和弦音樂芯片項(xiàng)目設(shè)計(jì)報(bào)告

1、版 本：1.00分冊(cè)名稱：和弦音樂芯片的 ASIC設(shè)計(jì)方案 第1冊(cè)/總1冊(cè)和弦音樂芯片的ASIC設(shè)計(jì)方案專業(yè)：電子信息工程專業(yè) 本科班級(jí)：集成09002學(xué)號(hào)： 姓名：陳盼 孫詩鈺 于麗揚(yáng)日期：2012/11/20大連東軟信息學(xué)院 嵌入式系統(tǒng)工程系19 / 22文檔可自由編輯打印修改記錄日期版本說明作者2012-08-21（星期四）文檔的初步建立孫詩鈺、于麗陽2012-09-12（星期一）文檔的初次修改：更新細(xì)化一些內(nèi)容；陳盼2012-11-20文檔的再次細(xì)化修改，加入部分內(nèi)容陳盼目 錄一概述11. 功能簡(jiǎn)介12. 管腳圖13. 典型應(yīng)用電路14. SMIC .18工藝簡(jiǎn)介2二音樂知識(shí)21. 什

2、么是和弦22. MIDI文件格式2三關(guān)鍵技術(shù)介紹51. 類MIDI音樂52. PWM53. 分時(shí)輸出6四系統(tǒng)分析71. 數(shù)據(jù)通道72. 控制通道93. 上電復(fù)位124. 時(shí)鐘產(chǎn)生12五系統(tǒng)設(shè)計(jì)141. 數(shù)字設(shè)計(jì)流程142. 模擬設(shè)計(jì)流程143. 混合設(shè)計(jì)流程16六數(shù)字部分結(jié)果161.前仿真162.布局布線后版圖173.DRC、LVS最終版圖18七總結(jié)19一概述1. 功能簡(jiǎn)介和弦音樂芯片是一款專業(yè)的一次性可編程（otp）和弦電子音樂處理芯片，擁有處理多和弦通道的能力，其支持目前通用的midi0格式以及midi1格式，高速的內(nèi)部dsp處理器以及psg音質(zhì)專用處理器，能逼真地還原電子樂器的音質(zhì)效果。

3、由于優(yōu)美的音質(zhì)和很高的性能比優(yōu)勢(shì)，已被大規(guī)模應(yīng)用于電子琴領(lǐng)域?？梢赃x擇pwm輸出，pwm輸出可以直推0.5w的喇叭。2. 管腳圖 3. 典型應(yīng)用電路4. SMIC .18工藝簡(jiǎn)介一種適用于邏輯電路的0.18微米CMOS加工工藝，這種CMOS帶有一個(gè)微型電池大小的嵌入式SRAM，它標(biāo)志著帶有電可擦除只讀存儲(chǔ)器(EEPROM)與復(fù)合信號(hào)、 射頻(RF)以及轉(zhuǎn)換脈沖起始(SoC)等功能的0.18微米系列產(chǎn)品，它已經(jīng)將0.18微米邏輯技術(shù)用于批量生產(chǎn)，并使缺陷的密度與加工周期達(dá)到了極具競(jìng)爭(zhēng)力的水平。利用VeriSilicon公司的0.18微米設(shè)計(jì)平臺(tái)，SMIC能夠在某些領(lǐng)域?yàn)橛脩籼峁┰O(shè)計(jì)支持，這些領(lǐng)域

