基于FPGA的音樂流水燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于FPGA的音樂流水燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)FPGA是現(xiàn)場可編程門陣列的簡稱,它既有門陣列器件的高度集成和通用性,又有可編程邏輯器件用戶可編程的靈活性。通過FPGA實(shí)現(xiàn)音樂流水燈的控制,實(shí)質(zhì)上就是將不同音階與特定頻率的方波信號(hào)對(duì)應(yīng)起來,以方波信號(hào)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出音樂,再根據(jù)不同音階來控制流水燈的閃爍。與借助微處理器實(shí)現(xiàn)樂曲演奏相比,以純硬件方式完成樂曲演奏電路更直觀。EDA工具和硬件描述語言發(fā)揮了強(qiáng)大功能,提供了設(shè)計(jì)可能性。1、總體設(shè)計(jì)方案音樂流水燈主要是點(diǎn)綴公共場合的裝飾品,音樂的播放和流水燈有節(jié)奏地閃爍,同時(shí)達(dá)到聽覺和視覺的完美結(jié)合,成為構(gòu)成其必不可少的條件。要了解如何產(chǎn)生不同音階的音樂,首先要對(duì)樂音的特性有所了解。樂音實(shí)際上是有固定頻率的信號(hào)。在樂曲的構(gòu)成中,樂音的頻率和持續(xù)的時(shí)間是其構(gòu)成的要素。音階的頻率可以通過高頻時(shí)鐘進(jìn)行分頻得到。音頻的高低可以通過外部的LED燈的閃爍來顯示,這樣在音樂和流水燈的配合下可以使人產(chǎn)生強(qiáng)烈的節(jié)奏感。再輔以LCD來顯示音階的高低長短,不懂樂理知識(shí)的人便可以直觀的看到不同音調(diào)對(duì)應(yīng)的音階?？傮w設(shè)計(jì)要求如下:(1)分頻主要是通過一個(gè)可控分頻器實(shí)現(xiàn)的。采用時(shí)鐘的頻率越高,分頻系數(shù)越大,分頻后的音階頻率就越準(zhǔn)確。但同時(shí)由于分頻系數(shù)大使用的計(jì)數(shù)單元增加,從而耗費(fèi)更多的硬件邏輯單元,因此可以采取一個(gè)較為適中的時(shí)鐘頻率12MHz。(2)經(jīng)過分頻后的信號(hào)是一個(gè)脈寬極窄的時(shí)鐘信號(hào),必須對(duì)其進(jìn)行脈沖寬度調(diào)整,增大占空比,才能有效地驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。在脈沖寬度調(diào)整時(shí)會(huì)對(duì)此信號(hào)再次二分頻,所以在計(jì)算時(shí),以樂音音階的二倍頻率去求取在特定時(shí)鐘信號(hào)下的分頻系數(shù),以便在調(diào)整占空比后得到正確的音階頻率。(3)樂曲的頻率變化多端,對(duì)應(yīng)的分頻系數(shù)也不斷變化,因此需要將播放的樂曲的分頻系數(shù)事先存放在ROM中便于讀取。如果將分頻系數(shù)直接作為存儲(chǔ)碼存放在寄存器中,勢必會(huì)占有更大的容量。因此在這里選取索引值來作為存儲(chǔ)碼以減小容量。(4)開發(fā)平臺(tái)上的LED燈數(shù)量有限,可以選用有規(guī)律的閃爍,例如從左到右依次點(diǎn)亮、漸亮、漸滅等;也可以用燈閃爍的多少來表示頻率的大小。本設(shè)計(jì)選用第二種。圖1為音樂流水燈控制系統(tǒng)的總原理框圖?？梢钥吹皆撓到y(tǒng)包含樂曲播放控制模塊,流水燈控制模塊和LCD顯示模塊3個(gè)模塊。其中樂曲播放控制模塊分為樂譜播放控制模塊,音階分頻模塊和音階頻率產(chǎn)生模塊。

