EDA課程設(shè)計報告-音樂發(fā)生器設(shè)計

電子課程設(shè)計————音樂發(fā)生器設(shè)計學院:電子信息工程學院專業(yè)班級:通信工程101501姓名:孔翔學號:202115030109指導教師:李東紅2021年12月音樂發(fā)生器設(shè)計目錄一：設(shè)計任務(wù)與要求……………3二：總體框圖…………………3三：選擇器件…………………4四：功能模塊………………51：Songer模塊………………61)music模塊〔程序〕…………………92〕NoteTabs模塊〔程序仿真圖〕……63〕ToneTaba模塊〔程序仿真圖〕……74〕Speakera模塊〔程序仿真圖〕……92：div模塊〔程序仿真圖〕………………123：七段譯碼器模塊〔程序〕………………14五：總體設(shè)計電路圖……………11.頂層設(shè)計VHDL描述songer模塊………162.頂層文件的仿真結(jié)果…………3.管腳分配圖…………4.EDA硬件驗證…………六：心得體會……19七：參考資料…………………21前言樂曲演奏廣泛用于自動答錄裝置、鈴聲、集團、及智能儀器儀表設(shè)備。實現(xiàn)方法有許多種，在眾多的實現(xiàn)方法中，以純硬件完成樂曲演奏，隨著FPGA集成度的提高，價格下降，EDA設(shè)計工具更新?lián)Q代，功能日益普及與流行，使這種方案的應(yīng)用越來越多。如今的數(shù)字邏輯設(shè)計者面臨日益縮短的上市時間的壓力，不得不進行上萬門的設(shè)計，同時設(shè)計者不允許以犧牲硅的效率到達保持結(jié)構(gòu)的獨特性。使用現(xiàn)今的EDA軟件工具來應(yīng)付這些問題，并不是一件簡單的事情。FPGA預裝了很多已構(gòu)造好的參數(shù)化庫單元LPM器件。通過引入支持LPM的EDA軟件工具，設(shè)計者可以設(shè)計出結(jié)構(gòu)獨立而且硅片的使用效率非常高的產(chǎn)品。本文介紹在EDA開發(fā)平臺上利用VHDL語言設(shè)計數(shù)控分頻器電路，用數(shù)控分頻的原理設(shè)計音樂硬件演奏電路，并定制LPM-ROM存儲音樂數(shù)據(jù)，以?揮著翅膀的女孩兒??菊花臺?樂曲為例，將音樂數(shù)據(jù)存儲到LPM-ROM，就到達了以純硬件的手段來實現(xiàn)樂曲的演奏效果。只要修改LPM-ROM所存儲的音樂數(shù)據(jù)，將其換成其他樂曲的音樂數(shù)據(jù)，再重新定制LPM-ROM，連接到程序中就可以實現(xiàn)其它樂曲的演奏。一：設(shè)計任務(wù)與要求

〔1〕利用數(shù)控分頻器設(shè)計硬件樂曲演奏電路。

〔2〕利用給定的音符數(shù)據(jù)定制ROM“music〞。

〔3〕設(shè)計乘法器邏輯框圖，并在QuartusII上完成全部設(shè)計。

〔4〕與演奏發(fā)音相對應(yīng)的簡譜碼輸出在數(shù)碼管上顯示。設(shè)計方案方案一：利用純硬件電路完成樂曲演奏。方案二：利用FPGA來實現(xiàn)樂曲演奏電路。分成各個模塊來完成演奏樂曲的任務(wù)。方案比照與利用EDA技術(shù)來實現(xiàn)音樂演奏相比擬，純硬件電路要復雜的多，而且不能在中途查看是否正確。不如選擇EDA來實現(xiàn)音樂演奏。二：總體框圖 TONETABASNOTETABS分頻器譯碼器TONETABASNOTETABS分頻器譯碼器SPEAKERA揚聲器SPEAKERA揚聲器圖1-電路原理框圖三：選擇器件1.EP1C12Q240C8芯片及相應(yīng)的連接設(shè)備2.計算機3.EDA技術(shù)試驗箱四：功能模塊該主系統(tǒng)由三個模塊：Songer.vhd、div.vhd、SEG7.Vhd(7段譯碼器)組成。①首先定制Songer.Vhd，此模塊包括3個小模塊，分別是NoteTabs模塊，ToneTaba模塊，Speakera模塊，此外，我們還需建立一個名為“music〞的LPM_ROM模塊與NoteTabs模塊連接。②根據(jù)給出的乘法器邏輯原理圖及其模塊的VHDL描述在QUARTUS2上完成設(shè)計。③完成編譯，綜合，仿真，管腳分配，編程下載。1．對于模塊NoteTabs的功能描述：該模塊的功能就是定義音符數(shù)據(jù)ROM“music〞隨著該模塊中的計數(shù)器控制時鐘頻率速率作加法計數(shù)時，即地址值遞增時，音符數(shù)據(jù)ROM中的音符數(shù)據(jù)。將從ROM中通過ToneIndex[4..0]端口輸向ToneTaba模塊，演奏?揮著翅膀的女孩兒??菊花臺?。在該模塊中設(shè)置了一個8位二進制計數(shù)器〔計數(shù)最大值為197〕，作為音符數(shù)據(jù)ROM的地址發(fā)生器。