樂(lè)曲硬件電路演奏

1、合肥學(xué)院項(xiàng)目設(shè)計(jì)報(bào)告題目：樂(lè)曲硬件演奏電路系另U:電子信息與電氣工程專(zhuān)業(yè)：通信工程班級(jí)：二！學(xué)號(hào)：1405022019、1405022020、1405022021、1405022022姓名：沈舒敏、徐潁、陸璐、徐華南導(dǎo)師：石朝毅2016年5月20日、設(shè)計(jì)要求了解元件例化語(yǔ)句的調(diào)用；掌握自頂向下的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法;了解樂(lè)器硬件演奏電路的工作原理;能夠播放“梁?！睒?lè)曲。、設(shè)計(jì)過(guò)程2.1 設(shè)計(jì)原理2.1.1 樂(lè)曲的發(fā)聲原理組成樂(lè)曲的2個(gè)基本要素是：每個(gè)音符的發(fā)音頻率值及其持續(xù)的時(shí)間（節(jié)奏）。一般人能聽(tīng)到聲音的頻率范圍約在幾十到幾千赫茲，可以利用程序控制FPGA某個(gè)引腳輸出一定頻率的矩形波，接上揚(yáng)聲器

2、后就能發(fā)出相應(yīng)頻率的聲音，演奏某個(gè)音符的音調(diào)。同時(shí)，若能控制每個(gè)音符的持續(xù)時(shí)間，也就控制了樂(lè)曲的節(jié)奏，因此只要控制輸出到揚(yáng)聲器的信號(hào)頻率的高低以及每個(gè)信號(hào)持續(xù)的時(shí)間長(zhǎng)短，即可實(shí)現(xiàn)樂(lè)曲的演奏。2.1.2 音符與頻率的關(guān)系樂(lè)曲的12平均率規(guī)定；每2個(gè)八度（如簡(jiǎn)譜中的中音1與高音1）之間的頻率相差1倍。在2個(gè)八度音之間，又可分為12個(gè)半音，每2個(gè)半音的頻率比為12/2。另外，音符A的頻率為440HZ,音符B至UC之間，E到F之間為半音，其余為全音。由此可以計(jì)算出簡(jiǎn)譜中低音l至高音1之間每個(gè)音符的頻率。設(shè)計(jì)音符查找表電路模塊，時(shí)鐘模塊，數(shù)控分頻器模塊，音樂(lè)節(jié)拍產(chǎn)生模塊電路。2.1.3 音符的獲得方法所

3、有不同頻率的信號(hào)都可以從同一個(gè)系統(tǒng)基準(zhǔn)頻率分頻而來(lái)，可以采用GENERIC類(lèi)屬語(yǔ)句，預(yù)置不同頻率音符信號(hào)根據(jù)系統(tǒng)基準(zhǔn)頻率值計(jì)算分頻系數(shù)（分頻系數(shù)=系統(tǒng)基準(zhǔn)頻率/音符頻率）由于個(gè)音符對(duì)應(yīng)的頻率為非整數(shù)，而分頻系數(shù)必須為整數(shù)型，故要四舍五入取整，得到不同頻率的音符。2.1.4 樂(lè)曲節(jié)奏的控制每個(gè)音符持續(xù)的時(shí)間是樂(lè)曲連續(xù)播放的另一個(gè)基本要素，如果采用1MHz的頻率作為系統(tǒng)基準(zhǔn)頻率，則需要對(duì)1MHz的信號(hào)進(jìn)行250000分頻得到4Hz信號(hào)作為一個(gè)四分音符的頻率。對(duì)于其他占用時(shí)間較長(zhǎng)的節(jié)拍(必須是四分之一拍的整數(shù)倍)則只需要將該音符連續(xù)輸出相應(yīng)遍數(shù)即可。2.2 設(shè)計(jì)方案2.2.1 簡(jiǎn)譜碼對(duì)應(yīng)的分頻預(yù)置數(shù)

4、查表電路音符的持續(xù)時(shí)間根據(jù)樂(lè)曲的速度及每個(gè)音符的節(jié)拍來(lái)確定，模塊ToneTaba的功能首先是為Spearkera提供決定所發(fā)音符的分頻預(yù)置數(shù)，而此數(shù)在Spearkera輸入口停留的時(shí)間即為音符的節(jié)拍值，然后模塊ToneTaba是樂(lè)曲簡(jiǎn)譜碼對(duì)應(yīng)的分頻預(yù)置數(shù)查表電路，其中設(shè)置了“梁?！睒?lè)曲全部音符所對(duì)應(yīng)的分頻預(yù)置數(shù)共13個(gè)。每個(gè)音符的停留時(shí)間由音樂(lè)節(jié)拍和音調(diào)發(fā)生器模塊NoteTabs的clk的輸入頻率決定，在此為4Hz,這13個(gè)值的輸出由對(duì)應(yīng)的ToneTaba的4位輸入值Index3.0確定，而Index3.0最多有16種可選值，輸向ToneTaba中Index3.0的值ToneIndex3.0的

