課程設(shè)計說明書PAGE4PAGE16樂曲演奏設(shè)計實驗任務(wù)：采用VHDL來實現(xiàn)的簡易樂曲演奏器。它能實現(xiàn)自動演奏已存歌曲。且要求實現(xiàn)如下功能：(1)演奏時可以通過按鍵選擇是自動演奏，自動演奏則是演奏已存入的固定樂曲；(2)至少保存一首自動演奏的樂曲，且自動演奏的樂曲能重復(fù)播放；(3)進行自動演奏時，數(shù)碼管上要同時能顯示演奏樂曲的樂譜；(4)自動播放時，設(shè)置低速，中速，快速控制鍵，能實現(xiàn)樂曲不同速度的播放。1樂曲演奏電路原理聲音的頻譜范圍約在幾十到幾千赫茲，若能利用程序來控制FPGA某個引腳輸出一定頻率的矩形波，接上揚聲器就能發(fā)出相應(yīng)頻率的聲音。樂曲中的每一音符對應(yīng)著一個確定的頻率，要想FPGA發(fā)出不同音符的音調(diào)，實際上只要控制它輸出相應(yīng)音符的頻率即可。樂曲都是由一連串的音符組成，因此按照樂曲的樂譜依次輸出這些音符所對應(yīng)的頻，就可以在揚聲器上連續(xù)地發(fā)出各個音符的音調(diào)。而要準確地演奏出一首樂曲，僅僅讓揚聲器能夠發(fā)生是不夠的，還必須準確地控制樂曲的節(jié)奏，即樂曲中每個音符的發(fā)生頻率及其持續(xù)時間是樂曲能夠連續(xù)演奏的兩個關(guān)鍵因素。當(dāng)一個20MHz的時鐘脈沖來到時，樂譜發(fā)生器模塊輸出一個音符數(shù)據(jù)給分頻系數(shù)模塊，分頻系數(shù)模塊輸出此音符相應(yīng)的分頻系數(shù)，將分頻系數(shù)送給數(shù)控分頻器模塊，當(dāng)20MHz的時鐘脈沖來到時，數(shù)控分頻器就根據(jù)分頻系數(shù)輸出相應(yīng)的頻率(即此音符所對應(yīng)的發(fā)生頻率)給揚聲器，揚聲器就可發(fā)出對應(yīng)音符的聲音來.連續(xù)的4Hz的時鐘脈沖就將樂譜發(fā)生器里所存儲的音符數(shù)據(jù)一個接一個的送給了分頻系數(shù)模塊，再經(jīng)過數(shù)控分頻模塊,最后揚聲器一個接一個的發(fā)出音符數(shù)據(jù)所對應(yīng)的聲音來。曲子也就流暢的播放出來了。2整體設(shè)計思想根據(jù)設(shè)計要求，系統(tǒng)組成方框圖3-1所示，它由樂曲選擇模塊、數(shù)碼顯示模塊、蜂鳴器模塊、模式選擇模塊組成。圖3-1樂曲演奏電路結(jié)構(gòu)方框圖基準時鐘20MHz圖3-1樂曲演奏電路結(jié)構(gòu)方框圖基準時鐘20MHz模式選擇選歌，控制FPGA時鐘電路峰鳴器電路樂曲選擇電路數(shù)碼顯示電路4Hz20MHz揚聲器數(shù)碼管3樂曲演奏電路模塊3.1樂曲選擇模塊1樂曲選擇模塊在此模塊中設(shè)置了一個9位二進制計數(shù)器（(計數(shù)最大值為511)，作為音符數(shù)據(jù)ROM的地址發(fā)生器。這個計數(shù)器的計數(shù)頻率選為4Hz，即每一計數(shù)值的停留時間為0．25s，恰為當(dāng)全音符設(shè)為1s時，四四拍的4分音符持續(xù)時間。同時為了實現(xiàn)對歌曲選擇得控制以及對播放速度的要求，可以多分出幾個頻率，然后由控制開關(guān)來選擇歌曲和播放頻率。隨著音調(diào)發(fā)生器模塊中的計數(shù)器按不同的時鐘速率作加法計數(shù)時，樂曲就開始連續(xù)自然地依據(jù)不同的速度演奏起來了。2樂曲選擇模塊的仿真圖圖3-2樂曲選擇模塊仿真圖圖3-2樂曲選擇模塊仿真圖通過仿真圖可以清楚的看到，時鐘clk由0開始計數(shù)，每計一次數(shù)輸出toneindex的值隨之發(fā)生一定的變化，只不過根據(jù)樂譜的不同，輸出的變化也不盡相同。由于選擇開關(guān)的控制可以看出，在不同模式下播放的歌曲是不同的，實現(xiàn)了選歌的功能。3樂曲選擇模塊生成的邏輯符號圖圖3-3樂曲選擇模塊邏輯符號圖圖3-3樂曲選擇模塊邏輯符號圖3.2數(shù)碼顯示模塊1數(shù)碼顯示模塊該編碼模塊的作用為將輸入的音符數(shù)據(jù)翻譯為音樂產(chǎn)生模塊的所需要的分頻系數(shù)，并且顯示音符的數(shù)字碼型和高音階，通過對照表各音名對應(yīng)的分頻系數(shù)值及初始值，根據(jù)輸入得到初始值，從而得到分頻系數(shù)以便進行分頻，得到所需的頻率。2音數(shù)碼顯示模塊的仿真圖圖3-4圖3-4數(shù)碼顯示模塊仿真圖在此程序中index為音樂節(jié)拍產(chǎn)生模塊輸出的音符數(shù)據(jù)，經(jīng)過翻譯后將tone輸出到數(shù)控分頻模塊為其提供分頻系數(shù)的初始值，code為數(shù)碼管顯示的字符數(shù)，high1為高音顯示，當(dāng)樂譜中有高音時，就會相應(yīng)地以二進制的形式表現(xiàn)出來。