這個計數(shù)器的計數(shù)頻率為4Hz，即每一計數(shù)值的停留時間為0.25秒，恰為當全音符設(shè)為1秒時，四四拍的4分音符持續(xù)時間。2．對于模塊ToneTaba，是樂曲簡譜碼對應(yīng)的分頻預置數(shù)查找表電路，其中設(shè)置了樂曲的全部音符所對應(yīng)的分頻置數(shù)，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，這些值由對應(yīng)于ToneTaba的4位輸入值Index[4..0]確定，最多有16種可選值。輸向ToneTaba中Index[4..0]的值ToneIndex[4..0]的輸出值與持續(xù)的時間由模塊NoteTabs決定。3．模塊Speakera是一個數(shù)控分頻器，音符的頻率可由此模塊獲得。由CLK端輸入一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寬極窄的脈沖式信號。為了利用驅(qū)動揚聲器，需加一個D觸發(fā)器以均衡其占空比，頻率將是原來的1/2。Speakera對CLK輸入信號的分頻比由預置數(shù)Tone決定。SPKOUT的輸出頻率將決定每一音符的音調(diào)。4.SEG7模塊是一個七段譯碼器，作用是在硬件上顯示音頻的上下，用0到7分別對應(yīng)空節(jié)拍、do、ri、mi、fa、suo、la、xi，高音時，LED亮，數(shù)碼管顯示對應(yīng)數(shù)字。1．對于模塊songer。?揮著翅膀的女孩兒??菊花臺?樂譜如下：LPM_ROM模塊定義音符數(shù)據(jù)ROM“music〞。Music模塊存放樂曲中的音符數(shù)據(jù)，它是利用LPM-ROM來實現(xiàn)的，將樂譜中相應(yīng)的音符放在一個連續(xù)的地址上。它首先是編寫音符數(shù)據(jù)文件，將樂譜中相應(yīng)的音符存放在一個連續(xù)的地址上。因為1拍的時間定為1秒，提供的是4Hz的時鐘頻率〔即1/4拍的整數(shù)倍〕，那么需將這個音符存儲在相應(yīng)次數(shù)的連續(xù)幾個地址上。然后對音符數(shù)據(jù)進行ROM定制。隨著NoteTabs中的計數(shù)器按時鐘頻率速度作加法計數(shù)時，音符數(shù)據(jù)將從ROM中通過ToneIndex端口輸向ToneTaba模塊。2〕NoteTabs模塊的程序：libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;useieee.std_logic_unsigned.all;entityNoteTabsis port(clk:instd_logic; ToneIndex:outstd_logic_vector(4downto0));end;architectureoneofNoteTabsis componentMUSIC PORT( address :INSTD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0); clock :INSTD_LOGIC; q :OUTSTD_LOGIC_VECTOR(4DOWNTO0)); ENDcomponent; signalCounter:std_logic_vector(7downto0);begin CNT8:process(clk,Counter) begin ifCounter=138thenCounter<="00000000"; elsif(clk'eventandclk='1')thenCounter<=Counter+1;endif; endprocess; u1:MUSICportMAP(address=>Counter,q=>ToneIndex,clock=>clk);end;其仿真波形如下：3)對于模塊ToneTabaToneTaba是樂曲簡譜碼對應(yīng)的分頻預置數(shù)查表電路。以下為ToneTaba的模塊程序：libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;entityToneTabais port(Index:instd_logic_vector(4downto0); CODE:outstd_logic_vector(3downto0); HIGH:outstd_logic; Tone:outstd_logic_vector(10downto0));end;architectureoneofToneTabaisbegin Search:process(Index) begin caseIndexis when"00001"=>Tone<="01100000101";CODE<="0001";HIGH<='0';--773 when"00010"=>Tone<="01110010000";CODE<="0010";HIGH<='0';--912 whenothers=>NULL; endcase; endprocess; end;該模塊的波形圖為：4)對于Speakera模塊音符的頻率是由該模塊獲得音符頻率的獲得：多個不同頻率的信號可通過對某個基準頻率進行分頻器獲得。