EDA樂曲硬件演奏電路設計

1、電子系統(tǒng)設計課程課程I題目:樂曲硬件演奏電路設計題目:樂曲硬件演奏電路設計名：院 系：電力學院 一專 業(yè)：電子科學與技術學 號：指導教師：一完成時間：2016 年12月21日目錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark2 o Current Document 1課程設計題目、內容與要求1 HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 設計內容1 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 具體要求1 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 2系統(tǒng)設計

2、1 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 設計思路1 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 系統(tǒng)原理3總體框圖3工作過程3樂曲演奏的原理圖4 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 3系統(tǒng)實現(xiàn)4 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 分頻器（FDIV） 4 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 計數(shù)器 CNT138T 6 HYPERLINK l bookmark32 o

3、 Current Document 計數(shù)器CNT138T的設計6 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 分頻預置數(shù)譯碼器F_CODE模塊7F_CODE模塊的設計8 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 字分頻器SPKER模塊10數(shù)字分頻器SPKS模塊設計10 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 選擇器 choice 12 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 樂譜文件ROM 14樂譜文件14LMP-ROM 模塊

4、15 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 4系統(tǒng)仿真15計數(shù)器CNT138T的仿真15 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document .分頻器 FDIV 16 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 分頻預置數(shù)F_CODE 16 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 分頻器 SPKER 16 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 樂曲ROM的數(shù)據(jù)讀取17 HYPERLINK

5、l bookmark42 o Current Document 5硬件驗證17 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 引腳鎖定18 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 硬件連接18 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 實驗現(xiàn)象18 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 6總結19 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 7參考書目191課程設計題目、內容與要求設計內

6、容設計一個樂曲演奏電路，能夠自動播放編寫好的音樂。要求將音 樂通過實驗箱上的喇叭播放出來，用發(fā)光二級管顯示出樂曲的節(jié)拍。（1）完成程序的編程工作。（2）將音樂數(shù)據(jù)制成LMP_ROM文件。（3）將程序在Quartus ii軟件中進行編譯和仿真。（4）進行引腳鎖定，然后下載到實驗箱上觀察實驗結果。具體要求（1）定制音符數(shù)據(jù)ROM MUSIC，檢測音符數(shù)據(jù)已經(jīng)進入ROM中；（2）所有模塊，分別仿真測試；（3）完成系統(tǒng)仿真調試和硬件驗證；（4）能夠將兩首音樂隨時切換。2系統(tǒng)設計設計思路樂曲中的每一音符對應著一個確定的頻率，要想FPGA發(fā)出不同 音符的音調，實際上只要控制它輸出相應音符的頻率即可。樂曲都

7、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。本次設計主要包括三個部分：（1）音符頻率的獲得；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。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

8、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1MHz的基準頻率，數(shù)控分頻器采用11位二 進制計數(shù)器。（3）樂曲節(jié)奏的控制一般樂曲最小的節(jié)拍為1/4拍，若將1拍的時間定為1秒，則只 需要輸出4Hz的1/4拍的時長（0.25秒），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，因此計數(shù)器的時鐘信號應為4Hz。（3）樂譜的發(fā)生本設計將樂譜中的音符數(shù)據(jù)存儲

9、在LPM-ROM中，若某音在邏輯中 停留了 4個時鐘節(jié)拍，即1秒的時間，相應地，該音符就要在LPM-ROM 中連續(xù)的四個地址上都存儲。當一個4Hz的時鐘來時，相應地就從 LPM-ROM中輸出一個音符數(shù)據(jù)。系統(tǒng)原理總體框圖該工程由是由上圖所示的幾個模塊構成輸入的時鐘20MHZ通過鎖相環(huán)后輸出2KHZ和1KHZ的時鐘分別 輸送給分頻器FDIV和計數(shù)器CNT138； FDIV將1MHZ的時鐘分頻成4HZ 的時鐘。計數(shù)器CNT138T完成計數(shù)功能,138進制，每來個時鐘沿加一。樂譜ROM記錄了 1首歌的樂譜。根據(jù)上一模塊計數(shù)器所計的數(shù) 讀取相應地址里的數(shù)據(jù)傳遞給下一模塊。譯碼器F_CODE將選擇器所選

