EDA實(shí)驗(yàn)報(bào)告樂曲硬件演奏電路設(shè)計(jì)

1、EDA技術(shù)與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)報(bào)告姓名學(xué)號(hào)專業(yè)年級(jí)電子信息工程實(shí)驗(yàn)題目樂曲硬件演奏電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 學(xué)習(xí)利用數(shù)控分頻器設(shè)計(jì)硬件樂曲演奏電路2. 掌握模塊化和層次化的設(shè)計(jì)方法以及音符編碼的設(shè)計(jì)思想實(shí)驗(yàn)原理1. 一定頻率的矩形波通過揚(yáng)聲器可以發(fā)出相應(yīng)頻率的聲音，樂曲是由一系列的音符組成的。所以，如果我們通過控制每個(gè)音符的發(fā)音頻率值及其持續(xù)的時(shí)間，就可以以純硬件的手段，利用這些數(shù)值來實(shí)現(xiàn)所希望演奏的樂曲。2. 該硬件演奏電路由三個(gè)模塊構(gòu)成<1>音符數(shù)據(jù)ROM的地址發(fā)生器模塊NoteTabs.vhdl 內(nèi)置8位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，作為ROM的地址發(fā)生器，計(jì)數(shù)頻率4Hz，即每一計(jì)數(shù)值的停留時(shí)間為0.25

2、s,恰為全音符設(shè)為1s時(shí)，四四拍的4音符持續(xù)時(shí)間。隨著NoteTabs中的計(jì)數(shù)器按4Hz的時(shí)鐘速率作加法計(jì)數(shù)即地址值遞增時(shí)，ROM中的音符數(shù)據(jù)將通過ToneIndex3.0輸向ToneTaba模塊，樂曲即開始演奏起來。<2>樂曲簡(jiǎn)譜碼對(duì)應(yīng)的分頻預(yù)置數(shù)查表電路模塊ToneTaba.vhdl ToneTaba為Speakera提供決定所發(fā)音符的分頻預(yù)置數(shù)，此數(shù)在Speakera輸入口停留的時(shí)間即為此音符的節(jié)拍值。輸入Index3.0可確定樂曲全部音符所對(duì)應(yīng)的分頻預(yù)置數(shù)（13個(gè)）每一音符的停留時(shí)間由NoteTabs模塊的clk決定（4Hz）。<3>決定每一個(gè)音符音調(diào)的數(shù)控分頻

3、器模塊Speakera.vhdl 輸入端clk輸入一較高頻率（12MHz）的信號(hào)，經(jīng)Speakera分頻，再經(jīng)2分頻以展寬脈沖后，由SpkOut輸出。11位預(yù)置數(shù)Tone10.0決定由clk輸入信號(hào)的分頻比，SpkOut輸出的頻率決定每一音符的音調(diào)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 定制存放LPM-ROM模塊Music，在連續(xù)地址上存放樂曲的音符數(shù)據(jù)，2. 用vhdl文本輸入法和元件例化語句完成NoteTabs.vhdl的設(shè)計(jì)，該模塊包含音符數(shù)據(jù)ROM模塊Music.vhdl3. 完成ToneTaba.vhdl的設(shè)計(jì)，此模塊給數(shù)控分頻模塊提供每個(gè)音符所對(duì)應(yīng)的分頻預(yù)置數(shù)，即計(jì)數(shù)初值4. 完成Speakera.vhd

4、l的設(shè)計(jì)，該模塊是一個(gè)初值可變的加法計(jì)數(shù)器。該計(jì)數(shù)器的模為2047，當(dāng)計(jì)數(shù)器記滿時(shí)，計(jì)數(shù)器產(chǎn)生一個(gè)溢出信號(hào)FULL，此溢出信號(hào)就是用作發(fā)音的頻率信號(hào)5. 用vhdl文本輸入法和元件例化語句完成硬件演奏電路頂層文件 play_song.vhdl的設(shè)計(jì),編譯、仿真，選用杭州康芯電子有限公司生產(chǎn)的 GW48系列 EDA實(shí)驗(yàn)箱和Altera公司生產(chǎn)的 FPGA芯片 Cyclone的EP1C6Q240C8，引腳鎖定，下載到FPGA上進(jìn)行硬件測(cè)試實(shí)驗(yàn)步驟1. 定制ROM模塊，生成Music.vhdl地址文件，以存儲(chǔ)樂曲演奏數(shù)據(jù)2. 輸入NoteTabs.vhdl，編譯、仿真，給出時(shí)序波形3. 輸入Tone

5、Taba.vhdl，編譯、仿真，給出時(shí)序波形4. 輸入Speakera.vhdl，編譯、仿真，給出時(shí)序波形5. 建立硬件演奏電路頂層文件play_song.vhdl，將以上4個(gè)vhdl文件拷貝進(jìn)頂層文件所在目錄，用元件例化語句和層次化設(shè)計(jì)方法，完成樂曲硬件演奏電路的設(shè)計(jì)，編譯、仿真，給出時(shí)序波形，引腳鎖定并下載進(jìn)FPGA進(jìn)行硬件測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析vhdl文本輸入法時(shí)序仿真波形1. 由音符數(shù)據(jù)地址發(fā)生模塊的仿真波形NoteTabs.sim可知，隨NoteTabs中的計(jì)數(shù)器按輸入時(shí)鐘clk作加法計(jì)數(shù)，即隨ROM地址值的遞增，ROM中的音符數(shù)據(jù)將從ToneIndex3.0中輸出。2. 由分頻預(yù)置數(shù)查