4、包括單、雙接口靜態(tài)存儲(chǔ)器(SRAM)的存儲(chǔ)編制以及標(biāo)準(zhǔn)輸入/輸出(I/O)單元庫等。另外，SMIC還提供各種不同的數(shù)字與復(fù)合信號(hào)核心元件以及有關(guān)0.18微米CMOS的多晶片項(xiàng)目服務(wù)，使客戶能夠以較低的風(fēng)險(xiǎn)與成本進(jìn)行原型產(chǎn)品的試驗(yàn)和高級(jí)設(shè)計(jì)。二音樂知識(shí)1. 什么是和弦和弦是樂理上的一個(gè)概念，指的是一定音程關(guān)系的一組聲音。將三個(gè)和三個(gè)以上的音，按三度疊置的關(guān)系，在縱向上加以結(jié)合，就成為和弦。通常有三和弦（三個(gè)音的和弦）、七和弦（四個(gè)音的和弦）、九和弦等概念。在音頻器材的工業(yè)設(shè)計(jì)方面，和弦也叫復(fù)音，指的是多個(gè)音源同時(shí)發(fā)音。2. MIDI文件格式MIDI文件屬于二進(jìn)制文件，這種文件一般都有如下基本結(jié)構(gòu)

5、: 文件頭+數(shù)據(jù)描述，文件頭一般包括文件的類型，因?yàn)镸idi文件僅以.mid為擴(kuò)展名的就有0類和1類兩種。 在每個(gè)Midi文件的開頭都有如下內(nèi)容，它們的十六進(jìn)制代碼為:“4d 54 68 64 00 00 00 06 ff ff nn nn dd dd”。前四個(gè)是ASCII字符“MThd”是用來鑒別是否Midi文件，而隨后的四個(gè)字節(jié)是指明文件頭描述部分的字節(jié)數(shù)，它總是6，所以一定是“00 00 00 06”，以下是剩余部分的含義：每一個(gè)數(shù)據(jù)有著相同的結(jié)構(gòu):時(shí)間差+事件。所謂時(shí)間差，指的是前一個(gè)事件到該事件的時(shí)間數(shù)，它的單位是tick(MIDI的最小時(shí)間單位)。它的構(gòu)成比較特殊，這里要用二進(jìn)制來

6、說明。一個(gè)字節(jié)有8位，如果僅使用7位，它可以表示0127這128個(gè)數(shù)，而剩下的一位，則用來作為標(biāo)志。如果要表示的數(shù)在以上范圍，則這個(gè)標(biāo)志為0， 這時(shí)，一個(gè)7位的字節(jié)可以表示0127tick。如果要表示的數(shù)超出了這個(gè)范圍(比如240)，則把標(biāo)志設(shè)置成1，然后記錄下高7位，剩下的留給下一個(gè) 字節(jié)，在該例中240可以分解成128*1+112，這里的1就是第一個(gè)字節(jié)要記錄的，加上標(biāo)志位，應(yīng)該為10000001，即十六進(jìn)制的81；而112 是下一個(gè)字節(jié)記錄的，它的十六進(jìn)制為70:所以要表示240這個(gè)時(shí)間，要寫成81 70。同理，如果要表示65535tick，則可以先計(jì)算出65535=1282*3+128

7、1*127+1280*127，然后得出結(jié)果:83 FF 7F。由此，我們反過來也可以知道如何確定時(shí)間差:只要標(biāo)志位為0，則表示結(jié)束讀取時(shí)間差。比如82 C0 03表示1282*2+1281*64+1280*3=40963，如果基本時(shí)間為120，則有341:043個(gè)四分音符。事件大體上可以分為音符、控制器和系統(tǒng)信息這幾個(gè)種類。對(duì)于這些事件，都有統(tǒng)一的表達(dá)結(jié)構(gòu):種類+參數(shù)。對(duì)于一個(gè)音符，由于它的有效范圍是0127，所以直接用007F作為“種類”，可以認(rèn)為是個(gè)音符，比如3C表示中央C。而一個(gè)音符的最重要的參數(shù)是力度(也叫速度:velocity)。比如，3C 64 表示一個(gè)力度為十進(jìn)制100的中央C音

