在QuartusII開(kāi)發(fā)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)基于FPGA的音樂(lè)演奏電路的設(shè)計(jì)

1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求

應(yīng)用VHDL硬件描述語(yǔ)言，設(shè)計(jì)一個(gè)樂(lè)曲硬件演奏電路，它能將一首預(yù)先設(shè)置存儲(chǔ)好的樂(lè)曲自動(dòng)播放出來(lái)，除此之外，也能夠通過(guò)按鍵的方式輸入音符，使其具備簡(jiǎn)易電子琴的功能。通過(guò)此項(xiàng)研究，能夠深切的體會(huì)利用EDA工具開(kāi)發(fā)的優(yōu)越性，在此基礎(chǔ)上，對(duì)樂(lè)曲硬件演奏電路功能進(jìn)行豐富，具有一定的社會(huì)實(shí)用性。

根據(jù)硬件演奏電路的功能進(jìn)行全局分析，采用自上至下的設(shè)計(jì)方法，從系統(tǒng)總體要求出發(fā)，逐步將設(shè)計(jì)內(nèi)容細(xì)化，最后完成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)。將功能分為以下幾個(gè)部分，1）實(shí)現(xiàn)預(yù)先設(shè)置樂(lè)曲的播放功能；2）實(shí)現(xiàn)預(yù)置樂(lè)曲的暫停和繼續(xù)播放實(shí)時(shí)控制功能；3）實(shí)現(xiàn)預(yù)置多首樂(lè)曲間的切換功能。

預(yù)置樂(lè)曲，本文選取了《梁祝》的一段作預(yù)置，作預(yù)置時(shí)，需要將樂(lè)曲音符轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的代碼，通過(guò)計(jì)算逐一將音符轉(zhuǎn)換成代碼，通過(guò)EDA開(kāi)發(fā)平臺(tái)quartusii6.0進(jìn)行樂(lè)曲定制。

為了提供樂(lè)曲發(fā)音所需要的發(fā)音頻率，編寫(xiě)數(shù)控分頻器程序，對(duì)單一輸入高頻，進(jìn)行預(yù)置數(shù)分頻，生成每個(gè)音符發(fā)音的相應(yīng)頻率。

為了給分頻提供預(yù)置數(shù)，需要計(jì)算分頻預(yù)置數(shù)。

對(duì)每部分結(jié)構(gòu)單元逐一進(jìn)行編譯，生成相應(yīng)的元器件符號(hào)，并對(duì)獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元功能進(jìn)行仿真。

2 系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案

2.1 頂層實(shí)體描述

按照EDA開(kāi)發(fā)流程，采用VHDL硬件描述語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，將樂(lè)曲硬件演奏電路設(shè)計(jì)進(jìn)行模塊化分解，層次化設(shè)計(jì)，分成幾個(gè)單獨(dú)的結(jié)構(gòu)體，每個(gè)結(jié)構(gòu)體實(shí)現(xiàn)部分功能，最后，經(jīng)頂層文件將各單獨(dú)結(jié)構(gòu)體進(jìn)行綜合，實(shí)現(xiàn)樂(lè)曲硬件演奏。

有四個(gè)輸入，三個(gè)輸出端口。

四輸入端口分別是：clk8hz端口，作為節(jié)拍脈沖信號(hào)輸入端口；clk12mhzZ端口，作為發(fā)音頻率初始信號(hào)輸入端口；P輸入端口，作為控制歌曲暫停和繼續(xù)播放的輸入端口。ch輸入端口，作為控制歌曲之間切換播放的輸入端口。

三輸出端口分別是：code1輸出端口，作為音符簡(jiǎn)碼輸出LED顯示端口；high1輸出端口，作為音符高8度指示端口；spkout輸出端口，作為樂(lè)曲的聲音輸出端口。

2.2 模塊劃分

本系統(tǒng)主要由三個(gè)功能模塊組成：notetabsvhd,tonetaba.vhd和speakera.vhd.第一部分notetabs,地址發(fā)生器，實(shí)現(xiàn)按節(jié)拍讀樂(lè)譜的功能；第二部分tonetaba,查表電路，為speakera提供分頻預(yù)置數(shù)，實(shí)現(xiàn)樂(lè)曲譯碼輸出CODE[3:0];第三部分speakera,產(chǎn)生發(fā)音頻率，實(shí)現(xiàn)樂(lè)曲播放。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2.

