在QuartusII開發(fā)平臺上實現基于FPGA的音樂演奏電路的設計

1 系統(tǒng)的設計要求

應用VHDL硬件描述語言，設計一個樂曲硬件演奏電路，它能將一首預先設置存儲好的樂曲自動播放出來，除此之外，也能夠通過按鍵的方式輸入音符，使其具備簡易電子琴的功能。通過此項研究，能夠深切的體會利用EDA工具開發(fā)的優(yōu)越性，在此基礎上，對樂曲硬件演奏電路功能進行豐富，具有一定的社會實用性。

根據硬件演奏電路的功能進行全局分析，采用自上至下的設計方法，從系統(tǒng)總體要求出發(fā)，逐步將設計內容細化，最后完成系統(tǒng)結構的整體設計。將功能分為以下幾個部分，1）實現預先設置樂曲的播放功能；2）實現預置樂曲的暫停和繼續(xù)播放實時控制功能；3）實現預置多首樂曲間的切換功能。

預置樂曲，本文選取了《梁?！返囊欢巫黝A置，作預置時，需要將樂曲音符轉換成相應的代碼，通過計算逐一將音符轉換成代碼，通過EDA開發(fā)平臺quartusii6.0進行樂曲定制。

為了提供樂曲發(fā)音所需要的發(fā)音頻率，編寫數控分頻器程序，對單一輸入高頻，進行預置數分頻，生成每個音符發(fā)音的相應頻率。

為了給分頻提供預置數，需要計算分頻預置數。

對每部分結構單元逐一進行編譯，生成相應的元器件符號，并對獨立結構單元功能進行仿真。

2 系統(tǒng)的詳細設計方案

2.1 頂層實體描述

按照EDA開發(fā)流程，采用VHDL硬件描述語言開發(fā)，將樂曲硬件演奏電路設計進行模塊化分解，層次化設計，分成幾個單獨的結構體，每個結構體實現部分功能，最后，經頂層文件將各單獨結構體進行綜合，實現樂曲硬件演奏。

有四個輸入，三個輸出端口。

四輸入端口分別是：clk8hz端口，作為節(jié)拍脈沖信號輸入端口；clk12mhzZ端口，作為發(fā)音頻率初始信號輸入端口；P輸入端口，作為控制歌曲暫停和繼續(xù)播放的輸入端口。ch輸入端口，作為控制歌曲之間切換播放的輸入端口。

三輸出端口分別是：code1輸出端口，作為音符簡碼輸出LED顯示端口；high1輸出端口，作為音符高8度指示端口；spkout輸出端口，作為樂曲的聲音輸出端口。

2.2 模塊劃分

本系統(tǒng)主要由三個功能模塊組成：notetabsvhd,tonetaba.vhd和speakera.vhd.第一部分notetabs,地址發(fā)生器，實現按節(jié)拍讀樂譜的功能；第二部分tonetaba,查表電路，為speakera提供分頻預置數，實現樂曲譯碼輸出CODE[3:0];第三部分speakera,產生發(fā)音頻率，實現樂曲播放。系統(tǒng)結構圖如圖2.

為了實現樂曲的播放，首先需要將曲譜定制到音符數據ROM里面，然后才能按照一定的節(jié)拍從ROM中讀出曲譜。由于所選曲子中不含低音，轉換關系如表1所示。

2.3 模塊描述

sperkera是一個數控分頻器，由其clk端輸入一個12mhz信號，通過speakera分頻后，由spkout,通過一d觸發(fā)器，pinlv變?yōu)樵瓉淼亩种?，sperakera對clk的輸入信號的分頻比由11位tone[100]決定，spkout的輸出頻率為音符的音調。

tonebata的功能首先是為speakera提供分頻預置數，此數的停留時間即為音符的節(jié)拍值，此模塊為歌曲簡譜碼提供對應的分頻預置查表電路，音符停留時間由clk的輸入頻率決定，再次為4hz.

3 系統(tǒng)的方案實現

3.1 各模塊仿真及描述

notetabs作為音符rom的地址發(fā)生器，此模塊中設置了一個8位2進制計數器，頻率為4hz,即為4個音符一秒時間四四拍的4分音符。notetabs計數器計數器按4hz時鐘頻率做加法計數，當stop為高電平時停止加法運算，而當change可設置rom中數據的跳轉，rom通過toneindex[30]端口輸向tonetaba模塊。樂曲就演奏起來了。

由圖6 sperkera仿真波形可以看出，當clk輸入時鐘頻率為12mhz時，輸出端信號clk輸出的頻率，隨tong信號的不同，輸出不同頻率的聲音信號。

由圖7tonetaba信號的仿真波形，可以看出，當輸入信號index[30]輸入不同信號值，code輸出端輸出音符的顯示，high為音符高位信號，tone大于7時high為高電平。

圖8為notetabs仿真波形，當clk輸入時鐘信號，toneindex[30]端從rom中讀入音符數據，當輸入端口stop為“1”時，暫停從rom中讀入數據，stop為“0”繼續(xù)讀取音符信號，change為高低電平時，模塊分別讀取rom不同位置的數據。

3.2 頂層電路仿真及描述

clk8hz端輸入8hz時鐘信號，另一個clk12mhz輸入12mhz時鐘信號，系統(tǒng)將自動從music.mif中讀取音符信號，以頻率不同輸出到spkout,同時輸出到顯示端口，和高音端口，code1[30],high1.p端口可以是音符暫停輸出（高電平時），ch端口控制歌曲間的切換。

4 硬件測試及說明

選擇實驗電路模式1,將引腳鎖定時clk12mhz于clock9連接，短路帽clock接12mhz.clk8hz與clock2連接。發(fā)音輸出spkout接speaker.簡譜碼輸出code1由數碼管5顯示，high高8度指示由發(fā)光管d5指示，p與按鍵d16連接，ch與的15連接。最后向目標芯片下載適配后的sof邏輯設計文件。

5 結論

本次設計在EDA開發(fā)工具QuartusII平臺上，應用語言層次化和模塊化的設計方法，通過音符編碼的設計思想，預先定制樂曲，在此基礎上設計了一個樂曲硬件演奏電路，經過對整體進行模塊化分析、編程、綜合、仿真及最終下載，完整實現簡易音樂器的播放功能。