiàn)動態(tài)顯示掃描。在LP-2900上實現(xiàn)4位動態(tài)掃描控制電路的設(shè)計方案原理框圖如下圖所示，圖中虛線框內(nèi)為開發(fā)裝置上的固有器件，框外為FPGA中需要設(shè)計的部分。本設(shè)計要求實現(xiàn)4位動態(tài)掃描顯示，可以任選LP-2900裝置上6位顯示中的前四位或后四位顯示。若采用六進(jìn)制計數(shù)器產(chǎn)生“000”“101”6組碼控制74138，全部顯示的選通信號輪流有

19、效，可以使N1、N2為全“0”滅顯前兩位顯示器或使N5、N6為全零滅顯后兩位。如果采用四進(jìn)制計數(shù)器的輸出控制DE2、DE1。并使DE3始終為0（端口接GND），則74138輸入碼A以“000”、“001”、“010”、“011”循環(huán)變化，輸出控制C1C4輪流為低電平，C5、C6始終為高電平，后兩位顯示器滅顯，不必輸出N5、N6信號。由于Ni必須在相應(yīng)的Ci有效時同步輸出，所以可采用控制產(chǎn)生Ci順序脈沖的計數(shù)器同步控制數(shù)據(jù)選擇器選擇各位有顯示碼，經(jīng)過顯示譯碼輸出七段控制信號Ni，同時選擇該位的小數(shù)點控制信號控制顯示器的dp端。比如，若需要顯示4位十進(jìn)制數(shù)字“42.75”，則各位顯示碼為E1A1=

20、“00100”；E2A2=“00010”；E3A3=“00111”；E4A4=“00101”；dp1dp4=“0100”。由于4個通道的顯示碼選擇與4位顯示器的掃描信號由計數(shù)器同時控制，所以當(dāng)計數(shù)器輸出DE2，DE1為“00”，C1有效，選擇顯示碼E1A1(E1、D1、C1、B1、A1)和小數(shù)點dp1；若計數(shù)器輸出全為“01”，C2有效，選擇顯示是E2A2和dp2，如此一一對應(yīng)。2、 分頻器計數(shù)脈沖OSC（10MHz）控制五進(jìn)制計數(shù)器的時鐘CLKB，并以五進(jìn)制計數(shù)器的最高位輸出QD控制二進(jìn)制計數(shù)器的時鐘CLKA，即構(gòu)成5421BCD碼十進(jìn)制計數(shù)器。每個QD的下降沿QA翻轉(zhuǎn)，每10個計數(shù)脈沖周期

21、計數(shù)器輸出狀態(tài)循環(huán)一周。分頻信號QA的占空比為50%。仿真波形：3、顯示譯碼器AHDL編碼4、全局電路圖十、遇到的主要問題與解決措施1、二分頻模擬不正常，通過翻閱相關(guān)書籍，檢查二分頻電路，發(fā)現(xiàn)D觸發(fā)器的PRN與CLRN均未接電源vcc，這主要是平時的學(xué)習(xí)忽視了一些非功能引腳的連接。2、電路連接完成，所有的綜合分析，編譯下載均通過，而蜂鳴器卻沒有聲音，多次仔細(xì)檢查電路均發(fā)現(xiàn)電路連接無誤后，檢查曲譜存儲表，發(fā)現(xiàn)沒有引入斷橋殘雪的mif文檔 ，而誤引入了分頻系數(shù)的mif文檔。3、當(dāng)這個問題解決后發(fā)現(xiàn)電路任然無法正常工作，而且從蜂鳴器中發(fā)出的聲音只有有限的幾個，發(fā)現(xiàn)應(yīng)該是間斷使能出現(xiàn)了問題，只有間斷的

22、地方發(fā)出了聲音，而非間斷的地方卻沒有聲音，推斷使能的電平被弄錯了，后來查閱FPGA手冊確認(rèn)計數(shù)器的計數(shù)使能是高電平有效，這個時侯把間斷單元的最后一個與門換成了與非門，問題解決。4、在拓展電路設(shè)計中，制作完變速電路設(shè)計，并編譯下載，發(fā)現(xiàn)只有加速播放功能，沒有預(yù)想中的減速播放功能，通過檢查速度控制電路和速度選擇電路，發(fā)現(xiàn)加減計數(shù)器74192的預(yù)置數(shù)被設(shè)為0000，致使其只有加計數(shù)功能，將預(yù)置數(shù)改為0011后，能達(dá)到預(yù)期的效果。5、在拓展電路設(shè)計中，制作完暫停播放功能電路后，通過編譯下載，發(fā)現(xiàn)歌曲停止運行，而仍發(fā)出所停止的那個音符的聲音，按下靜音播放功能鍵后，能達(dá)到預(yù)期效果。九、附錄附錄：附錄二：收

23、獲體會：（1）、進(jìn)一步加深了對數(shù)字電路的認(rèn)知。由于平時對數(shù)字電路的了解大部分只是來自于課本上的理論知識，即使平時做的一些數(shù)電實驗也只是根據(jù)已知電路圖進(jìn)行電路的連線，因此，對數(shù)電的認(rèn)知一直處在很膚淺的地方。而此次課程設(shè)計只是給出一些大概的原理及設(shè)計要求，需要自己設(shè)計電路圖，根據(jù)設(shè)計方案原理框圖設(shè)計各分電路模塊，然后對組裝好的電路進(jìn)行調(diào)試，這整個過程都極大地提高了我對數(shù)字電路的綜合認(rèn)知。同時，在這個過程中，讓我把數(shù)電相關(guān)方面知識進(jìn)行了一次有效地復(fù)習(xí)，相信會對自己今后的考研有很大幫助。（2）、認(rèn)識到自己的不足。在設(shè)計的過程中，發(fā)現(xiàn)自己以前學(xué)過的很多基本知識都已經(jīng)忘記，在設(shè)計電路圖以及在電路調(diào)試過程中也出現(xiàn)各種問題，說明自己的基本知識還不扎實，動