基于fpga的樂(lè)曲演奏電路設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　課程設(shè)計(jì)</b></p><p>　　設(shè)計(jì)題目：基于FPGA的樂(lè)曲演奏電路設(shè)計(jì)</p><p><b>　　指導(dǎo)教師： 蔣俊華</b></p><p>　　學(xué)院：物理與電子學(xué)院 </p><p>　　專(zhuān)業(yè)：電子信息科學(xué)與技術(shù) </p&g

2、t;<p>　　姓名： </p><p>　　學(xué)號(hào)： </p><p>　　實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：特種功能實(shí)驗(yàn)室（實(shí)驗(yàn)室502） </p><p>　　摘要：本文根據(jù)層次化的設(shè)計(jì)思路并在EDA開(kāi)發(fā)工具Quartus II 9.0 (32-Bit) 平臺(tái)上，采用Verilog語(yǔ)言、原理圖、定制LPM-RO

3、M塊以及實(shí)例化的設(shè)計(jì)方法，利用數(shù)控分頻的原理實(shí)現(xiàn)了基于FPGA片上系統(tǒng)（本實(shí)驗(yàn)用的是康芯GW48系列EDA設(shè)備）樂(lè)曲演奏的設(shè)計(jì)。</p><p>　　關(guān)鍵詞 FPGA，EDA，Verilog，數(shù)控分頻器 </p><p><b>　　一. 概述部分：</b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)所要實(shí)現(xiàn)的功能</b>&l

4、t;/p><p>　　能夠很好的演奏出“梁祝”的譜子，將音樂(lè)通過(guò)實(shí)驗(yàn)箱上的喇叭播放出；演奏發(fā)音相對(duì)應(yīng)的簡(jiǎn)譜碼輸出顯示由在數(shù)碼管5顯示；高八度音指示由發(fā)光管D5指示</p><p>　　設(shè)計(jì)所采用的基本思想</p><p>　　根據(jù)層次化的設(shè)計(jì)思路，可把樂(lè)曲硬件演奏電路分為3個(gè)模塊，音樂(lè)節(jié)拍發(fā)生模塊,音符譯碼電路模塊，數(shù)控分頻模塊。</p><p&g

5、t;　　音樂(lè)節(jié)拍發(fā)生模塊的設(shè)計(jì)：將編輯好的音符填入MIF文件中再定制LPM-ROM塊將音符數(shù)據(jù)加載入ROM再通過(guò)計(jì)數(shù)器逐步計(jì)數(shù)rom塊的地址來(lái)提取音符；音符譯碼電路模塊、數(shù)控分頻模塊的設(shè)計(jì)：都是由verilog代碼實(shí)例化生成</p><p>　　通過(guò)輸入原理圖的方法將各個(gè)模塊連接起來(lái)生成一個(gè)block塊的.qpf文件作為最終的頂層文件。</p><p><b>　　二．系統(tǒng)設(shè)計(jì)部

6、分</b></p><p>　　（1） 整個(gè)設(shè)計(jì)的組織結(jié)構(gòu) </p><p>　?。?）各個(gè)子單元的設(shè)計(jì)思路 </p><p>　　音樂(lè)節(jié)拍發(fā)生模塊的設(shè)計(jì)：</p><p>　　LPM-ROM塊 該模塊為音樂(lè)曲譜的存放塊。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)。其利用LPM_ROM宏模塊將共設(shè)定256個(gè)音符，每個(gè)音符寬度

7、為4位。 Mif文件存放樂(lè)曲中的音符數(shù)據(jù)，它是利用LPM-ROM來(lái)實(shí)現(xiàn)的，將樂(lè)譜中相應(yīng)的音符放在一個(gè)連續(xù)的地址上。它首先是編寫(xiě)音符數(shù)據(jù)文件，將樂(lè)譜中相應(yīng)的音符存放在一個(gè)連續(xù)的地址上。因?yàn)?拍的時(shí)間定為1秒，提供的是4Hz的時(shí)鐘頻率（即1/4拍的整數(shù)倍），則需將這個(gè)音符存儲(chǔ)在相應(yīng)次數(shù)的連續(xù)幾個(gè)地址上。.mif文件如下：</p><p>　　CNT138塊這個(gè)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)頻率選為4Hz，即每一計(jì)數(shù)值的停留時(shí)間為0.2

