基于FPGA音樂硬件演奏電路設(shè)計(jì)

術(shù)實(shí)用教程課程設(shè)計(jì) 題目：基于 目 錄 摘要 . 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總述 計(jì)要求 統(tǒng)組 成 . 總體程序設(shè)計(jì) 層模塊設(shè)計(jì)流程圖 層電路 序設(shè)計(jì) . 單元模塊程序設(shè)計(jì) 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(diào)發(fā)生器模塊的仿 頻預(yù)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(huì) . 參考文獻(xiàn) 要 根據(jù)國(guó)家教委與專業(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?？茖W(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 發(fā)平臺(tái) 利用 用數(shù)控分頻的原理設(shè)計(jì)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(chǔ)到 達(dá)到了以純硬件的手段來實(shí)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(shí)現(xiàn)其它樂曲的演奏。 本設(shè)計(jì)采用的是杭州康芯電子有限公司生產(chǎn)的 驗(yàn)系統(tǒng)， 標(biāo)芯片型號(hào) 為 司的 的 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 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(dòng)從頭開始循環(huán)演奏 ，按下 下 時(shí) 從頭開始 播放歌曲。 關(guān)鍵詞 ： 音樂硬件演奏電路 ， 言設(shè)計(jì) ， 1. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總述 計(jì)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(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。樂曲中的每一音符對(duì)應(yīng)著一個(gè)確定的頻率，要想 際上只要控制它輸出相應(yīng)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(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)確地控制樂曲的節(jié)奏，即樂曲中每個(gè)音符的發(fā)生頻率及其持續(xù)時(shí)間是樂曲能夠連續(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)頻率過低，則分頻系數(shù)過小，四舍五入取整后的誤差較大。若基準(zhǔn)頻率過高，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 750于現(xiàn)有的高頻時(shí)鐘脈沖信號(hào)的頻率為 12需先對(duì)其進(jìn)行 16分頻，才能獲得 750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，需要再通過一個(gè)分頻器將原來的分頻器的輸出脈沖均衡為對(duì)稱方波（占空比 =1/2），但這時(shí)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(zhǔn)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(jìn)制計(jì)數(shù)器能滿足要求，樂曲中的休止符，只要將分頻系數(shù)設(shè)為 0，即初始值 =211047，此時(shí)揚(yáng)聲器不會(huì)發(fā)聲。 音符名 頻 率 (分頻 系數(shù) 計(jì)數(shù)初值 音符名 頻 率 (分頻 系數(shù) 計(jì)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(gè)音符的頻率及其對(duì)應(yīng)的分頻系數(shù)（基準(zhǔn)頻率 375 （ 3） 樂曲節(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) 4（ 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） 樂譜發(fā)生器 本文將樂譜中的音符數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在 ，如“梁?！睒非械牡谝粋€(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 一個(gè) 4應(yīng)地就從 （ 5） 音樂 硬件 演奏 電路 總體設(shè)計(jì) 流程 當(dāng)一個(gè) 4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) 12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 經(jīng)過數(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 。 