8、符。因?yàn)橐粋€(gè)字節(jié)有8位，所以剩余的一位如果置1，再聯(lián)合其他的7位，則可以表示各種信息。我們暫且無視一個(gè)音軌到底是全局的還是用于記錄音符的。它們歸根結(jié)底都是用來記錄各種事件的，只不過有些應(yīng)出現(xiàn)在全局音軌比較合乎邏輯而已。既然這樣，我們就可以從下面的表來看事件:下表中，x表示音軌0F，比如81表示松開第二軌的音符。下表詳細(xì)地列出了FF的詳細(xì)情況，對(duì)于字節(jié)數(shù)由數(shù)據(jù)決定的情況，表中以“-”表示。三關(guān)鍵技術(shù)介紹1. 類MIDI音樂 對(duì)MIDI格式文件的文件頭刪除，每一條音軌也只保留時(shí)間差，聲道，音符，力度四種信息。2. PWM脈沖寬度調(diào)制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”

9、的縮寫，簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多種PWM技術(shù)，其中包括：相電壓控制PWM、脈寬PWM法、隨機(jī)PWM、SPWM法、線電壓控制PWM等，而在鎳氫電池智能充電器中采用的脈寬PWM法，它是把每一脈沖寬度均相等的脈沖列作為PWM波形，通過改變脈沖列的周期可以調(diào)頻，改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓，采用適當(dāng)控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化?？梢酝ㄟ^調(diào)整PWM的周期、PWM的占空比而達(dá)到控制充電電流的目的。具體過程：脈沖寬度調(diào)制（PWM）是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。

10、通過高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。PWM信號(hào)仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么完全有（ON），要么完全無（OFF）。電壓或電流源是以一種通（ON）或斷（OFF）的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開的時(shí)候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼?？刂品椒ǎ翰蓸涌刂评碚撝杏幸粋€(gè)重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同.PWM控制技術(shù)就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，對(duì)半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制,使輸出端得到一系列幅值相等而寬度

11、不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形.按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。目前主要有以下多種方法：等脈寬PWM法、隨機(jī)PWM、SPWM法、等面積法、硬件調(diào)制法、軟件生成法、自然采樣法、規(guī)則采樣法、低次諧波消去法、梯形波與三角波比較法、線電壓控制PWM、馬鞍形波與三角波比較法、單元脈沖調(diào)制法、電流控制PWM、滯環(huán)比較法、三角波比較法、預(yù)測(cè)電流控制法、空間電壓矢量控制PWM、矢量控制PWM、直接轉(zhuǎn)矩控制PWM、非線性控制PWM、諧振軟件開關(guān)PWM。主要應(yīng)用于的領(lǐng)域有：PWM軟件法控制充電電流、推力調(diào)制以及LED多方面已普遍應(yīng)用。3

12、. 分時(shí)輸出 即采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)法對(duì)多個(gè)輸出同時(shí)做出響應(yīng)。分時(shí)操作系統(tǒng)把CPU時(shí)間分成若干個(gè)時(shí)間片，然后以時(shí)間片為單位輪流為多個(gè)輸出提供服務(wù)，大多數(shù)輸出會(huì)用到多個(gè)時(shí)間片才能完成輸出任務(wù)，因此宏觀上實(shí)現(xiàn)了多個(gè)輸出端同時(shí)輸出的功能，而微觀上仍是依次輸出功能。四系統(tǒng)分析1. 數(shù)據(jù)通道模塊名模塊功能輸入端口輸出端口地址計(jì)數(shù)器對(duì)存儲(chǔ)在ROM中音樂數(shù)據(jù)的地址計(jì)數(shù)地址加1控制信號(hào)clk_en，復(fù)位信號(hào)rstROM地址addr12:0ROM存儲(chǔ)音樂數(shù)據(jù)ROM地址addr12：0，clk ,rstROM數(shù)據(jù)7：0data時(shí)間差計(jì)算器算出時(shí)間差clk,rst,data_time7:0,clk_en狀態(tài)機(jī)給出使能信號(hào)