該程序選取750KHz的基準頻率。由于現(xiàn)有的高頻時鐘脈沖信號的頻率為12MHz，需對其進行16分頻，才能獲得750KHz的基準頻率。對基準頻率分頻后的輸出信號是一些脈寬極窄的尖脈沖信號。為提高輸出信號的驅(qū)動能力，以使揚聲器有足夠的功率發(fā)音，需要再通過一個分頻器(D觸發(fā)器)將原來的分頻器的輸出脈沖均衡為對稱方波，這時的頻率將是原來的1/2，即為375KHz。各個音符的頻率及其對應(yīng)的分頻系數(shù)〔基準頻率375KHz〕音符名頻率(Hz)分頻系數(shù)計數(shù)初值休止符37500002047低音1294.3491274773低音2330.3961135912低音3370.9210111036低音4386.5989701077低音5394.7379501197低音6495.3767571290低音7555.566751372中音1588.6976371410中音2638.845871480中音3742.5745051542中音4796.1784681579中音5882.3534251622中音6989.4463791668中音71136.3633301717高音11175.5493191728高音21353.7902771770高音31512.0972481799高音41609.4422331814高音51802.8842081839高音62027.0271851862高音72272.7271651882Speakera的模塊程序：libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;useieee.std_logic_unsigned.all;entityspeakeraisport(clk:instd_logic; tone:instd_logic_vector(10downto0); spks:outstd_logic);end;architectureoneofspeakerais signalpreclk,fullspks:std_logic;begindivideclk:process(clk) variablecount4:std_logic_vector(3downto0);beginpreclk<='0';ifcount4>11thenpreclk<='1';count4:="0000";elsifclk'eventandclk='1'thencount4:=count4+1;endif;endprocess;genspks:process(preclk,tone) variablecount11:std_logic_vector(10downto0);begin ifpreclk'eventandpreclk='1'then elsecount11:=count11+1;fullspks<='0';endif; endif;endprocess;delayspks:process(fullspks) variablecount2:std_logic; begin iffullspks'eventandfullspks='1'thencount2:=notcount2; ifcount2='1'thenspks<='1'; elsespks<='0';endif; endif;endprocess;end;speakera的仿真圖如下：2.div模塊由于我們所使用的硬件設(shè)備不能滿足我們所需要的兩個CLK輸出的頻率，所以我們使用一個分頻器來實現(xiàn)把一個50MHz的晶體振蕩頻率分成一個12MHz，一個8Hz兩個分頻率，再把兩個頻率分別給所需的兩個模塊，div模塊的程序：LIBRARYieee;useieee.std_logic_1164.all;useieee.std_logic_unsigned.all;ENTITYdivISPORT(clk:INSTD_LOGIC;CLK12MHz,CLK8Hz:OUTstd_logic);ENDdiv;ARCHITECTUREoneofdivisbeginnana:process(clk)variablecnt:integerrange0to2;variabletmp:std_logic;beginif(clk'eventandclk='1')thenifcnt>=1thencnt:=0;tmp:=nottmp;elsecnt:=cnt+1;endif;endif;CLK12MHz<=tmp;endprocessnana;nbnb:process(clk)variablecnt:integerrange0to3125000;variabletmp:std_logic;beginif(clk'eventandclk='1')thenifcnt>=3124999thencnt:=0;tmp:=nottmp;elsecnt:=cnt+1;endif;endif;CLK8Hz<=tmp;endprocessnbnb;endone;此程序的仿真圖為：〔由于CLK8Hz過于小，所以在仿真圖中看不到〕3.