曲子也就流暢的播放出來了 ， 當(dāng)樂曲一遍演奏完成后，樂曲發(fā)生 器能自動(dòng)從頭開始循環(huán)演奏 ，按下 時(shí)播放第二首歌，按下 時(shí) 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(cè)試和仿真 ， 音樂 硬件 演奏電路 設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)方框圖如 下 圖所示 2. 總體 程序設(shè)計(jì) 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(shè)計(jì) 流程圖 層電路 序 設(shè)計(jì) 件演奏電路頂層設(shè)計(jì) S 于控制音長(zhǎng)（節(jié)拍）的時(shí)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(shè) 計(jì) 根據(jù)頂層原理圖，共分為 址發(fā)生器模塊、分頻預(yù)置數(shù)模塊、十六進(jìn)制模塊、數(shù)控分頻模塊這五個(gè)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(yù)置數(shù)模塊提供分頻預(yù)置數(shù)即給數(shù)控分頻模塊提供計(jì)數(shù)初值，十六進(jìn)制模塊對(duì) 126分頻，得到 750數(shù)控分頻模塊提供時(shí)鐘脈沖。數(shù)控分頻模塊根據(jù)分頻預(yù)置數(shù)輸出各個(gè)音符所對(duì)應(yīng)的頻率。 樂節(jié)拍和音調(diào)發(fā)生器模塊 (1) 音樂節(jié)拍和音調(diào)發(fā)生 器模塊 路圖 (2) 音樂節(jié)拍和音調(diào)發(fā)生器模塊 序 設(shè)計(jì) 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(shè)置了一 個(gè) 8 位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器 (計(jì)數(shù)最大值為 256)，作為音符數(shù)據(jù) 來一個(gè)時(shí)鐘脈沖信號(hào) ( 8位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器就計(jì)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(gè)接一個(gè)連續(xù)的取出來了。 在 地址發(fā)生器的 ， 這個(gè)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)頻率選為 4每一計(jì)數(shù)值的停留時(shí)間為 ，恰為當(dāng)全音符設(shè)為 1 秒，四四拍的 4分音符持續(xù)時(shí)間。例如，地址發(fā)生器在以下的 輯描述中，“梁祝”樂曲的第一個(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秒時(shí)間。那么相應(yīng)隨著程序 4中 的計(jì)數(shù)器按 4隨地址遞增時(shí)，將從音符數(shù)據(jù) 將連續(xù)取出 4 個(gè)音符“ 3”通過 .口輸向分頻預(yù)置數(shù)模塊。這樣梁祝樂曲中的音符就一個(gè)接一個(gè)的通過 .口輸向分頻預(yù)置數(shù)模塊。 樂譜對(duì)應(yīng)分頻預(yù)制數(shù)查表電路模塊 (1) 音樂譜分頻預(yù)置數(shù)模塊 (2) 音樂譜對(duì)應(yīng)分頻預(yù)制數(shù)查表電路 序 設(shè)計(jì) 音樂譜分頻預(yù)置數(shù)模塊是樂曲簡(jiǎn)譜碼對(duì)應(yīng)的分頻預(yù)置數(shù)查表電路。它提供了每個(gè)音符所對(duì)應(yīng)的分頻預(yù)置數(shù)，即給數(shù)控 分頻模塊提供計(jì)數(shù)初值，這里以“梁?！睒非鸀槔谐隽嗽谶@個(gè)樂曲中所用到的 13個(gè)音符的分頻預(yù)置數(shù)。 在這個(gè)模塊的 輯描述中設(shè)置了 四四拍 樂曲中全部音符所對(duì)應(yīng)的分頻預(yù)置數(shù)，共 13個(gè)，每一音符的停留時(shí)間由音樂節(jié)拍和地址發(fā)生器模塊的時(shí)鐘（ 輸入頻率決定，在此為 4 13個(gè)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(shí)間決定。 模塊的功能是輸出各個(gè)音符所對(duì)應(yīng)的分頻預(yù)置數(shù)， 即 當(dāng) 0000”， 047，即休止符的分頻預(yù)置數(shù)；當(dāng) “ 0101”時(shí)， 出為 1197即低音 5的分頻預(yù)置數(shù)；當(dāng) 1111”時(shí)， 728 即高音 1的分頻預(yù)置數(shù)等等其它狀態(tài)時(shí)， 分頻預(yù)置數(shù)模塊的 計(jì)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(diào)的預(yù)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(shè)計(jì) 音符的頻率由數(shù)控分頻模塊獲得，這是一個(gè)數(shù)控分頻電路。它是由一個(gè)初值可變的加法計(jì)數(shù)器構(gòu)成。