13、，time_latch狀態(tài)機(jī)給出信號(hào)鎖存讀入時(shí)間差，rst_time狀態(tài)機(jī)給出置位信號(hào)重新置位讀入時(shí)間差時(shí)間差data_out23:0,msb最高位為是否為1時(shí)間計(jì)數(shù)器通過計(jì)算出的時(shí)間差對(duì)其進(jìn)行計(jì)數(shù)clk , rst，time_c狀態(tài)機(jī)給出在等待狀態(tài)若為1時(shí)間計(jì)數(shù)器對(duì)time_out計(jì)數(shù)，若為0取聲道；rst_time_c狀態(tài)機(jī)對(duì)當(dāng)前時(shí)間差計(jì)數(shù)計(jì)滿后置位時(shí)間time_out23:0比較器1比較時(shí)間差和時(shí)間計(jì)數(shù)器兩個(gè)時(shí)間data_out23:0,time_out23:0比較完成信號(hào)time_result聲道寄存存儲(chǔ)聲道信息clk,rst,track_in7:0, track_latch狀態(tài)機(jī)給出

14、鎖存聲道信號(hào)track_out7:0比較器2比較聲道信息track_in7:0,聲道高4位是否等于max=9比較完成信號(hào)track_result聲道選擇選擇聲道track_in7:0en0,en1,en2,en3,en4,en5音符譯碼翻譯音符note7:0note_initial_value16:0力度譯碼翻譯力度數(shù)據(jù)power6:0,note_initial_value16:0,middle_value13:0power_c16:0Pwm0調(diào)節(jié)占空比clk,rst,power_c16:0,note_initial_value16:0,en0,note_latch狀態(tài)機(jī)給出鎖存音符信號(hào)f0P

15、wm1調(diào)節(jié)占空比clk,rst,power_c16:0,note_initial_value16:0,en1,note_latch狀態(tài)機(jī)給出鎖存音符信號(hào)f1Pwm2調(diào)節(jié)占空比clk,rst,power_c16:0,note_initial_value16:0,en2,note_latch狀態(tài)機(jī)給出鎖存音符信號(hào)f2Pwm3調(diào)節(jié)占空比clk,rst,power_c16:0,note_initial_value16:0,en3,note_latch狀態(tài)機(jī)給出鎖存音符信號(hào)f3Pwm4調(diào)節(jié)占空比clk,rst,power_c16:0,note_initial_value16:0,en4,note_lat

16、ch狀態(tài)機(jī)給出鎖存音符信號(hào)f4Pwm5調(diào)節(jié)占空比clk,rst,power_c16:0,note_initial_value16:0,en5,note_latch狀態(tài)機(jī)給出鎖存音符信號(hào)f5掃描電路實(shí)現(xiàn)六聲道同時(shí)輸出clk,rst,f0,f1,f2,f3,f4,f5f分頻產(chǎn)生不同頻率clk,rst各種不同頻率f_out 2. 控制通道狀態(tài)控制信號(hào)判斷條件idelget_time使能信號(hào)clk_enclk_en=1進(jìn)入get_time狀態(tài)empty1msb讀入時(shí)間差的最高位，time_latch鎖存讀入時(shí)間差msb是否等于1，若為1則為動(dòng)態(tài)字節(jié)，返回get_time繼續(xù)取時(shí)間差，若為零則進(jìn)入等待狀

17、態(tài)get_waittime_result讀入時(shí)間差和時(shí)間計(jì)數(shù)器所計(jì)之?dāng)?shù)的比較結(jié)果，time_c控制時(shí)間計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)time_result=1，time_c=0進(jìn)入get_track狀態(tài)，time_result=0,time_c=1時(shí)間計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)至滿為止get_track使能信號(hào)clk_enclk_en=1進(jìn)入get_track狀態(tài)empty2track_result讀入聲道的高四位是否為9，track_latch鎖存讀入聲道track_result=1進(jìn)入get_note狀態(tài)，若為0則聲道省略，當(dāng)前即為音符，進(jìn)入get_power狀態(tài)get_note使能信號(hào)clk_enclk_en=1進(jìn)入get

