基于fpga音樂(lè)硬件演奏電路設(shè)計(jì)

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1、基于FPGA音樂(lè)硬件演奏電路設(shè)計(jì)目錄摘要I1系統(tǒng)設(shè)計(jì)總述11.1設(shè)計(jì)要求11.2系統(tǒng)組成12總體程序設(shè)計(jì)42.1頂層模塊設(shè)計(jì)流程圖42.2頂層電路VHDL程序設(shè)計(jì)43單元模塊程序設(shè)計(jì)63.1音樂(lè)節(jié)拍和音調(diào)發(fā)生器模塊63.2音樂(lè)譜對(duì)應(yīng)分頻預(yù)置數(shù)查表電路模塊73.3音樂(lè)譜對(duì)應(yīng)分頻預(yù)置數(shù)查表電路模塊93.4樂(lè)曲演奏音符數(shù)據(jù)文件（《媽媽的吻》）113.5定制音符數(shù)據(jù)的ROM文件124VHDL音樂(lè)硬件演奏電路系統(tǒng)仿真與調(diào)試154.1NoteTabs音樂(lè)節(jié)拍和音調(diào)發(fā)生器模塊的仿真154.2ToneTaba分頻預(yù)置數(shù)查表模塊的仿真154.3Speaker

2、a音樂(lè)符數(shù)控分頻模塊的仿真164.4擴(kuò)大此音樂(lè)硬件演奏電路的通用性185心得體會(huì)20參考文獻(xiàn)21基于FPGA音樂(lè)硬件演奏電路設(shè)計(jì)摘要根據(jù)國(guó)家教委與專(zhuān)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。要求高等專(zhuān)科學(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

3、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EDA開(kāi)發(fā)平臺(tái)QUARTUSII6.0上利用VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)數(shù)控分頻器電路，利用數(shù)控分頻的原理設(shè)計(jì)音樂(lè)硬件演奏電路，并定制LPM-ROM存儲(chǔ)音樂(lè)數(shù)據(jù)，以“梁?！焙汀霸铝链砦业男摹眱墒讟?lè)曲為例，將音樂(lè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到LPM-ROM，就達(dá)到了以純硬件的手段來(lái)實(shí)現(xiàn)樂(lè)曲的演奏效果。只要修改LPM-ROM所存儲(chǔ)的音樂(lè)數(shù)據(jù)，將其換成其他樂(lè)曲的音樂(lè)數(shù)據(jù)，再重新定制LPM-ROM，連接到程序

4、中就可以實(shí)現(xiàn)其它樂(lè)曲的演奏。本設(shè)計(jì)采用的是武漢理工大學(xué)的開(kāi)放設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)箱，F(xiàn)PGA目標(biāo)芯片型號(hào)為Altera公司的Cyclone系列中的EP1C3T144C8N。芯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，發(fā)音輸出接SPEAKER，當(dāng)樂(lè)曲一遍演奏完成后，樂(lè)曲發(fā)生器能自動(dòng)從頭開(kāi)始循環(huán)演奏。關(guān)鍵詞：FPGA/CPLD，音樂(lè)硬件演奏電路，VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)，QUARTUSII6.0I基于FPGA音樂(lè)硬件演奏電路設(shè)計(jì)1系統(tǒng)設(shè)計(jì)總述1.1設(shè)計(jì)要求這是一種運(yùn)用純硬件實(shí)現(xiàn)樂(lè)曲播放的電路，比運(yùn)用微處理器實(shí)現(xiàn)樂(lè)曲播放更加復(fù)雜。它運(yùn)用了強(qiáng)大功能的EDA工具

5、——開(kāi)放設(shè)計(jì)試驗(yàn)箱和硬件描述語(yǔ)言VHDL。本課題以歌曲《媽媽的吻》來(lái)實(shí)現(xiàn)樂(lè)曲播放電路的功能。（1）順序播放樂(lè)曲功能：當(dāng)電路開(kāi)始工作時(shí)，如果存儲(chǔ)器中有多首樂(lè)曲，那么演奏電路將從頭到尾順序播放這些樂(lè)曲。（2）循環(huán)播放樂(lè)曲功能：當(dāng)演奏完后一首樂(lè)曲時(shí)，將自動(dòng)返回到第一首歌曲開(kāi)始播放，反復(fù)不止，直到關(guān)閉電源電路停止工作為止。（3）樂(lè)曲簡(jiǎn)譜顯示功能：當(dāng)演奏電路播放樂(lè)曲時(shí)，能夠?qū)?dāng)前播放的音符通過(guò)一列發(fā)光二極管以二進(jìn)制的形式予以顯示。（4）樂(lè)曲高音顯示功能：如果電路正在播放高音音符，那么將有一個(gè)發(fā)光二極管點(diǎn)亮來(lái)顯示。（5）音量大小可調(diào)功能：運(yùn)用EDA實(shí)驗(yàn)

6、箱上的數(shù)字功率放大器LM386N，對(duì)數(shù)控分頻器輸出的音頻信號(hào)予以處理，輸出大小連續(xù)可調(diào)的音頻信號(hào)到揚(yáng)聲器。1.2系統(tǒng)組成（1）音樂(lè)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(lái)控制FPGA芯片某個(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(lè)曲中的每一音符對(duì)應(yīng)著一個(gè)確定的頻率，要想FPGA發(fā)出不同音符的音調(diào)，實(shí)際上只要控制它輸出相應(yīng)音符的頻率即可。樂(lè)曲都是由一連串的音符組成，因此按照樂(lè)曲的樂(lè)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(lè)

7、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(lè)曲的節(jié)奏，即樂(lè)曲中每個(gè)音符的發(fā)生頻率及其持續(xù)時(shí)間是樂(lè)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(guò)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(guò)低，則分頻系數(shù)過(guò)小，四舍五入取整后的誤差較大。若基準(zhǔn)頻率過(guò)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750KHz的基準(zhǔn)頻率。由于現(xiàn)

8、有的高頻時(shí)鐘脈沖信號(hào)的頻率為12MHz，故需先對(duì)其進(jìn)行16分頻，才能獲得750KHz44基于FPGA音樂(lè)硬件演奏電路設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)頻率。對(duì)基準(zhǔn)頻率分頻后的輸出信號(hào)是一些脈寬極窄的尖脈