8、5秒，恰為當(dāng)全音符設(shè)為1秒，四四拍的4分音符持續(xù)時(shí)間。例如，地址發(fā)生器在以下的Verilog邏輯描述中，“梁?！睒?lè)曲的第一個(gè)音符為“3”，此音在邏輯中停留了4個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍，即1秒時(shí)間。模塊程序如下：</p><p>　　module cnt138t(clk,cnt);</p><p>　　input clk;</p><p>　　output [7:0]cnt;&l

9、t;/p><p>　　reg [7:0]cnt;</p><p>　　always @ (posedge clk) </p><p><b>　　begin</b></p><p>　　if(cnt==8'b10001010) cnt<=8'b00000000;</p><p>

10、　　else cnt<=cnt+1;</p><p><b>　　end </b></p><p>　　endmodule </p><p>　　音符譯碼電路模塊的設(shè)計(jì)：</p><p>　　音符譯碼電路模塊即分頻預(yù)置數(shù)模塊是樂(lè)曲簡(jiǎn)譜碼對(duì)應(yīng)的分頻預(yù)置數(shù)查表電路。它提供了每個(gè)音符所對(duì)應(yīng)的分頻預(yù)置數(shù)，即給數(shù)控分頻模塊

11、提供計(jì)數(shù)初值，這里以“梁?！睒?lè)曲為例，列出了在這個(gè)樂(lè)曲中所用到的13個(gè)音符的分頻預(yù)置數(shù)。在這個(gè)模塊的Verilog邏輯描述中設(shè)置了“梁祝”樂(lè)曲中全部音符所對(duì)應(yīng)的分頻預(yù)置數(shù)，共13個(gè)，每一音符的停留時(shí)間由音樂(lè)節(jié)拍和地址發(fā)生器模塊的時(shí)鐘（Clk）的輸入頻率決定，在此為4Hz。這13個(gè)值的輸出由計(jì)數(shù)模塊的index[3..0]確定，而index[3..0]的值又由地址發(fā)生器模塊的輸出q[3..0]的輸出值和持續(xù)時(shí)間決定。程序如下：</p

12、><p>　　module tonetaba(index,code,high,tone);</p><p>　　input [3:0]index;</p><p>　　output [3:0]code;</p><p>　　output [10:0]tone;</p><p>　　output high;</p&g

13、t;<p>　　reg [3:0]code;</p><p>　　reg [10:0]tone;</p><p><b>　　reg high;</b></p><p>　　always @ (index) </p><p><b>　　begin </b></p>&l

14、t;p>　　case(index) </p><p>　　4'b0000: begin tone<=11'b11111111111; code<=4'b0000; high<=1'b0; end</p><p>　　4'b0001: begin tone<=11'b01100000101; code<=4&

15、#39;b0001; high<=1'b0; end</p><p>　　4'b0010: begin tone<=11'b01110010000; code<=4'b0010; high<=1'b0; end</p><p>　　4'b0011: begin tone<=11'b10000001100;

16、 code<=4'b0011; high<=1'b0; end</p><p>　　4'b0101: begin tone<=11'b10010101101; code<=4'b0101; high<=1'b0; end</p><p>　　4'b0110: begin tone<=11'b

17、10100001010; code<=4'b0110; high<=1'b0; end</p><p>　　4'b0111: begin tone<=11'b10101011100; code<=4'b0111; high<=1'b0; end</p><p>　　4'b1000: begin tone&

18、lt;=11'b10110000010; code<=4'b0001; high<=1'b1; end</p><p>　　4'b1001: begin tone<=11'b10111001000; code<=4'b0010; high<=1'b1; end</p><p>　　4'b1010:

19、 begin tone<=11'b11000000110; code<=4'b0011; high<=1'b1; end</p><p>　　4'b1100: begin tone<=11'b11001010110; code<=4'b0101; high<=1'b1; end</p><p>　　

20、4'b1101: begin tone<=11'b11010000100; code<=4'b0110; high<=1'b1; end</p><p>　　4'b1111: begin tone<=11'b11011000000; code<=4'b0001; high<=1'b1; end</p>

21、<p>　　default: begin tone<=11'bx; code<=4'bx; high<=1'bx; end</p><p><b>　　endcase</b></p><p><b>　　end</b></p><p>　　endmodule &l