為了實(shí)現(xiàn)樂(lè)曲的播放，首先需要將曲譜定制到音符數(shù)據(jù)ROM里面，然后才能按照一定的節(jié)拍從ROM中讀出曲譜。由于所選曲子中不含低音，轉(zhuǎn)換關(guān)系如表1所示。

2.3 模塊描述

sperkera是一個(gè)數(shù)控分頻器，由其clk端輸入一個(gè)12mhz信號(hào)，通過(guò)speakera分頻后，由spkout,通過(guò)一d觸發(fā)器，pinlv變?yōu)樵瓉?lái)的二分之一，sperakera對(duì)clk的輸入信號(hào)的分頻比由11位tone[100]決定，spkout的輸出頻率為音符的音調(diào)。

tonebata的功能首先是為speakera提供分頻預(yù)置數(shù)，此數(shù)的停留時(shí)間即為音符的節(jié)拍值，此模塊為歌曲簡(jiǎn)譜碼提供對(duì)應(yīng)的分頻預(yù)置查表電路，音符停留時(shí)間由clk的輸入頻率決定，再次為4hz.

3 系統(tǒng)的方案實(shí)現(xiàn)

3.1 各模塊仿真及描述

notetabs作為音符rom的地址發(fā)生器，此模塊中設(shè)置了一個(gè)8位2進(jìn)制計(jì)數(shù)器，頻率為4hz,即為4個(gè)音符一秒時(shí)間四四拍的4分音符。notetabs計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器按4hz時(shí)鐘頻率做加法計(jì)數(shù)，當(dāng)stop為高電平時(shí)停止加法運(yùn)算，而當(dāng)change可設(shè)置rom中數(shù)據(jù)的跳轉(zhuǎn)，rom通過(guò)toneindex[30]端口輸向tonetaba模塊。樂(lè)曲就演奏起來(lái)了。

由圖6 sperkera仿真波形可以看出，當(dāng)clk輸入時(shí)鐘頻率為12mhz時(shí)，輸出端信號(hào)clk輸出的頻率，隨tong信號(hào)的不同，輸出不同頻率的聲音信號(hào)。

由圖7tonetaba信號(hào)的仿真波形，可以看出，當(dāng)輸入信號(hào)index[30]輸入不同信號(hào)值，code輸出端輸出音符的顯示，high為音符高位信號(hào)，tone大于7時(shí)high為高電平。

圖8為notetabs仿真波形，當(dāng)clk輸入時(shí)鐘信號(hào)，toneindex[30]端從rom中讀入音符數(shù)據(jù)，當(dāng)輸入端口stop為“1”時(shí)，暫停從rom中讀入數(shù)據(jù)，stop為“0”繼續(xù)讀取音符信號(hào)，change為高低電平時(shí)，模塊分別讀取rom不同位置的數(shù)據(jù)。

3.2 頂層電路仿真及描述

clk8hz端輸入8hz時(shí)鐘信號(hào)，另一個(gè)clk12mhz輸入12mhz時(shí)鐘信號(hào)，系統(tǒng)將自動(dòng)從music.mif中讀取音符信號(hào)，以頻率不同輸出到spkout,同時(shí)輸出到顯示端口，和高音端口，code1[30],high1.p端口可以是音符暫停輸出（高電平時(shí)），ch端口控制歌曲間的切換。

4 硬件測(cè)試及說(shuō)明

選擇實(shí)驗(yàn)電路模式1,將引腳鎖定時(shí)clk12mhz于clock9連接，短路帽clock接12mhz.clk8hz與clock2連接。發(fā)音輸出spkout接speaker.簡(jiǎn)譜碼輸出code1由數(shù)碼管5顯示，high高8度指示由發(fā)光管d5指示，p與按鍵d16連接，ch與的15連接。最后向目標(biāo)芯片下載適配后的sof邏輯設(shè)計(jì)文件。

5 結(jié)論

本次設(shè)計(jì)在EDA開(kāi)發(fā)工具QuartusII平臺(tái)上，應(yīng)用語(yǔ)言層次化和模塊化的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)音符編碼的設(shè)計(jì)思想，預(yù)先定制樂(lè)曲，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一個(gè)樂(lè)曲硬件演奏電路，經(jīng)過(guò)對(duì)整體進(jìn)行模塊化分析、編程、綜合、仿真及最終下載，完整實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易音樂(lè)器的播放功能。