10、擇的歌曲rom里的地址的數(shù)據(jù)翻 譯成可預置計數(shù)器SPKER和簡譜碼顯示DECL7S所需的數(shù)據(jù)。分頻驅動器也就是一個數(shù)控分頻器，完成分頻的功能，并驅動 蜂鳴器。工作過程當一個4Hz的時鐘脈沖來到時，樂譜發(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)所需的 初始值，將初始值送給數(shù)控分頻器模塊，當1MHz的時鐘脈沖來到時，數(shù)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.連續(xù)的4Hz的時 鐘脈沖就將樂譜發(fā)生器里所存儲的音符數(shù)據(jù)一個接一個的送給了分 頻系數(shù)模塊，再經(jīng)過數(shù)控分頻模塊,最后揚聲器一個接一個的發(fā)出音

11、 符數(shù)據(jù)所對應的聲音來。曲子也就流暢的播放出來了。同時led數(shù)碼 管會隨著音樂顯示相應的樂譜。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。2.2.3樂曲演奏的原理圖3系統(tǒng)實現(xiàn)分頻器（FDIV）將鎖相環(huán)的2KHZ的時鐘分頻4Hz的時鐘，供計數(shù)器使用。（1）模塊程序module FDIV（CLK,PM）;input CLK;output PM;reg8:0 Q1;reg FULL;wire RST;always(posedge CLK or posedge RST)beginif(RST)beginQ1=0;FULL=1;endelsebeginQ1=Q1+1;FULL=0;ende

12、ndassign RST=(Q1=449);assign PM=FULL;assign DOUT=Q1;endmodule(2)模塊圖形計數(shù)器 CNT138T它是一個8位二進制計數(shù)器，內部設置計數(shù)最大值為139,作為 音符數(shù)據(jù)ROM的地址發(fā)生器。每來一個時鐘信號，計數(shù)器就計數(shù)一次， ROM文件中的地址也隨著增加，音符數(shù)據(jù)ROM中的音符也就一個一個 的取出來。計數(shù)器CNT138T的設計這個計數(shù)器的計數(shù)頻率即為4Hz。即每一計數(shù)值的停留時間為 0.25秒，恰為當全音符設為1秒時，四四拍的4分音符持續(xù)時間。 例如，“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，相應

13、地，所對應的“3”音符分頻預置值為 11H40C，在SPKER的輸入端停留了 1秒。隨著計數(shù)器CNT138T按4Hz 的時鐘速率作加法計數(shù)時，即隨地址值遞增時，音符數(shù)據(jù)ROM模塊 MUSIC中的音符數(shù)據(jù)將從ROM中通過q3.0端口輸向F_CODE模塊, “梁?！睒非烷_始連續(xù)自然地演奏起來了。CNT138T的節(jié)拍是139, 正好等于ROM中的簡譜碼數(shù),所以可以確保循環(huán)演奏。對于其他樂曲, 此計數(shù)最大值要根據(jù)情況更改。(1)模塊程序module CNT138T(CLK,CNT8);6input CLK;output 7:0 CNT8;reg7:0 CNT;wire LD;always(posed

14、ge CLK or posedge LD) beginif (LD)CNT=8b00000000;elseCNT=CNT+1;endassign CNT8=CNT;assign LD=(CNT=138);endmodule模塊圖形?,YCLK CMTB7.O;： f CNfiisfff：；CLK CMTB7.OX ：inst分頻預置數(shù)譯碼器F_CODE模塊模塊F_CODE的功能首先是為模塊SPKER（11位分頻器）提供決 定所發(fā)音符的分頻預置數(shù)，而此數(shù)在SPKER輸入口停留的時間即為此 音符的節(jié)拍周期，模塊F_CODE是樂曲簡譜碼對應的分頻預置數(shù)查表 電路。F_CODE模塊的設計程序中設置了

15、“梁?！睒非恳舴鶎姆诸l預置數(shù)，共 14個，每一音符的停留時間則由音樂節(jié)拍和音調發(fā)生查表模塊MUSIC 中簡譜碼和工作時鐘inclock的頻率決定，在此為4Hz。模塊F_CODE 的14個值的輸出由對應于MUSIC模塊輸出的q3.0及4位輸入值 INX3.0確定，而INX3.0最多有16種可選值。輸向模塊F_CODE 中INX3.0的值在SPKER中對應的輸出頻率值與持續(xù)的時間由模塊 MUSIC決定。(1)模塊程序module F_CODE(INX,CODE,H,TO);input3:0 INX;output 3:0 CODE;output H;output 10:0 TO;reg10

16、:0 TO;reg3:0 CODE;reg H;always(INX)begincase(INX)0:begin TO=11H7FF;CODE=0;H=0;end1:begin TO=11H305;CODE=1;H=0;end2:begin TO=11H390;CODE=2;H=0;end3:begin TO=11H40C;CODE=3;H=0;end4:begin TO=11H45C;CODE=4;H=0;end5:begin TO=11H4AD;CODE=5;H=0;end6:begin TO=11H50A;CODE=6;H=0;end7:begin TO=11H55C;CODE=7;H=