22、t;/p><p>　　數(shù)控分頻模塊的設(shè)計(jì)：</p><p>　　音符的頻率由數(shù)控分頻模塊獲得，這是一個(gè)數(shù)控分頻電路。它是由一個(gè)初值可變的加法計(jì)數(shù)器構(gòu)成。該計(jì)數(shù)器的模為2047，當(dāng)計(jì)數(shù)器記滿(mǎn)時(shí)，計(jì)數(shù)器產(chǎn)生一個(gè)溢出信號(hào)FULL，此溢出信號(hào)就是用作發(fā)音的頻率信號(hào)。在計(jì)數(shù)器的輸入端給定不同的初值，就可得到不同音符的發(fā)音頻率信號(hào)。 計(jì)數(shù)初值（Tone）=2047-分頻系數(shù)而分頻系數(shù)又可有下式來(lái)求： 分頻

23、系數(shù)=基準(zhǔn)頻率/音符的發(fā)生頻率 低音時(shí)Tone值小，分頻系數(shù)大，溢出信號(hào)周期長(zhǎng)，揚(yáng)聲器發(fā)出的聲音低，Tone隨音樂(lè)的樂(lè)譜變化大，自動(dòng)控制分頻比，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控分頻，發(fā)生信號(hào)的頻率與音調(diào)Tone成正比。這就是利用數(shù)控分頻器自動(dòng)演奏音樂(lè)的原理。 其時(shí)鐘（Clk）端輸入的是在十六進(jìn)制模塊里對(duì)12MHz的信號(hào)進(jìn)行16分頻得到的750KHz，750KHz的信號(hào)根據(jù)分頻預(yù)置數(shù)模塊中所提供的計(jì)數(shù)初值，分別得出相應(yīng)音符頻率的兩倍值。此時(shí)從數(shù)控分頻器中出來(lái)的

24、輸出信號(hào)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)tone[10..0]決定。輸出頻</p><p>　　module speakera(clk1,tone,spks);</p><p>　　input clk1;</p><p

25、>　　input [10:0]tone;</p><p>　　output spks;</p><p><b>　　reg spks;</b></p><p>　　reg preclk;</p><p>　　reg fullspks;</p><p>　　reg [3:0]count4;&l

26、t;/p><p>　　reg [10:0]count11;</p><p>　　always @ (posedge clk1)</p><p><b>　　begin </b></p><p>　　if(count4==4'b1000) begin preclk=1'b1; count4=4'b00

27、00; end </p><p>　　else begin count4=count4+1; preclk=1'b0; end</p><p><b>　　end </b></p><p>　　always @ (posedge preclk) </p><p><b>　　begin</b

28、></p><p>　　if (count11==11'b11111111111) begin count11=tone; fullspks=1'b1; end</p><p>　　else begin count11=count11+1;fullspks=1'b0; end</p><p><b>　　end </b

29、></p><p>　　always @ (posedge fullspks) </p><p><b>　　begin </b></p><p>　　spks=~spks;</p><p><b>　　end </b></p><p><b>　　endm

30、odule</b></p><p>　　各個(gè)子單元之間的接口關(guān)系</p><p><b>　　如下圖所示：</b></p><p>　?。?）該設(shè)計(jì)與其它設(shè)計(jì)的接口方式等 </p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)選用模式1。</b></p><p>　　使CLK1與cl

31、ock9相接，接受12MHz時(shí)鐘頻率（用短路帽在clock9接“12MHz”）；CLK 與clock2相接，接受4Hz頻率；發(fā)音輸出SPKOUT接Speaker；與演奏發(fā)音相對(duì)應(yīng)的簡(jiǎn)譜碼輸出顯示可由CODE1在數(shù)碼管5顯示；HIGH1為高八度音指示，可由發(fā)光管D5指示</p><p>　　然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)手冊(cè)上 的GW48CK 系統(tǒng)萬(wàn)能接插口與結(jié)構(gòu)圖信號(hào)/與芯片引腳對(duì)照表來(lái)分配該設(shè)計(jì)與其它設(shè)計(jì)的接口名稱(chēng)。</p

32、><p><b>　　如下圖所示：</b></p><p><b>　　仿真綜合部分</b></p><p>　　關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的位置、 作用及其測(cè)試波形的描述</p><p>　　Tone：分頻計(jì)數(shù)器的預(yù)置值，數(shù)控分頻模塊中對(duì)clk1高頻輸入信號(hào)的分頻比就是由11位預(yù)置數(shù)tone[10..0]決定的<

