EDA實驗報告5-樂曲硬件演奏電路設計

1、EDA技術與應用實驗報告姓名學號專業(yè)年級電子信息工程實驗題目樂曲硬件演奏電路設計實驗目的1. 學習利用數控分頻器設計硬件樂曲演奏電路2. 掌握模塊化和層次化的設計方法以及音符編碼的設計思想實驗原理1. 一定頻率的矩形波通過揚聲器可以發(fā)出相應頻率的聲音，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音符的發(fā)音頻率值及其持續(xù)的時間，就可以以純硬件的手段，利用這些數值來實現所希望演奏的樂曲。2. 該硬件演奏電路由三個模塊構成<1>音符數據ROM的地址發(fā)生器模塊NoteTabs.vhdl 內置8位二進制計數器，作為ROM的地址發(fā)生器，計數頻率4Hz，即每一計數值的停留時間為0.25

2、s,恰為全音符設為1s時，四四拍的4音符持續(xù)時間。隨著NoteTabs中的計數器按4Hz的時鐘速率作加法計數即地址值遞增時，ROM中的音符數據將通過ToneIndex3.0輸向ToneTaba模塊，樂曲即開始演奏起來。<2>樂曲簡譜碼對應的分頻預置數查表電路模塊ToneTaba.vhdl ToneTaba為Speakera提供決定所發(fā)音符的分頻預置數，此數在Speakera輸入口停留的時間即為此音符的節(jié)拍值。輸入Index3.0可確定樂曲全部音符所對應的分頻預置數（13個）每一音符的停留時間由NoteTabs模塊的clk決定（4Hz）。<3>決定每一個音符音調的數控分頻

3、器模塊Speakera.vhdl 輸入端clk輸入一較高頻率（12MHz）的信號，經Speakera分頻，再經2分頻以展寬脈沖后，由SpkOut輸出。11位預置數Tone10.0決定由clk輸入信號的分頻比，SpkOut輸出的頻率決定每一音符的音調。實驗內容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據，2. 用vhdl文本輸入法和元件例化語句完成NoteTabs.vhdl的設計，該模塊包含音符數據ROM模塊Music.vhdl3. 完成ToneTaba.vhdl的設計，此模塊給數控分頻模塊提供每個音符所對應的分頻預置數，即計數初值4. 完成Speakera.vhd

4、l的設計，該模塊是一個初值可變的加法計數器。該計數器的模為2047，當計數器記滿時，計數器產生一個溢出信號FULL，此溢出信號就是用作發(fā)音的頻率信號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的設計,編譯、仿真，選用杭州康芯電子有限公司生產的 GW48系列 EDA實驗箱和Altera公司生產的 FPGA芯片 Cyclone的EP1C6Q240C8，引腳鎖定，下載到FPGA上進行硬件測試實驗步驟1. 定制ROM模塊，生成Music.vhdl地址文件，以存儲樂曲演奏數據2. 輸入NoteTabs.vhdl，編譯、仿真，給出時序波形3. 輸入Tone

5、Taba.vhdl，編譯、仿真，給出時序波形4. 輸入Speakera.vhdl，編譯、仿真，給出時序波形5. 建立硬件演奏電路頂層文件play_song.vhdl，將以上4個vhdl文件拷貝進頂層文件所在目錄，用元件例化語句和層次化設計方法，完成樂曲硬件演奏電路的設計，編譯、仿真，給出時序波形，引腳鎖定并下載進FPGA進行硬件測試實驗結果及分析vhdl文本輸入法時序仿真波形1. 由音符數據地址發(fā)生模塊的仿真波形NoteTabs.sim可知，隨NoteTabs中的計數器按輸入時鐘clk作加法計數，即隨ROM地址值的遞增，ROM中的音符數據將從ToneIndex3.0中輸出。2. 由分頻預置數查

6、表電路模塊的仿真波形ToneTaba.sim可知，由Index3.0譯碼輸出分頻預置數，并通過Tone10.0輸出給Speakera模塊。與演奏發(fā)音相對應的簡譜碼由CODE通過數碼管輸出顯示，HIGH1顯示高八度音。3. 由數控分頻器模塊的仿真波形Speakera.sim可知，由Tone10.0輸入的分頻預置數將clk輸入的一較高頻率（12MHz）的時鐘信號進行分頻，得到不同頻率的輸出FullSpkS，由于FullSpkS直接由數控分頻器輸出，是脈沖極窄的脈沖式信號，經內部增加一個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SpkS的最終的輸出，決定所發(fā)出的每一音符的音調。音符不同，SpkOut的脈寬也不同，通過揚聲器發(fā)出的聲音也不同，因而可以演奏音樂，得到預期的效果。5. 樂曲演奏時，簡譜碼可以在數碼管上同步顯示出來，同時HIGH1對應的LED燈隨高低音的不同，亮滅情況也不同，實驗結果符合預期。實驗過程中所遇到的問題及相應的解決方法1. 剛開始實驗用的是KHF-4型的實驗箱，需要將晶振頻率為22.1184Hz的時鐘信號進行分頻，以得到NoteTabs模塊和Speakera模塊所需的4Hz和12MHz的輸入時鐘，并將簡譜碼通過譯碼輸出到數碼管上顯示。然而在實驗箱測試后卻得不到預期的結果，HIGH1所

8、對應的LED燈恒亮，蜂鳴器發(fā)出持續(xù)的高音。檢查Speakera的時序仿真波形，輸出SpkOut是持續(xù)的低電平，而不是脈寬不一的方波。2. 多次嘗試沒有結果后，決定換杭州康芯電子有限公司生產的 GW48系列 EDA實驗箱，該實驗箱有8個譯碼輸出顯示的數碼管，和可選的多個時鐘輸入端，這樣可以省去譯碼和分頻電路。引腳鎖定，硬件下載測試后，蜂鳴器可以正常放出預置的樂曲。3. 之后對Speakera模塊的仿真文件反復揣摩，多次改變輸入的頻率，并設定不同的分頻預置數，終于可以看到SpkOut輸出脈寬不一的方波信號，對于頂層文件用相同的方法，亦可以得到預期的輸出。4. 個人認為，之前在KHF-4型實驗箱測試

9、的時候，應該是分頻模塊的問題。經22.1184MHz分頻輸出的頻率不滿足該硬件演奏電路所需要的時鐘輸入。NoteTabs模塊的輸入時鐘clk_8Hz(實為4Hz)決定了每一音符在Speakera輸入端停留的時間，而Speakera的輸入時鐘clk_12MHz決定了每一音符的音調。如果時鐘偏差過大，將會導致時許錯亂，如音符在Speakera輸入端停留的時間過長或過短，數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，得到的.bsf元件輸入端口跟定制梁祝樂曲ROM時的端口不一致了，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，結果編譯報錯。于是我把you_and_me的mif文件的地址音符數據去掉后面一部分，使得depth = 256。雖然一首歌不再完整，但在定制LPM_ROM的時候