基于FPGA音樂硬件演奏電路設計

術實用教程課程設計 題目：基于 目 錄 摘要 . 系統(tǒng)設計總述 計要求 統(tǒng)組 成 . 總體程序設計 層模塊設計流程圖 層電路 序設計 . 單元模塊程序設計 1 分頻電路模塊 曲演奏 音符數(shù)據(jù)文件 件 . 樂節(jié)拍和音調發(fā)生器模塊的仿 頻預置數(shù)查表模塊的仿真 樂符數(shù)控分頻模塊的仿真 音樂硬件演奏電路的通用性 5. 心得體會 . 參考文獻 要 根據(jù)國家教委與專業(yè)教學委員會對教育機構的要求，為培養(yǎng)適應我國 21世紀國民經濟發(fā)展需要的電子設置人才；同時基于國家教委面向 21世紀電工電子課程體系改革和電工電子工科教學基地建設兩項教學改革研究成果。要求高等?？茖W校學生能夠自己動手完成簡單數(shù)字器件的設計。這不但反應了我國當前在電子電路的實驗教學體系、內容和方法上的改革思路和教學水平的提高，更重要的是在加強以傳統(tǒng)電子設計方法為基礎的工程設計訓練的同時，使學生能夠盡快掌握現(xiàn)代電子設計自動化技術的新方法、新工具和新手段系統(tǒng)的、科學的培養(yǎng)了學生的實際動手能力、理論聯(lián)系實際的能力、工程設計能力 ， 創(chuàng)新能力，提高了學生對基礎實驗的興趣。 本 次設計 在 發(fā)平臺 利用 用數(shù)控分頻的原理設計音樂硬件演奏電路，并定制 “梁?！?和“月亮代表我的心”兩首 樂曲為例，將音樂數(shù)據(jù)存儲到 達到了以純硬件的手段來實現(xiàn)樂曲的演奏效果。只要修改 其換成其他樂曲的音樂數(shù)據(jù)，再重新定制 接到程序中就可以實現(xiàn)其它樂曲的演奏。 本設計采用的是杭州康芯電子有限公司生產的 驗系統(tǒng)， 標芯片型號 為 司的 的 片配置成功后即可進行硬件測試：選擇實驗電路結構圖 1，使 接 (接受6鐘頻率 )， 接 (接受 4鐘頻率 )，發(fā)音輸出接樂曲一遍演奏完成后，樂曲發(fā)生器能自動從頭開始循環(huán)演奏 ，按下 下 時 從頭開始 播放歌曲。 關鍵詞 ： 音樂硬件演奏電路 ， 言設計 ， 1. 系統(tǒng)設計總述 計要求 （ 1） 順序播放樂曲 功能 （ 2） 具有通過按鍵 任意 切換樂曲 功能 統(tǒng)組成 （ 1） 音樂 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，若能利用程序來控制個引腳輸出一定頻率的矩形波，接上揚聲器就能發(fā)出相應頻率的聲音。樂曲中的每一音符對應著一個確定的頻率，要想 際上只要控制它輸出相應音符的頻率即可。樂曲都是由一連串的音符組成， 因此按照樂曲的樂譜依次輸出這些音符所對應的頻，就可以在揚聲器上連續(xù)地發(fā)出各個音符的音調。而要準確地演奏出一首樂曲，僅僅讓揚聲器能夠發(fā)生是不夠的，還必須準確地控制樂曲的節(jié)奏，即樂曲中每個音符的發(fā)生頻率及其持續(xù)時間是樂曲能夠連續(xù)演奏的兩個關鍵因素。 （ 2） 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。由于各個音符的頻率多為非整數(shù)，而分頻系數(shù)又不能為小數(shù)，故必須將計算機得到的分頻系數(shù)四舍五入取整。若基準頻率過低，則分頻系數(shù)過小，四舍五入取整后的誤差較大。若基準頻率過高，雖然可以減少頻率 的相對誤差，但分頻結構將變大。實際上應該綜合考慮這兩個方面的因素，在盡量減少誤差的前提下，選取合適的基準頻率。