2、模塊設(shè)計(jì)2.1、樂曲播放控制模塊樂曲播放控制模塊的主要功能是在一定的時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)下將事先存儲(chǔ)在ROM里的樂譜所對(duì)應(yīng)的索引值依次輸出,控制分頻,并產(chǎn)生相應(yīng)的分頻信號(hào)頻率,以此來控制蜂鳴器的發(fā)聲。2.1.1、音階分頻器的設(shè)計(jì)為了能夠在播放樂曲的同時(shí)顯示當(dāng)前音階,用LED的位數(shù)來指示當(dāng)前音階的高低音。程序中的音階分頻系數(shù)通過索引值來進(jìn)行選取,即在音樂播放過程中由樂譜存儲(chǔ)電路傳遞來的當(dāng)前音階的索引值。2.1.2、音階頻率產(chǎn)生的設(shè)計(jì)音階頻率產(chǎn)生電路在獲取上面的音階索引值對(duì)應(yīng)的分頻系數(shù)后,通過可控計(jì)數(shù)器進(jìn)行分頻。分頻電路中的計(jì)數(shù)器進(jìn)行減1計(jì)數(shù),計(jì)數(shù)器的進(jìn)位信號(hào)即為分頻信號(hào)。因?yàn)榇诵盘?hào)的脈沖寬度極小,所以需要調(diào)整占空比才使外部驅(qū)動(dòng)電路提供足夠的驅(qū)動(dòng)蜂鳴器的功率,而具體是對(duì)分頻信號(hào)再進(jìn)行二分頻實(shí)現(xiàn)的。2.1.3、樂譜播放控制模塊設(shè)計(jì)音樂播放就是通過外部的8Hz時(shí)鐘驅(qū)動(dòng),內(nèi)部以計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)、產(chǎn)生地址,送到ROM單元中作為存儲(chǔ)器地址,將對(duì)應(yīng)地址的數(shù)據(jù)音階索引值輸出。在本設(shè)計(jì)中,每個(gè)音的發(fā)出由另一個(gè)8Hz的時(shí)鐘信號(hào)來控制。樂譜中的4分音符由4個(gè)時(shí)鐘信號(hào)來驅(qū)動(dòng)。每個(gè)時(shí)鐘下,其對(duì)應(yīng)的音階輸出以索引值的形式存儲(chǔ)在ROM中。文中ROM的地址線為10位,數(shù)據(jù)線寬度為4位。ROM里存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)即各音節(jié)的索引值,根據(jù)樂譜轉(zhuǎn)換的需要,16個(gè)索引值即可滿足樂曲曲譜編寫的需求,所以設(shè)置了4位數(shù)據(jù)線。地址線的寬度主要取決于樂曲的長度。本設(shè)計(jì)中用到了約520個(gè)4bit單元,為了留有一定裕度,將數(shù)據(jù)線寬度定義為10位,即1024個(gè)4bit單元。其中不同的音階對(duì)應(yīng)的索引值如表1所示。

按照樂譜,將音階對(duì)應(yīng)的索引值連續(xù)地存儲(chǔ)到ROM中。例如,樂譜上一個(gè)4分音符的中音3,在ROM存儲(chǔ)器中對(duì)應(yīng)的索引值是10,并且連續(xù)放置4次,而一個(gè)8分音符5也就是半拍的5,則是將對(duì)應(yīng)索引值5在ROM中連續(xù)存放兩次。播放時(shí)在播放時(shí)鐘(8Hz)的驅(qū)動(dòng)下,索引值不斷地從ROM輸出。索引值送到音階分頻模塊中,轉(zhuǎn)換為計(jì)數(shù)初值輸出,再送到音階分頻產(chǎn)生模塊中,作為計(jì)數(shù)初值,產(chǎn)生音階頻率輸出驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。這樣,就能在蜂鳴器上發(fā)出要播放的樂曲了。確定了樂譜后,即ROM的存儲(chǔ)內(nèi)容后,就可以定制ROM,將其初始化文件指定為mif文件即可。2.2、流水燈控制模塊設(shè)計(jì)由于此設(shè)計(jì)是基于DE2
70開發(fā)板之上的,因此將對(duì)應(yīng)的音階輸出,應(yīng)用LED燈來顯示流水燈閃爍效果。根據(jù)音調(diào)"hight"的高低設(shè)置點(diǎn)亮燈的數(shù)量,當(dāng)"hight"為低時(shí)播放低音信號(hào),為高時(shí)播放中音信號(hào)。如果要用到