5、輸出值與持續(xù)的時(shí)間由模塊NoteTabs決定。對(duì)應(yīng)的程序如下：LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITYToneTabaISPORT(Index:ININTEGERRANGE0TO15;Tone:OUTINTEGERRANGE0TO16#7FF#);END;ARCHITECTUREoneOFToneTabaISBEGINSearch:PROCESS(Index)BEGINCASEIndexISWHEN0=ToneToneToneToneToneToneToneToneToneToneToneToneToneTone=0;ENDCASE;ENDPR

6、OCESS;END;2.2.2 音樂(lè)節(jié)拍和音調(diào)發(fā)生器在NoteTabs中設(shè)置一個(gè)八位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器(計(jì)數(shù)最大值位138),計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)頻率宣威4Hz,即為每一個(gè)計(jì)數(shù)值的停留時(shí)間為0.25秒，恰為當(dāng)全音符設(shè)為一秒時(shí)，四四拍的四分音符持續(xù)時(shí)間。例如在NoteTabs里VHDL邏輯描述中“梁?！睒?lè)曲的第一個(gè)音符位“3”，此音停留4個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍即為一秒時(shí)間，相應(yīng)的所對(duì)應(yīng)的“3”音符分頻預(yù)置值為1036,在Speakera的輸入端停留一秒，隨著NoteTabs中的而計(jì)數(shù)器按4Hz的時(shí)鐘速率做加法計(jì)數(shù)即音符數(shù)據(jù)通過(guò)ToneIndex3.0端口輸向Tonetaba,“梁?！睒?lè)曲就開(kāi)始連續(xù)自然演奏起來(lái)了。程序如下

7、：LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITYNoteTabsISPORT(clk:INSTD_LOGIC;ToneIndex:OUTINTEGERRANGE0TO15);END;ARCHITECTUREoneOFNoteTabsISSIGNALCounter:INTEGERRANGE0TO138;BEGINCNT8:PROCESS(CLK,Counter)BEGINIFCounter=138thenCounter=0;ELSIF(clkEVENTANDclk=1)THENCounter

8、ToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexTon

9、eIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndeXToneIndeXToneIndeXToneIndeXToneIn

10、deXToneIndeXToneIndeXToneIndeXToneIndeXToneIndeXToneIndeXToneIndeXToneIndeXToneIndeXToneIndeXToneIndeXToneIndeXToneIndeXToneIndeXToneIndeXToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndex

11、ToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexTon

12、eIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndexToneIndex=0;ENDCASE;ENDPROCESS;END;2.2.3 數(shù)控分頻與演奏發(fā)生器其時(shí)鐘(Clk)端輸入的是12MHz的信號(hào)，從數(shù)控分頻器中出來(lái)的輸出信是脈寬極窄的脈沖式信號(hào)，為了有利于驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，需另加一個(gè)D觸發(fā)器以均衡其占空比，這時(shí)的頻率就變?yōu)樵瓉?lái)的1/2,剛好就是相應(yīng)音符的頻率。數(shù)控分頻模塊中對(duì)Clk輸入信號(hào)的分頻比由11位預(yù)置數(shù)tone10.0決定。Fout的輸出頻率將決定每一個(gè)音符的音調(diào)，這樣，分頻計(jì)數(shù)器的預(yù)置值tone10.0與Fout的輸出頻率就有了對(duì)應(yīng)關(guān)系。

13、例如在分頻預(yù)置數(shù)模塊中若取tone10.0=1036,將發(fā)出音符為“3”音的信號(hào)頻率。程序如下：LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITYSpeakeraISPORT(clk:INSTD_LOGIC;Tone:ININTEGERRANGE0TO16#7FF#;SpkS:OUTSTD_LOGIC);END;ARCHITECTUREoneOFSpeakeraISSIGNALPreCLK,FullSpkS:STD_LOGIC;BEGINDivideCLK:PROCESS(clk)VARIAB