本 設計中選取 750于現(xiàn)有的高頻時鐘脈沖信號的頻率為 12需先對其進行 16分頻，才能獲得 750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（占空比 =1/分頻系數(shù)）。為提高輸出信號的驅動能力，以使揚聲器有足夠的功率發(fā)音，需要再通過一個分頻器將原來的分頻器的輸出脈沖均衡為對稱方波（占空比 =1/2），但這時的頻率將是原來的 1/2。 下 表中各音符的分頻系數(shù)就 是從 750基準頻率二分頻得到的 375由于最大分頻系數(shù)是 1274，故分頻器采用 11 位二進制計數(shù)器能滿足要求，樂曲中的休止符，只要將分頻系數(shù)設為 0，即初始值 =211047，此時揚聲器不會發(fā)聲。 音符名 頻 率 (分頻 系數(shù) 計數(shù)初值 音符名 頻 率 (分頻 系數(shù) 計數(shù) 初值 休止符 375000 0 2047 中音 4 68 1579 低音 1 274 773 中音 5 25 1622 低音 2 135 912 中音 6 79 1668 低音 3 011 1036 中音 7 30 1717 低音 4 70 1077 高音 1 19 1728 低音 5 50 1197 高音 2 77 1770 低音 6 57 1290 高音 3 48 1799 R S kT o n e I n d e x 3 . . 0 I n d e x 3 . . 0 H I G D E 3 . . 0 T o n e 1 0 . . 0 cl kT o n e 1 0 . . 0 S p k D 3 . . 0 U M H TN o t e T a b s : u 1C L ZT o n e T a b a : u 2Sp e a ke u 3H I G H 1各個音符的頻率及其對應的分頻系數(shù)（基準頻率 375 （ 3） 樂曲節(jié)奏的控制 本 設計 中的梁祝 和月亮代表我的心的 樂曲，最小的節(jié)拍為 1/4拍，若將 1拍的時間定為 1秒，則只需要提供一個 4（ 對于其它占用時間 較長的節(jié)拍（必為 1/4拍的整數(shù)倍）則只需要將該音符連續(xù)輸出相應的次數(shù)即可。 計數(shù)時鐘信號作為輸出音符快慢的控制信號，時鐘快時輸出節(jié)拍速度就快，演奏的速度也就快，時鐘慢時輸出節(jié)拍的速度就慢，演奏的速度自然降低。 （ 4） 樂譜發(fā)生器 本文將樂譜中的音符數(shù)據(jù)存儲在 ，如“梁祝”樂曲中的第一個音符為“ 3”，此音在邏輯中停留了 4個時鐘節(jié)拍，即 1秒的時間，相應地，音符“ 3”就要在 一個 4應地就從 （ 5） 音樂 硬件 演奏 電路 總體設計 流程 當一個 4譜發(fā)生器模塊輸出一個音符數(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的分頻系數(shù)，將分頻系數(shù)送給數(shù)控分頻器模塊，當 12控分頻器就根據(jù)分頻系數(shù)輸出相應的頻率 (即此音符所對應的發(fā)生頻率 )給揚聲器，揚聲器就可發(fā)出對應音符的聲音來 經過數(shù)控分頻模塊 ,最后揚聲器一個接一個的發(fā)出音符數(shù)據(jù)所對應的聲音來 。 曲子也就流暢的播放出來了 ， 當樂曲一遍演奏完成后，樂曲發(fā)生 器能自動從頭開始循環(huán)演奏 ，按下 時播放第二首歌，按下 時 從頭開始 播放歌曲。 音樂硬件演奏電路主要是用 利用 件工具來編譯、測試和仿真 ， 音樂 硬件 演奏電路 設計總體設計方框圖如 下 圖所示 2. 