17、0;end8:begin TO=11H582;CODE=1;H=1;end9:begin TO=11H5C8;CODE=2;H=1;end10:begin TO=11H606;CODE=3;H=1;end11:begin TO=11H640;CODE=4;H=1;end12:begin TO=11H656;CODE=5;H=1;end13:begin TO=11H684;CODE=6;H=1;end14:begin TO=11H69A;CODE=7;H=1;end15:begin TO=11H6C0;CODE=1;H=1;enddefault:begin TO=11H6c0;CODE=1;H=

18、1;end endcaseendendmodule（2）模塊圖形；口工。工工口安：X： ： F_CODE工/；口工/；口，*工0：/丁工仁口二門；口工方丁.數(shù)字分頻器SPKER模塊音符的頻率由SPKER獲得，這是一個數(shù)控分頻器。數(shù)字分頻器SPKS模塊設計它的CLK端輸入一具有較高頻率（1MHz）的時鐘，由于直接從 分頻器中出來的輸出信號是脈寬極窄的信號，為了有利于驅動揚聲 器，需另加一個D觸發(fā)器分頻以均衡其占空比，但這時的頻率將是 原來的1/2。SPKER對CLK輸入信號的分頻比由輸入的11位預置數(shù) TN10.0決定。揚聲器的輸出頻率將決定每一音符的音調；這樣，分 頻計數(shù)器的預置值TN10.0

19、與輸出頻率就有了對應關系，而輸出的 頻率又與音樂音符的發(fā)聲有對應關系，例如在F_CODE模塊中若 TN10.0=11H40C，將由揚聲器發(fā)出音符為“3”音的信號頻率。（1）程序模塊1module SPKER（CLK,TN,SPKS）;input CLK;input10:0 TN;output SPKS;reg SPKS;reg10:0 CNT11;10always(posedge CLK)begin :CNT11B_LOADif(CNT11=11h7FF)beginCNT11=TN;SPKS=1b1;endelsebeginCNT11=CNT11+1;SPKS:y:y:j .:f之，SPHSR

20、L LK口CLThl心孑*?:i:;:ft:yT!yr:!y及左*(2)程序模塊2module SPKER(CLK,TN,SPKS);input CLK;11input2:0 TN;output SPKS;reg SPKS;reg2:0 CNT3;always(posedge CLK)beginif(CNT3=3h7)beginCNT3=TN;SPKS=1b1;endelsebeginCNT3=CNT3+1;SPKS=1b0;endendendmodule選擇器choice選擇器完成選擇歌曲的功能：當a的信號為1時將Q1的信號輸出當a的信號為0時將Q2的信號輸出12(1)模塊程序module

21、choice (a,b,Q1,Q2,INX);input a;output b;input3:0 Q1;input3:0 Q2;output3:0INX;reg b;reg3:0 INX;always(a)begincase(a)01:begin b=0;INX=Q1;end10:begin b=1;INX=Q2;enddefault:begin b=10;INXM 7：巴.X TaEl*E5BK 同從波形上可以看到，當輸入信號INX=1000時，code顯示的是1，H為1，預置值為582,查詢程序，發(fā)現(xiàn)功能正確。分頻器SPKER16過長而失敗，因此更改程序，減小其分頻系數(shù)，同樣能說明問題，在

22、 此，我將n位的預置初值改為3位，得到如上的仿真波形圖，可發(fā) 現(xiàn)在TN給出不同的預置初值時的分頻效果，仔細細數(shù)一下，發(fā)現(xiàn)數(shù) 控分頻功能完全正確。5 ps 5. L2 us 10.2 us L5.36 us 20. 4S g 25. B us 30.12 us 35.84 us 40.花 us .09 us15. 65 ns. LJ, .x. ,L . X . . .-V . . .X. . pj. . . M.1.工.Lf.；通過對仿真后的時序波形的觀察，當TN=6時，系統(tǒng)有最小的分 頻N=4,隨著TN的減小，系統(tǒng)的分頻數(shù)逐漸增大。e Quartwa rt - XUEQU - ilr Srrtrn Mernrry Cntrn： Edlor4.5樂曲ROMe Quartwa rt - XUEQU - ilr Srrtrn Mernrry Cntrn： Edlor5硬件驗證17引腳鎖定ToLocationEnabled1 GLK2DMHZPIN_G21Yes2_/ HI