18、_note狀態(tài)empty3note_latch鎖存讀入音符get_power使能信號(hào)clk_enclk_en=1進(jìn)入get_power狀態(tài)empty4rst_time讀入一個(gè)時(shí)間差后置位,rst_time_c時(shí)間差計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)計(jì)滿后置位3.上電復(fù)位電路的復(fù)位電壓點(diǎn)由通路的串聯(lián)二極管（也可以是接成二極管方式的串聯(lián)管）的導(dǎo)通電壓和串聯(lián)個(gè)數(shù)決定。隨著電源電壓的增加，電容上的電壓增加到使反相器翻轉(zhuǎn)后，通路會(huì)導(dǎo)通，從而加快對(duì)電容的充電，使復(fù)位信號(hào)邊緣更加陡峭。同時(shí)，加入，使整個(gè)電路具有遲滯效果。這種改進(jìn)型上電復(fù)位電路雖然改進(jìn)了復(fù)位信號(hào)的邊緣并增加了遲滯，但是，該電路的復(fù)位電壓點(diǎn)還是由二極管的導(dǎo)通電壓或者管

19、的閾值電壓決定，復(fù)位電壓點(diǎn)和延遲時(shí)間會(huì)隨工藝波動(dòng)，而且取值范圍只能為導(dǎo)通電壓或閾值電壓的整數(shù)倍，不利于低電源電壓設(shè)計(jì)。4. 時(shí)鐘產(chǎn)生交叉耦合環(huán)形時(shí)鐘振蕩電路：4偶數(shù)級(jí)接法：對(duì)于差分環(huán)形振蕩器, 振蕩器的頻率為1 / (2NTD ) ,其中N為級(jí)數(shù), TD 為單元延時(shí),理論上二級(jí)VCO可以提供更高的頻率。但是,傳統(tǒng)振蕩器每個(gè)延時(shí)單元只能提供一個(gè)極點(diǎn),要實(shí)現(xiàn)振蕩必須的90°相移只能在頻率無限大處。所以必須對(duì)電路進(jìn)行改進(jìn),以引入新的極點(diǎn),使延遲單元在有限頻率處得到90°相移。在這個(gè)壓控振蕩器中,引入了交叉耦合結(jié)構(gòu)構(gòu)成的負(fù)跨導(dǎo),從而引入新的極點(diǎn),使振蕩器能夠起振。這種負(fù)跨導(dǎo)由PMO

20、S管構(gòu)成,通過調(diào)節(jié)上端PMOS 的柵電壓調(diào)節(jié)頻率。但是由于PMOS管的寄生效應(yīng)很嚴(yán)重, NMOS管的寄生效應(yīng)相對(duì)要小,并且PMOS的空穴遷移率要大于NMOS的電子遷移率,在同等的電位條件下, PMOS管要消耗更多的功率。因此,上圖采用了由NMOS管構(gòu)成的交叉耦合負(fù)跨導(dǎo)。五系統(tǒng)設(shè)計(jì)1. 數(shù)字設(shè)計(jì)流程2. 模擬設(shè)計(jì)流程3. 混合設(shè)計(jì)流程六數(shù)字部分結(jié)果1.前仿真：addr_counter地址計(jì)數(shù)器輸出addr12:0地址給rom_模塊,讓其輸出數(shù)據(jù)data7:0，按照類midi音樂的四要素時(shí)間差、聲道、音符、力度進(jìn)行工作。狀態(tài)機(jī)control給出使能信號(hào)clk_en=1時(shí)，進(jìn)入get_time狀態(tài)開