14、LECount4:INTEGERRANGE0TO15;BEGINPreCLK11THENPreCLK11thenPreCLK=1;Count4:=0;ELSIFclkEVENTANDclk=1THENCount4:=Count4+1;ENDIF;ENDPROCESS;GenSpkS:PROCESS(PreCLK,Tone)-11位可預(yù)置計(jì)數(shù)器VARIABLECount11:INTEGERRANGE0TO16#7FF#;BEGINIFPreCLKEVENTANDPreCLK=1THENIFCount11=16#7FF#THENCount11:=Tone;FullSpkS=1;ELSECount1

15、1:=Count11+1;FullSpkS=0;ENDIF;ENDIF;ENDPROCESS;DelaySpkS:PROCESS(FullSpkS)-將輸出再2分頻，展寬脈沖，使揚(yáng)聲器有足夠功率發(fā)音VARIABLECount2:STD_LOGIC;BEGINIFFullSpkSEVENTANDFullSpkS=1THENCount2:=NOTCount2;IFCount2=1THENSpkS=1;ELSESpkSCLK2,ToneIndex=ToneIndex);u2:ToneTabaPORTMAP(Index=ToneIndex,Tone=Tone);u3:SpeakeraPORTMAP(c

16、lk=CLK1,Tone=Tone,SpkS=SPKOUT);END;三、設(shè)計(jì)結(jié)果3.1 仿真結(jié)果及分析3.1.1 NoteTabs仿真NoteTabs的仿真波形如下圖:蛇px80.0rti皆口工1他pg芝00.ps24口.口皿elk*工ndKr-Lr-Lr-Lr-LJ-Lr-Lr-ir-Lr-Lr-Lr-LJ-3飛eirorrj8rYO5(rr結(jié)果分析：我們從仿真圖可以看出第一個(gè)clk上升沿時(shí)ToneTndex輸出為3,并且連續(xù)四個(gè)clk上升沿輸出都為3,第五個(gè)clk上升沿輸出為5,且連續(xù)三個(gè)上升沿輸出都為5,第八個(gè)clk上升沿輸出為6,第九、十和十一個(gè)clk上升沿輸出為8,第十二個(gè)clk上

17、升沿輸出為9,由此可見(jiàn)，我們的波形輸出結(jié)果與我們的實(shí)驗(yàn)程序的輸出結(jié)果相對(duì)應(yīng)，因此NoteTabs部分是正確的。Speakera的仿真波形如下:3.1.2 Speakera仿真結(jié)果分析：由圖可知我們spks輸出為0,并且我們有程序也可得出spks輸出為00因此，此部分也算正確。3.1.3 ToneTaba仿真ToneTaba的仿真波形如下:國(guó)Index叵|丁附.結(jié)果分析：我們可以從圖中看出Index輸入為3時(shí)，Tone輸出為1036當(dāng)輸入為9時(shí)輸出為1480。輸入為A時(shí)輸出為1542。輸入為C時(shí)輸出為1622。輸入為6時(shí)輸出為1290。輸入為0時(shí)輸出為2047。這些數(shù)據(jù)都與我們所寫(xiě)的實(shí)驗(yàn)程序上的

18、輸入所對(duì)應(yīng)的輸出數(shù)據(jù)相同，所以這一部分的實(shí)驗(yàn)是成功的。3.1.4 Songer仿真Songer的仿真波形如下:Dps20.0ms40.D他Pn*80.0ns100.021120.023.SasJCLK1IL1_r_rJ年MatterlimeBar232n；“Pcidlei;4jOp?Interval:23,8rwStat:End:結(jié)果分析：在頂層文件中我們調(diào)用了ToneTaba、Sperkera以及NoteTabs部分，再根據(jù)元件內(nèi)部的關(guān)聯(lián)去編寫(xiě)程序，從而完成樂(lè)曲自動(dòng)演奏電路的實(shí)驗(yàn)程序。其中的CLK1是NoteTabs部分中的clk,CLK2是Sperkera部分中的clk0最后的輸出SPKOUT是Sperkera部分中的SpkS。3.2 硬件測(cè)試及說(shuō)明3.2.1引腳鎖定11ToLocationI/OBank1CLK1PIN_29*7CLK2PIN_153一3SPKOUTPIN_174343.2.2硬件測(cè)試結(jié)果分析程序下載后，試驗(yàn)箱的揚(yáng)聲器自動(dòng)播放樂(lè)曲“梁?！?。與預(yù)期結(jié)果一致，硬件實(shí)現(xiàn)結(jié)果正確。四、總結(jié)在樂(lè)曲硬件演奏電路