總體 程序設計 低音 7 75 1372 高音 4 33 1814 中音 1 37 1410 高音 5 08 1839 中音 2 87 1480 高音 6 85 1862 中音 3 05 1542 高音 7 65 1882 R S kT o n e I n d e x 3 . . 0 I n d e x 3 . . 0 H I G D E 3 . . 0 T o n e 1 0 . . 0 cl kT o n e 1 0 . . 0 S p k D 3 . . 0 U M H TN o t e T a b s : u 1C L ZT o n e T a b a : u 2Sp e a ke u 3H I G H 層模塊設計 流程圖 層電路 序 設計 件演奏電路頂層設計 S 于控制音長（節(jié)拍）的時鐘頻率； 3 );譜碼輸出顯示 度指示 ;F S 1 例換化 3 ) ); 2 例換化 3 ) ; 3 ) ; 10 ) ); N ot eT tc TT 3. . 0cl o d d r e 7 . . 0 q 3 . . 0 A 7 . . 0 B 7 . . 0 O U T 7 . . 0 A D D E P R T A T A T 0M U X 2 1 T A T A T 0M U X 2 1m u s i c: u 1A d d 08 h 0 1 - TT o n e I n d e x 3 . . 0 co m b 7 . . 0 co m b 1 5 . . 8 C o u n t e r 7 . . 0 3 例換化 10 ); ; 10 ); 3 ); AP( 3. 單元模塊程序設 計 根據(jù)頂層原理圖，共分為 址發(fā)生器模塊、分頻預置數(shù)模塊、十六進制模塊、數(shù)控分頻模塊這五個模塊。 塊存放樂曲中的音符數(shù)據(jù)，地址發(fā)生器模塊作為 塊中所定制的音符數(shù)據(jù) 頻預置數(shù)模塊提供分頻預置數(shù)即給數(shù)控分頻模塊提供計數(shù)初值，十六進制模塊對 126分頻，得到 750數(shù)控分頻模塊提供時鐘脈沖。數(shù)控分頻模塊根據(jù)分頻預置數(shù)輸出各個音符所對應的頻率。 樂節(jié)拍和音調發(fā)生器模塊 (1) 音樂節(jié)拍和音調發(fā)生 器模塊 路圖 (2) 音樂節(jié)拍和音調發(fā)生器模塊 序 設計 S 3 ) ); F S 7 ); q : 3 ); 7 ); F (ND 1) 56 or 0) T on eT ab s tI nd 3. . 0 C O D E 3. . 0H I G HT on e 10 . . 0 q= (2) 地址發(fā)生器模塊 地址發(fā)生器模塊設置了一 個 8 位二進制計數(shù)器 (計數(shù)最大值為 256)，作為音符數(shù)據(jù) 來一個時鐘脈沖信號 ( 8位二進制計數(shù)器就計數(shù)一次， 件中的地址也就隨著遞增，音符數(shù)據(jù) 的音符也就一個接一個連續(xù)的取出來了。 在 地址發(fā)生器的 ， 這個計數(shù)器的計數(shù)頻率選為 4每一計數(shù)值的停留時間為 ，恰為當全音符設為 1 秒，四四拍的 4分音符持續(xù)時間。例如，地址發(fā)生器在以下的 輯描述中，“梁?！睒非牡谝粋€音符為“ 3”，此音在邏輯中停留了 4個時鐘節(jié)拍，即 1秒時間。那么相應隨著程序 4中 的計數(shù)器按 4隨地址遞增時，將從音符數(shù)據(jù) 將連續(xù)取出 4 個音符“ 3”通過 .口輸向分頻預置數(shù)模塊。這樣梁祝樂曲中的音符就一個接一個的通過 .