該計(jì)數(shù)器的模為 2047，當(dāng)計(jì)數(shù)器記滿時(shí)，計(jì)數(shù)器產(chǎn)生一個(gè)溢出信號(hào) 溢出信號(hào)就是用作發(fā)音的頻率信號(hào)。在計(jì)數(shù)器的輸入端給定不同的初值，而此預(yù)置數(shù)就是表 1 中的計(jì)數(shù)初值，就可得到不同音符的發(fā)音頻率信號(hào) 。它計(jì)滿時(shí)所需要的計(jì)數(shù)初值可由下式來表示。 計(jì)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(zhǔn)頻率 /音符的發(fā)生頻率 低音時(shí) 頻系數(shù)大，溢出信號(hào)周期長(zhǎng)，揚(yáng)聲器發(fā)出的聲音低， 動(dòng)控制分頻比，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控分頻，發(fā)生信號(hào)的頻率與音調(diào)就是利用數(shù)控分頻器自動(dòng)演奏音樂的原理。 時(shí)鐘（ 輸入的是在十六進(jìn)制模塊里對(duì) 12信號(hào)進(jìn)行 16 分頻得到的750750別得出相 應(yīng)音符頻率的兩倍值。此時(shí)從數(shù)控分頻器中出來的輸出信號(hào)是脈寬極窄的脈沖式信號(hào)，為了有利于驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，需另加一個(gè) D 觸發(fā)器以均衡其占空比，這時(shí)的頻率就變?yōu)樵瓉淼?1/2，剛好就是相應(yīng)音符的頻率。數(shù)控分頻模塊中對(duì) 入信號(hào)的分頻比由 11位預(yù)置數(shù) 0.定。 樣，分頻計(jì)數(shù)器的預(yù)置值 0. 如在分頻預(yù)置數(shù)模塊中若取 0.1036，將發(fā)出音符為“ 3”音的信號(hào)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(shè)置此 位二進(jìn)制數(shù)據(jù)共 256個(gè)。 (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(shè)置為工程，并確定目標(biāo)器件，進(jìn)行測(cè)試 仿真波形 , 按照定制步驟對(duì)音符數(shù)據(jù)文件進(jìn)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(diào)試 樂節(jié)拍和音調(diào)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(diào)模塊 程序設(shè)為工程，選用 的 仿真結(jié)果如下圖： 頻預(yù)置數(shù) 查表 模塊的仿真 (1) 波形仿真 將所編寫的分頻預(yù)置數(shù)查表模塊 程序設(shè)為工程，選用 的 仿真結(jié)果如下圖： (2) 模塊功能分析與調(diào)試 頻預(yù)置數(shù) 模塊的功能是輸出各個(gè)音符所對(duì)應(yīng)的分頻預(yù)置數(shù)，由上面的仿真波形圖可看到 若 當(dāng) 0000”， 047，即休止符的分頻預(yù)置數(shù)；當(dāng) 0101”時(shí)， 197即低音 5的分頻預(yù)置數(shù)；當(dāng) 1111”時(shí)， 出為 1728即高音 1 的分頻預(yù)置數(shù)等等其它狀態(tài)時(shí)， 仿真波形圖證明了程序?qū)崿F(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(shè)為工程，選用 的 仿真結(jié)果如下圖： (2) 模塊功能分析與調(diào)試 樂符數(shù)控分頻 此模塊的功能是根據(jù)初始值 輸入時(shí)鐘信號(hào) 到想要的音符的發(fā)聲頻率 其時(shí)鐘（ 輸入的是在十六進(jìn)制模塊里對(duì) 12信號(hào)進(jìn)行 16分頻得到的 750750信號(hào)根據(jù)分頻預(yù)置數(shù)模塊中所提供的計(jì)數(shù)初值，分別得出相應(yīng)音符頻率的兩倍值。此時(shí)從數(shù)控分頻器中出來的輸出信號(hào)是脈寬極窄的脈沖式信號(hào)，為了有利于驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，需另加一個(gè) 時(shí)的頻率就變?yōu)樵瓉淼?1/2，剛好就是相應(yīng)音符的頻率。 在 里是 12信號(hào)，通過分頻后由 里是對(duì) 126分頻得到 750信號(hào)。 750數(shù)控分頻模塊中對(duì) 1位預(yù)置數(shù) 0.定。 樣，分頻計(jì)數(shù)器的預(yù)置 0. 若 在分頻預(yù)置數(shù)模塊中若取 0.1036，將發(fā)出音符為“ 3”音的信號(hào)頻率。 在這個(gè)仿真波形圖中， 值可設(shè)為 6高音 1的分頻預(yù)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(duì)輸入時(shí)鐘 19次分頻就可得高音 1的發(fā)聲頻率， 因此這個(gè)程序?qū)崿F(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(shè)計(jì)的電路只能演奏“梁?！鼻?，但是在實(shí)際應(yīng)用中 ,若能將電路實(shí)用于各種曲子的演奏，它的實(shí)用性和應(yīng)用范圍就會(huì)擴(kuò)大許多。這里主要通過修改分頻預(yù)置數(shù)模塊的程序，使其實(shí)用于各種曲子的演奏。另外