3數(shù)碼顯示模塊生成的邏輯符號圖圖3-5圖3-5數(shù)碼顯示生模塊邏輯符號圖3.3模式選擇模塊1模式選擇模塊根據(jù)設(shè)計的要求，該簡易樂曲演奏器能實現(xiàn)自動演奏樂曲的功能。與此同時，還需要一個整體復(fù)位信號rst來控制該演奏器是否工作，當(dāng)rst為1時，停止演奏，為0時，可以演奏。2模式選擇模塊仿真圖由仿真圖可以看出，當(dāng)rst為1時，輸出為0，電路停止工作。圖3-6模式選擇模塊仿真圖圖3-6模式選擇模塊仿真圖3模式選擇模塊生成的邏輯符號圖 圖3-7圖3-7模式模塊邏輯符號圖3.4蜂鳴器模塊1蜂鳴器模塊該模塊的clk端輸入一個具有較高頻率（本實驗為20MHz）的信號，通過分頻后由spks輸出。由于直接從數(shù)控分頻器中出來的輸出信號是脈寬極窄的脈沖信號，為了便于驅(qū)動喇叭，需另加一個D觸發(fā)器均衡其占空比，也即作二分頻處理。speak對clk輸入信號的分頻比由11位預(yù)置數(shù)tone[10..0]決定。spks的輸出頻率將決定每一音符的音調(diào)，這樣分頻計數(shù)器的預(yù)置數(shù)tone[10..0]與spks的輸出頻率就有了對應(yīng)關(guān)系。2蜂鳴器模塊的仿真圖圖3-10圖3-10蜂鳴器模塊仿真圖在此仿真圖中，輸入clk是一個頻率較大的時鐘信號，輸入tone代表著某個音符的分頻初始值，輸出spks則代表將輸入clk先經(jīng)過12次分頻，再經(jīng)過（預(yù)置數(shù)終值2048-tone）次分頻，最終再進行二分頻處理，而這個信號的頻率就是我們需要演奏的音譜的頻率，根據(jù)頻率的不同，從而能通過喇叭聽到不同的聲音，實現(xiàn)音樂的播放。3蜂鳴器模塊生成的邏輯符號圖圖3-11圖3-11蜂鳴器模塊邏輯符號圖4頂層文件利用元件例化把各個子模塊組合起來，進行編譯、下載，從而實現(xiàn)整體功能。它將音調(diào)發(fā)生器模塊、音調(diào)編碼器模塊、分頻器模塊、模式選擇模塊，手動輸入模塊及數(shù)控分頻器模塊連接起來。圖3-12頂層文件仿真圖圖3-12頂層文件仿真圖5硬件下載輸入程序并且編譯無誤，并且仿真無誤后，便進行引腳鎖定及程序下載，在進行引腳鎖定時必須對照引腳鎖定圖進行鎖定。引腳鎖定圖如圖3-13所示：CLK為20M時鐘輸入，RST為整體復(fù)位開關(guān)，CODE1為數(shù)碼管顯示，HIGH1為高音顯示，SEL速度控制開關(guān)，SPKS為蜂鳴器輸入。圖3-13引腳鎖定圖圖3-13引腳鎖定圖引腳鎖定后下載到FPGA試驗箱的EP3C40Q240C8芯片中，通過開關(guān)及按鍵的控制，試驗箱的蜂鳴器就會根據(jù)選擇演奏優(yōu)美的音樂，經(jīng)驗證本次設(shè)計完全達到了預(yù)先的設(shè)計要求。硬件鎖引腳圖總結(jié)通過本次課程設(shè)計，深刻體會了VHDL設(shè)計的優(yōu)勢，通過強大的EDA工具和硬件描述語言使演奏電路很易實現(xiàn)。并且通過此次設(shè)計讓我們把課本中的知識系統(tǒng)的聯(lián)系起來，更加體會到模塊式設(shè)計的方法所帶來的方便和明了化。通過模塊式的方法，可以將復(fù)雜的總程序分成幾個模塊各自分工執(zhí)行，獨立工作互不干擾。然后通過原理圖將各個模塊直接相連，或者用元件例化的方式，用VHDL語言進行描述，達到了統(tǒng)一化管理各個模塊的作用。通過查找資料，與同學(xué)交流增強了我們自主學(xué)習(xí)的能力；了解到了聲音音譜的發(fā)生規(guī)律，信號的頻率與聲音的關(guān)系，并且通過對基準頻率的分頻，來生成不同的聲譜。從設(shè)計方面得知，在進行設(shè)計時，應(yīng)首先對各方面的資料進行綜合，在基本原理的范圍內(nèi)進行模塊式的分解和綜合，最后達到設(shè)計的需求。這次設(shè)計使我對quartusⅡ的運用更加靈活，熟悉了對該軟件從工程建立到程序下載執(zhí)行各個步驟的操作，對以前學(xué)習(xí)上的不足得到了補充?？傊@次設(shè)計讓我們學(xué)到了很多知識，為我們以后的學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)。在課設(shè)的過程當(dāng)中，不知不覺中增添了對專業(yè)課的學(xué)習(xí)興趣，感覺我們學(xué)的東西終于與實際真正得結(jié)合起來了，學(xué)習(xí)的知識不再感覺枯燥乏味。尤其是當(dāng)自己設(shè)計的音樂播放器發(fā)出聲音的時候，心中的喜悅與自豪油然而生。最后，感謝老師的辛勤指導(dǎo)和嚴格要求。真誠地說一聲：老師，您辛苦了！還有幫助過我的同學(xué)，謝謝你們。