口輸向分頻預置數(shù)模塊。 樂譜對應分頻預制數(shù)查表電路模塊 (1) 音樂譜分頻預置數(shù)模塊 (2) 音樂譜對應分頻預制數(shù)查表電路 序 設計 音樂譜分頻預置數(shù)模塊是樂曲簡譜碼對應的分頻預置數(shù)查表電路。它提供了每個音符所對應的分頻預置數(shù)，即給數(shù)控 分頻模塊提供計數(shù)初值，這里以“梁?！睒非鸀槔?，列出了在這個樂曲中所用到的 13個音符的分頻預置數(shù)。 在這個模塊的 輯描述中設置了 四四拍 樂曲中全部音符所對應的分頻預置數(shù)，共 13個，每一音符的停留時間由音樂節(jié)拍和地址發(fā)生器模塊的時鐘（ 輸入頻率決定，在此為 4 13個值的輸出由程序 3的 4位輸入值 .定。輸向程序 4中 .值又由地址發(fā)生器模塊的輸出 .輸出值和持續(xù)時間決定。 模塊的功能是輸出各個音符所對應的分頻預置數(shù)， 即 當 0000”， 047，即休止符的分頻預置數(shù)；當 “ 0101”時， 出為 1197即低音 5的分頻預置數(shù)；當 1111”時， 728 即高音 1的分頻預置數(shù)等等其它狀態(tài)時， 分頻預置數(shù)模塊的 計程序如下： S 3 ) ;制數(shù)查表 3 ) ; 度指示 10 ) );1位 F S S 碼電路，查表方式，控制音調的預置數(shù) 13組頻率 0000 = 樂符數(shù)控 11分頻電 路模塊 (1) 音樂符數(shù)控 11 分頻電路模塊 (2) 音樂符數(shù)控 11分頻電路模塊 路圖 3 . . 0 B 3 . . 0 O U T 3 . . 0 A D D E 1 0 . . 0 B 1 0 . . 0 O U T 1 0 . . 0 A D D E 1 1 . . 0 B 1 1 . . 0 O U U A 3 . . 0 B 3 . . 0 O U S S _ T H A P R P R T A T A T 0M U X 2 1 D e l a y Sp C o u n t 2 Sp re g 0cl o n e 1 0 . . 0 F u l l Sp G e n Sp C o u n t 1 1 1 0 . . 0 Eq u a l 01 h 0 - h 7 F F - - D i v i d e C L K: C o u n t 4 3 . . 0 A d d 04 h 1 - -A d d 11 1 h 0 0 1 - -C o u n t 1 1 1 0 . . 0 L e s s T h a n 04 h B - -(3) 音樂符數(shù)控 11分頻 模塊 電路 序 設計 音符的頻率由數(shù)控分頻模塊獲得，這是一個數(shù)控分頻電路。它是由一個初值可變的加法計數(shù)器構成。該計數(shù)器的模為 2047，當計數(shù)器記滿時，計數(shù)器產生一個溢出信號 溢出信號就是用作發(fā)音的頻率信號。在計數(shù)器的輸入端給定不同的初值，而此預置數(shù)就是表 1 中的計數(shù)初值，就可得到不同音符的發(fā)音頻率信號 。它計滿時所需要的計數(shù)初值可由下式來表示。 計數(shù)初值（ =2047而分頻系數(shù)又可有下式來求： 分頻系數(shù) =基準頻率 /音符的發(fā)生頻率 低音時 頻系數(shù)大，溢出信號周期長，揚聲器發(fā)出的聲音低， 動控制分頻比，實現(xiàn)了數(shù)控分頻，發(fā)生信號的頻率與音調就是利用數(shù)控分頻器自動演奏音樂的原理。 時鐘（ 輸入的是在十六進制模塊里對 12信號進行 16 分頻得到的750750別得出相 應音符頻率的兩倍值。