21、始讀入時(shí)間差；狀態(tài)機(jī)跳入下一個(gè)狀態(tài)empty1，time_caculator模塊對(duì)讀入的時(shí)間差進(jìn)行計(jì)算，此時(shí)狀態(tài)機(jī)給兩個(gè)信號(hào)msb（讀入時(shí)間差的最高位）和time_latch（鎖存讀入時(shí)間差），msb若為1即為動(dòng)態(tài)字節(jié)，返回get_time繼續(xù)取時(shí)間差，若為0則進(jìn)入等待狀態(tài)，輸出data_out23:0；狀態(tài)機(jī)跳入下一個(gè)狀態(tài)get_wait,狀態(tài)機(jī)給出time_c信號(hào)，若time_c=0進(jìn)入get_track狀態(tài)，若為time_c=1時(shí)間計(jì)數(shù)器time_counter開始計(jì)數(shù)，直到計(jì)滿當(dāng)前時(shí)間差所播放的時(shí)間為止，輸出time_out23:0于此同時(shí)，狀態(tài)機(jī)給出time_result（讀入時(shí)間差

22、和時(shí)間計(jì)數(shù)器所計(jì)之?dāng)?shù)的比較結(jié)果）信號(hào)，time_comparator模塊開始對(duì)data_out23:0 和time_out23:0進(jìn)行比較，輸出比較值time_result，time_result=1進(jìn)入get_track狀態(tài)，為0則維持get_wait狀態(tài)直至計(jì)數(shù)計(jì)滿為止；使能信號(hào)clk_en=1時(shí)，進(jìn)入get_track狀態(tài)；狀態(tài)機(jī)隨即跳入empty2狀態(tài)，狀態(tài)機(jī)給出track_latch（鎖存讀入聲道）信號(hào)，memory_track模塊對(duì)輸入的聲道進(jìn)行鎖存，輸出track_out7:0，狀態(tài)機(jī)給出track_result信號(hào)，track_comparator模塊對(duì)輸入聲道的高四位進(jìn)行比較

23、，輸出比較值track_result，若track_result=1則進(jìn)入get_note狀態(tài)，若為0則說明聲道省略，當(dāng)前即為音符，進(jìn)入get_power狀態(tài)，mux_track模塊對(duì)輸入的六個(gè)聲道進(jìn)行選擇；使能信號(hào)clk_en=1時(shí)，進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)get_note; note_decoder模塊對(duì)輸入的音符翻譯成音符對(duì)應(yīng)初始值，輸出note_initial_value16:0，狀態(tài)機(jī)隨即跳入下一個(gè)狀態(tài)empty3，狀態(tài)機(jī)給出note_latch（鎖存讀入音符）信號(hào)；使能信號(hào)clk_en=1時(shí)，進(jìn)入get_power狀態(tài)，power_decoder模塊通過對(duì)輸入的力度進(jìn)行計(jì)算，算出相應(yīng)的比較值然后輸出power_c16:0；狀態(tài)機(jī)隨即跳入下一個(gè)狀態(tài)empty4，狀態(tài)機(jī)給出兩個(gè)信號(hào)rst_time（讀入一個(gè)時(shí)間差以后置位）和rst_time_c（時(shí)間差計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)計(jì)滿后置位），在第四個(gè)狀態(tài)給出是因?yàn)橐谧x入下一個(gè)時(shí)間差以前分別讓讀入的時(shí)間差和時(shí)間差計(jì)數(shù)器對(duì)應(yīng)所計(jì)的數(shù)置位，否則會(huì)在上一個(gè)基礎(chǔ)上取時(shí)間差或者計(jì)數(shù)，導(dǎo)致錯(cuò)誤，所以只能在empty4狀態(tài)給出。之后pwm通過對(duì)選擇的聲道，鎖存的音符，對(duì)應(yīng)的音符所對(duì)初始值計(jì)數(shù)后與比較值比較輸出f，然后scan_circuit模塊對(duì)f0,f1,f2,f3,f4,f5,進(jìn)行快速切換，輸出f。2.布局布線后版圖 綜合工具desig