附錄全部程序如下：libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;entityyuepuISport(clk:instd_logic;sel:instd_logic_vector(0to1);sel2:instd_logic_vector(0to1);toneindex:outintegerrange0TO15);endyuepu;architecturebhvofyuepuIStypeyinyue1isarray(0to369)ofintegerrange0to15;typeyinyue2isarray(0to498)ofintegerrange0to15;typeyinyue3isarray(0to198)ofintegerrange0to15;typeyinyue4isarray(0to159)ofintegerrange0to15;constantmemory1:yinyue1:=(12,12,13,13,1,1,1,1,1,1,5,5,3,3,3,3,3,3,2,2,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,12,12,13,13,1,1,1,1,1,1,5,5,2,2,2,2,2,2,1,1,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,3,3,5,5,6,6,6,6,6,6,6,6,6,6,6,6,3,3,5,5,1,1,1,1,1,1,3,3,2,2,14,14,13,13,13,13,0,0,2,2,2,2,3,3,2,2,2,2,14,14,13,13,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,6,6,1,1,1,1,1,1,6,6,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,3,3,15,15,7,7,7,7,7,7,6,6,7,7,7,7,7,7,7,7,7,7,7,7,6,6,3,3,2,2,2,2,2,2,2,2,3,3,7,7,7,7,6,6,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,6,6,15,15,15,15,15,15,6,6,15,15,15,15,15,15,15,15,15,15,15,15,3,3,15,15,7,7,7,7,7,7,6,6,7,7,7,7,7,7,7,7,7,7,7,7,6,6,3,3,2,2,2,2,3,3,5,5,5,5,5,5,5,5,0,0,2,2,2,2,13,13,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,5,5,6,6,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,6,6,3,3,2,2,2,2,2,2,3,3,5,5,5,5,5,5,5,5,0,0,2,2,2,2,13,13,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0);--《牧羊曲》constantmemory2:yinyue2:=(12,12,13,13,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,13,13,12,12,1,1,1,1,1,1,2,2,1,1,1,1,13,13,1,1,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,1,13,13,2,2,2,2,2,2,3,3,2,2,2,2,3,3,5,5,6,6,5,5,5,5,5,5,6,6,6,6,5,5,3,3,2,2,3,3,2,2,1,1,13,13,13,13,12,12,13,13,12,12,13,13,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,13,13,12,12,1,1,1,1,1,1,2,2,1,1,1,1,13,13,1,1,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,1,13,13,2,2,2,2,2,2,3,3,2,2,2,2,3,3,5,5,6,6,5,5,5,5,5,5,6,6,6,6,5,5,3,3,2,2,3,3,2,2,1,1,13,13,13,13,12,12,13,13,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,2,2,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,3,3,5,5,6,6,6,6,6,6,6,6,6,6,6,6,15,15,6,6,5,5,5,5,5,5,6,6,5,5,5,5,3,3,2,2,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,2,2,2,2,