七段數(shù)碼管模塊此局部程序應(yīng)用我們前面用過的SEG7模塊即可實現(xiàn)，程序為：libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;useieee.std_logic_unsigned.all;ENTITYSEG7ISPORT(num:INstd_logic_vector(3downto0);A:OUTstd_logic;B:OUTstd_logic;C:OUTstd_logic;D:OUTstd_logic;E:OUTstd_logic;F:OUTstd_logic;G:OUTstd_logic;DP:OUTstd_logic);ENDSEG7;ARCHITECTUREfunOFSEG7ISsignalled:std_logic_vector(6downto0);BEGINA<=led(6);B<=led(5);C<=led(4);D<=led(3);E<=led(2);F<=led(1);G<=led(0);DP<='0';led<="1111110"whennum="0000"else"0110000"whennum="0001"else"1101101"whennum="0010"else"1111001"whennum="0011"else"0110011"whennum="0100"else"1011011"whennum="0101"else"1011111"whennum="0110"else"1110000"whennum="0111"else"1111111"whennum="1000"else"1111011"whennum="1001"else"1110111"whennum="1010"else"0011111"whennum="1011"else"1001110"whennum="1100"else"0111101"whennum="1101"else"1001111"whennum="1110"else"1000111"whennum="1111";ENDfun;五：總體設(shè)計電路圖1.頂層設(shè)計VHDL描述songer模塊Songer模塊就是頂層設(shè)計文件，所有的模塊都由它調(diào)用。該Songer模塊的程序為:libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;entitySongeris port(CLK12MHZ:instd_logic; CLK8HZ:instd_logic; CODE1:outstd_logic_vector(3downto0); HIGH1:outstd_logic; SPKOUT:outstd_logic);end;architectureoneofSongeris componentNoteTabsis port(clk:instd_logic; ToneIndex:outstd_logic_vector(3downto0)); endcomponent; componentToneTaba port(Index:instd_logic_vector(3downto0); CODE:outstd_logic_vector(3downto0); HIGH:outstd_logic; Tone:outstd_logic_vector(10downto0)); endcomponent; componentSpeakera port(clk:instd_logic; Tone:instd_logic_vector(10downto0); SpkS:outstd_logic); endcomponent; signalTone:std_logic_vector(10downto0); signalToneIndex:std_logic_vector(3downto0); beginu1: NoteTabsportmap(clk=>CLK8HZ,ToneIndex=>ToneIndex);u2:ToneTabaportmap(Index=>ToneIndex,Tone=>Tone,CODE=>CODE1,HIGH=>HIGH1);u3:Speakeraportmap