此時從數(shù)控分頻器中出來的輸出信號是脈寬極窄的脈沖式信號，為了有利于驅動揚聲器，需另加一個 D 觸發(fā)器以均衡其占空比，這時的頻率就變?yōu)樵瓉淼?1/2，剛好就是相應音符的頻率。數(shù)控分頻模塊中對 入信號的分頻比由 11位預置數(shù) 0.定。 樣，分頻計數(shù)器的預置值 0. 如在分頻預置數(shù)模塊中若取 0.1036，將發(fā)出音符為“ 3”音的信號頻率。 音符的頻率由數(shù)控分頻模塊 S 2 10 );1位 ;F S 3 ) ; 1 擇“ a ，然后按“ ，選擇 后在 注意后綴 (2) 單擊“ ，選擇 ，地址線寬為 256，即設置此 位二進制數(shù)據(jù)共 256個。 (3) 通過 “ 鈕，找到 的加載文件路徑和文件名：注意 件的 (4) 打開已定制的 件 ,將它設置為工程，并確定目標器件，進行測試 仿真波形 , 按照定制步驟對音符數(shù)據(jù)文件進行 定制好的 件 序如下 ： S : 7 ); : q : 3 ); S : 3 ); : : : : : 7 ); : q : 3 ); q 4, 8, G:/ q = 4. 統(tǒng) 仿真與調試 樂節(jié)拍和音調發(fā)生器模塊的仿真 (1) 波形仿真 將所編寫的音樂節(jié)拍和音調模塊 程序設為工程，選用 的 仿真結果如下圖： 頻預置數(shù) 查表 模塊的仿真 (1) 波形仿真 將所編寫的分頻預置數(shù)查表模塊 程序設為工程，選用 的 仿真結果如下圖： (2) 模塊功能分析與調試 頻預置數(shù) 模塊的功能是輸出各個音符所對應的分頻預置數(shù)，由上面的仿真波形圖可看到 若 當 0000”， 047，即休止符的分頻預置數(shù)；當 0101”時， 197即低音 5的分頻預置數(shù)；當 1111”時， 出為 1728即高音 1 的分頻預置數(shù)等等其它狀態(tài)時， 仿真波形圖證明了程序實現(xiàn)了模塊的功能。 樂符數(shù)控分頻模塊的仿真 (1) 波形仿真 將所編寫的 音樂符數(shù)控分頻模塊 程序設為工程，選用 的 仿真結果如下圖： (2) 模塊功能分析與調試 樂符數(shù)控分頻 此模塊的功能是根據(jù)初始值 輸入時鐘信號 到想要的音符的發(fā)聲頻率 其時鐘（ 輸入的是在十六進制模塊里對 12信號進行 16分頻得到的 750750信號根據(jù)分頻預置數(shù)模塊中所提供的計數(shù)初值，分別得出相應音符頻率的兩倍值。此時從數(shù)控分頻器中出來的輸出信號是脈寬極窄的脈沖式信號，為了有利于驅動揚聲器，需另加一個 時的頻率就變?yōu)樵瓉淼?1/2，剛好就是相應音符的頻率。 在 里是 12信號，通過分頻后由 里是對 126分頻得到 750信號。 750數(shù)控分頻模塊中對 1位預置數(shù) 0.定。 樣，分頻計數(shù)器的預置 0. 若 在分頻預置數(shù)模塊中若取 0.1036，將發(fā)出音符為“ 3”音的信號頻率。 在這個仿真波形圖中， 值可設為 6高音 1的分頻預置數(shù) 1728），50 接近高音 1的發(fā)聲頻率。由表中可知高音 1 的分頻系數(shù)為 319，即對輸入時鐘 19次分頻就可得高音 1的發(fā)聲頻率， 因此這個程序實現(xiàn)了模塊的功能。 大 此 音樂硬件演奏電路的通用性 前面所設計的電路只能演奏“梁?！鼻?，但是在實際應用中 ,若能將電路實用于各種曲子的演奏，它的實用性和應用范圍就會擴大許多。這里主要通過修改分頻預置數(shù)模塊的程序，使其實用于各種曲子的演奏。另外