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,2,2,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,15,15,6,6,5,5,5,5,5,5,6,6,5,5,5,5,3,3,5,5,6,6,6,6,6,6,15,15,6,6,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,3,3,5,5,6,6,6,6,6,6,6,6,6,6,6,6,15,15,6,6,5,5,5,5,5,5,6,6,5,5,5,5,3,3,2,2,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,5,5,5,5,5,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,2,2,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,2,2,3,3,5,5,5,5,5,5,3,3,5,5,5,5,3,3,5,5,6,6,6,6,6,6,6,6,6,6,6,6,6,6,6,6,0,0,0,0,0,0,13,13,3,3,2,2,2,2,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1);--《大海》constantmemory3:yinyue3:=(3,5,5,5,6,15,6,5,5,5,5,5,5,5,5,5,3,5,5,5,6,15,8,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,5,6,5,5,5,5,5,5,9,9,9,9,9,9,15,15,15,15,8,8,8,8,8,8,8,8,8,8,8,8,9,8,15,6,6,6,6,6,6,6,9,8,15,6,8,15,15,3,5,6,5,5,5,5,5,5,8,8,8,8,8,8,9,8,15,6,6,6,6,6,6,6,9,8,9,8,9,6,9,9,9,9,10,15,8,9,9,10,10,10,10,11,11,9,9,10,10,10,10,10,10,11,11,11,11,11,11,11,9,9,9,10,10,10,10,15,8,9,9,10,10,10,10,11,11,9,9,10,10,10,10,10,10,10,15,8,9,8,15,6,8,15,6,5,5,6,15,8,9,910,10,10,10,11,11,15,15,15,15);--《歡樂頌》constantmemory4:yinyue4:=(3,3,3,3,1,1,1,1,3,3,3,3,1,1,1,1,3,3,3,3,5,5,6,6,5,5,5,5,0,0,0,0,6,6,6,6,6,6,5,5,4,4,4,4,4,4,4,4,2,2,3,3,2,2,1,1,2,2,2,2,0,0,0,0,3,3,3,3,1,1,0,0,3,3,3,3,1,1,0,0,3,3,3,3,5,5,6,6,6,6,6,6,0,0,0,0,15,15,15,15,5,5,5,5,6,6,6,6,3,3,3,3,2,2,1,1,2,2,3,3,5,5,5,5,5,5,5,5,15,15,15,15,5,5,5,5,6,6,6,6,3,3,3,3,2,2,1,1,2,2,3,3,1,1,1,1,1,1,1,1);--《數(shù)鴨子》signalcounter1:integerrange0to500;signalcounter2:integerrange0to500;signalcounter3:integerrange0to500;signalcounter4:integerrange0to500;signalclk2:std_logic;signalclk3:std_logic;signalclk4:std_logic;signalclk1:std_logic;beginprocess(clk)variablecount1:integerrange0to10000000;variablecount2:integerrange0to10000000;variablecount3:integerrange0to10000000;beginif(clk'eventandclk='1')thencount1:=count1+1;if(count1=625000)thenclk2<=notclk2;count1:=0;endif;endif;if(clk'eventandclk='1')thencount2:=count2+1;if(count2=2500000)thenclk3<=notclk3;count2:=0;endif;endif;if(clk'eventandclk='1')thencount3:=count3+1;if(count3=1250000)thenclk4<=notclk4;count3:=0;endif;endif;endprocess;process(sel,clk2,clk3,clk4)begincaseseliswhen"11"=>clk1<=clk3;when"10"=>clk1<=clk4;when"01"=>clk1<=clk2;whenothers=>null;endcase;endprocess;process(clk1)beginif(clk1'eventandclk1='1')thencounter1<=counter1+1;if(counter1>369)thencounter1<=0;endif;endif;if(clk1'eventandclk1='1')thencounter2<=counter2+1;if(counter2>498)thencounter2<=0;endif;endif;if(clk1'eventandclk1='1')thencounter3<=counter3+1;if(counter3>198)thencounter3<=0;endif;endif;if(clk1'eventandclk1='1')thencounter4<=counter4+1;if(counter4>159)thencounter4<=0;endif;endif;endprocess;process(sel2,counter1,counter2,counter3,counter4)begincasesel2iswhen"11"=>toneindex<=memory3(counter3);when"10"=>toneindex<=memory2(counter2);when"01"=>toneindex<=memory1(counter1);when"00"=>toneindex<=memory4(counter4);whenothers=>null;endcase;endprocess;endbhv;libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;useieee.std_logic_arith.all;useieee.std_logic_unsigned.all;entitytonetabaisport(index:inintegerrange0to15;code:outstd_logic_vector(7downto0);high1:outstd_logic_vector(2downto0);tone:outintegerrange0to2047);endtonetaba;architecturebhvoftonetabaisbeginprocess(index)begincaseindexiswhen0=>tone<=2047;code<="11000000";high1<="000";--0when1=>tone<=1091;code<="11111001";high1<="000";--1（中）when2=>tone<=1196;code<="10100100";high1<="000";--2（中）when3=>tone<=1289;code<="10110000";high1<="000";--3（中）when4=>tone<=1331;code<="10011001";high1<="000";--4（中）when5=>tone<=1409;code<="10010010";high1<="000";--5（中）when6=>tone<=1479;code<="10000010";high1<="000";--6（中）when7=>tone<=1541;code<="11111000";high1<="000";--7（中）when8=>tone<=1621;code<="10100100";high1<="010";--2(高)when9=>tone<=1668;code<="10110000";high1<="011";--3(高)when10=>tone<=1728;code<="10010010";high1<="101";--5(高)when11=>tone<=1763;code<="10000010";high1<="110";--6(高)when12=>tone<=772;code<="10010010";high1<="000";--5（低）when13=>tone<=911;code<="10000010";high1<="000";--6（低）when14=>tone<=911;code<="11111000";high1<="000";--7（低）when15=>tone<=1569;code<="11111001";high1<="001";--1(高)whenothers=>null;endcase;endprocess;endbhv;libraryieee; 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