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基于FPGA的音乐硬件演奏电路设计与实现( 一)
1 系统的设计要求
应用VHDL硬件描述语言,设计一个乐曲硬件演奏电路,它能将一首预先设置存储好的乐曲自动播放出来,除此之外,也能够通过按键的方式输入音符,使其具备简易电子琴的功能。通过此项研究,能够深切的体会利用EDA工具开发的优越性,在此基础上,对乐曲硬件演奏电路功能进行丰富,具有一定的社会实用性。
根据硬件演奏电路的功能进行全局分析,采用自上至下的设计方法,从系统总体要求出发,逐步将设计内容细化,最后完成系统结构的整体设计。将功能分为以下几个部分,1)实现预先设置乐曲的播放功能;2)实现预置乐曲的暂停和继续播放实时控制功能;3)实现预置多首乐曲间的切换功能。
预置乐曲,本文选取了《梁祝》的一段作预置,作预置时,需要将乐曲音符转换成相应的代码,通过计算逐一将音符转换成代码,通过EDA开发平台quartusii6.0进行乐曲定制。
为了提供乐曲发音所需要的发音频率,编写数控分频器程序,对单一输入高频,进行预置数分频,生成每个音符发音的相应频率。
为了给分频提供预置数,需要计算分频预置数。
对每部分结构单元逐一进行编译,生成相应的元器件符号,并对独立结构单元功能进行仿真。
2 系统的详细设计方案
2.1 顶层实体描述
按照EDA开发流程,采用VHDL硬件描述语言开发,将乐曲硬件演奏电路设计进行模块化分解,层次化设计,分成几个单独的结构体,每个结构体实现部分功能,最后,经顶层文件将各单独结构体进行综合,实现乐曲硬件演奏。
有四个输入,三个输出端口。
四输入端口分别是:clk8hz端口,作为节拍脉冲信号输入端口;clk12mhzZ端口,作为发音频率初始信号输入端口;P输入端口,作为控制歌曲暂停和继续播放的输入端口。ch输入端口,作为控制歌曲之间切换播放的输入端口。
三输出端口分别是:code1输出端口,作为音符简码输出LED显示端口;high1输出端口,作为音符高8度指示端口;spkout输出端口,作为乐曲的声音输出端口。
2.2 模块划分
本系统主要由三个功能模块组成:notetabsvhd,tonetaba.vhd和speakera.vhd.第一部分notetabs,地址发生器,实现按节拍读乐谱的功能;第二部分tonetaba,查表电路,为speakera提供分频预置数,实现乐曲译码输出CODE[3:0];第三部分speakera,产生发音频率,实现乐曲播放。系统结构图如图2.
为了实现乐曲的播放,首先需要将曲谱定制到音符数据ROM里面,然后才能按照一定的节拍从ROM中读出曲谱。由于所选曲子中不含低音,转换关系如表1所示。[p]
2.3 模块描述
sperkera是一个数控分频器,由其clk端输入一个12mhz信号,通过speakera分频后,由spkout,通过一d触发器,pinlv变为原来的二分之一,sperakera对clk的输入信号的分频比由11位tone[100]决定,spkout的输出频率为音符的音调。
tonebata的功能首先是为speakera提供分频预置数,此数的停留时间即为音符的节拍值,此模块为歌曲简谱码提供对应的分频预置查表电路,音符停留时间由clk的输入频率决定,再次为4hz.
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