6、表電路模塊的仿真波形ToneTaba.sim可知，由Index3.0譯碼輸出分頻預(yù)置數(shù)，并通過Tone10.0輸出給Speakera模塊。與演奏發(fā)音相對(duì)應(yīng)的簡(jiǎn)譜碼由CODE通過數(shù)碼管輸出顯示，HIGH1顯示高八度音。3. 由數(shù)控分頻器模塊的仿真波形Speakera.sim可知，由Tone10.0輸入的分頻預(yù)置數(shù)將clk輸入的一較高頻率（12MHz）的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行分頻，得到不同頻率的輸出FullSpkS，由于FullSpkS直接由數(shù)控分頻器輸出，是脈沖極窄的脈沖式信號(hào)，經(jīng)內(nèi)部增加一個(gè)D觸發(fā)器后，可以得到展寬脈沖后的SpkS。4. 由樂曲硬件演奏頂層文件的仿真波形play_song.sim可知，S

7、pkOut是經(jīng)SpkS的最終的輸出，決定所發(fā)出的每一音符的音調(diào)。音符不同，SpkOut的脈寬也不同，通過揚(yáng)聲器發(fā)出的聲音也不同，因而可以演奏音樂，得到預(yù)期的效果。5. 樂曲演奏時(shí)，簡(jiǎn)譜碼可以在數(shù)碼管上同步顯示出來，同時(shí)HIGH1對(duì)應(yīng)的LED燈隨高低音的不同，亮滅情況也不同，實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合預(yù)期。實(shí)驗(yàn)過程中所遇到的問題及相應(yīng)的解決方法1. 剛開始實(shí)驗(yàn)用的是KHF-4型的實(shí)驗(yàn)箱，需要將晶振頻率為22.1184Hz的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行分頻，以得到NoteTabs模塊和Speakera模塊所需的4Hz和12MHz的輸入時(shí)鐘，并將簡(jiǎn)譜碼通過譯碼輸出到數(shù)碼管上顯示。然而在實(shí)驗(yàn)箱測(cè)試后卻得不到預(yù)期的結(jié)果，HIGH1所

8、對(duì)應(yīng)的LED燈恒亮，蜂鳴器發(fā)出持續(xù)的高音。檢查Speakera的時(shí)序仿真波形，輸出SpkOut是持續(xù)的低電平，而不是脈寬不一的方波。2. 多次嘗試沒有結(jié)果后，決定換杭州康芯電子有限公司生產(chǎn)的 GW48系列 EDA實(shí)驗(yàn)箱，該實(shí)驗(yàn)箱有8個(gè)譯碼輸出顯示的數(shù)碼管，和可選的多個(gè)時(shí)鐘輸入端，這樣可以省去譯碼和分頻電路。引腳鎖定，硬件下載測(cè)試后，蜂鳴器可以正常放出預(yù)置的樂曲。3. 之后對(duì)Speakera模塊的仿真文件反復(fù)揣摩，多次改變輸入的頻率，并設(shè)定不同的分頻預(yù)置數(shù)，終于可以看到SpkOut輸出脈寬不一的方波信號(hào)，對(duì)于頂層文件用相同的方法，亦可以得到預(yù)期的輸出。4. 個(gè)人認(rèn)為，之前在KHF-4型實(shí)驗(yàn)箱測(cè)試

9、的時(shí)候，應(yīng)該是分頻模塊的問題。經(jīng)22.1184MHz分頻輸出的頻率不滿足該硬件演奏電路所需要的時(shí)鐘輸入。NoteTabs模塊的輸入時(shí)鐘clk_8Hz(實(shí)為4Hz)決定了每一音符在Speakera輸入端停留的時(shí)間，而Speakera的輸入時(shí)鐘clk_12MHz決定了每一音符的音調(diào)。如果時(shí)鐘偏差過大，將會(huì)導(dǎo)致時(shí)許錯(cuò)亂，如音符在Speakera輸入端停留的時(shí)間過長(zhǎng)或過短，數(shù)控分頻輸出的脈沖過寬或者過窄，這都直接影響音樂的正常播放。5. 在梁祝樂曲演奏成功后，換了一首歌you_and_me，但問題也接踵而至。<1>首先在定制LPM_ROM模塊時(shí)，得到的.bsf元件輸入端口跟定制梁祝樂曲ROM時(shí)的端口不一致了，在NoteTabs模塊中用了元件例化語句，因此編譯不成功。重新命名端口后，再次編譯，問題解決。<2>其次，在mif文件you_and_me.mif中，depth = 280，而梁祝的為256，即每一字節(jié)的寬度為8bit，結(jié)果編譯報(bào)錯(cuò)。于是我把you_and_me的mif文件的地址音符數(shù)據(jù)去掉后面一部分，使得depth = 256。雖然一首歌不再完整，但在定制LPM_ROM的時(shí)候