33、/p><p>　　Q：地址發(fā)生器模塊（包括LPM-ROM塊）的輸出，將和持續(xù)時(shí)間共同決定index[3..0]輸入的值，共13個(gè)，然后這13個(gè)值會(huì)確定下一個(gè)數(shù)控分頻模塊的分頻預(yù)置數(shù)</p><p>　　Cnt：計(jì)數(shù)器的輸出，隨著計(jì)數(shù)器按4Hz的時(shí)鐘頻率作加法計(jì)數(shù)，即隨地址遞增時(shí)，將從LPM-ROM塊中的mif音符數(shù)據(jù)中連續(xù)取出音符輸向分頻預(yù)置數(shù)。</p><p>　?。?/p>

34、2） I/O引腳的名稱(chēng)、 作用及其測(cè)試波形的描述；</p><p>　　此為input管腳：</p><p>　　Clk1：接受12MHz時(shí)鐘頻率，控制著數(shù)控分頻器的節(jié)奏，測(cè)試波形頻率太高已經(jīng)密集成一條黑條</p><p>　　Clk：接受4HZ時(shí)鐘頻率，控制著計(jì)數(shù)器的節(jié)奏，測(cè)試波形周期即0.25秒</p><p>　　此為output管腳：

35、</p><p>　　由于時(shí)序仿真時(shí)受12位預(yù)置數(shù)及普通計(jì)算機(jī)性能的限制仿真時(shí)間極長(zhǎng)數(shù)值僅做參考實(shí)際結(jié)果請(qǐng)參考本程序的硬件仿真結(jié)果。</p><p>　　Code：演奏發(fā)音相對(duì)應(yīng)的簡(jiǎn)譜碼</p><p>　　High：高八度音指示</p><p>　　Spks：發(fā)音輸出即不同預(yù)置數(shù)情況下數(shù)控分頻的不同結(jié)果</p>&l

36、t;p>　　采用的FPGA器件的型號(hào)</p><p>　　片內(nèi)各種資源的使用情況</p><p>　　時(shí)序仿真前的資源的使用情況：</p><p>　　時(shí)序仿真后的資源的使用情況：</p><p><b>　　4 結(jié)論 </b></p><p>　　最后向目標(biāo)芯片下載適配后的SOF邏輯設(shè)計(jì)

37、文件，蜂鳴器即發(fā)出聲音，演奏出“梁?！睒?lè)曲。本文介紹了基于FPGA的音樂(lè)硬件演奏電路的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)樂(lè)曲播放器，而且描述了其工作原理、設(shè)計(jì)思路及實(shí)現(xiàn)方法，并在用目標(biāo)芯片仿真實(shí)現(xiàn)了音樂(lè)硬件演奏電路的功能。這種基于FPGA的音樂(lè)硬件演奏電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，不僅通過(guò)VHDL層次化和模塊化設(shè)計(jì)方法，同時(shí)采用數(shù)控分頻和定制LPM-ROM的設(shè)計(jì)思想通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)，讓我進(jìn)一步了解了數(shù)控分頻器的工作原理和功能作用，并學(xué)會(huì)了利用LPM模塊制作ROM文件的方

38、法，也更深一層地懂得了頂層文件通過(guò)例化語(yǔ)句與其他模塊結(jié)合的好處我想我對(duì)EDA的學(xué)習(xí)只能算是個(gè)入門(mén)，這個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展空間非常大，應(yīng)用范圍也非常廣泛，而且我相信在將來(lái)還會(huì)有更加廣闊的應(yīng)用前景。因此在以后的學(xué)習(xí)過(guò)程中，我不能因?yàn)檎n程學(xué)習(xí)的結(jié)束而結(jié)束了我對(duì)這個(gè)方面的學(xué)習(xí)甚至這個(gè)領(lǐng)域的探索，相反我會(huì)更加努力的去學(xué)習(xí)它。感謝蔣俊華老師兢兢業(yè)業(yè)的教導(dǎo)，讓我不僅學(xué)到了知識(shí)，也學(xué)到了做人做事的一些道理，為我提供了很多幫助。在接下來(lái)的學(xué)習(xí)中，我會(huì)繼續(xù)努力，努

39、力扎實(shí)地學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)知識(shí)，為以后打好鋪墊，奠定基礎(chǔ)。</p><p>　　5 附錄 （程序代碼）</p><p>　　module cnt138t(clk,cnt);//計(jì)數(shù)器模塊代碼</p><p>　　input clk;</p><p>　　output [7:0]cnt;</p><p>　　reg [7:0]cn

40、t;</p><p>　　always @ (posedge clk) </p><p><b>　　begin</b></p><p>　　if(cnt==8'b10001010) cnt<=8'b00000000;</p><p>　　else cnt<=cnt+1;</p>

41、<p><b>　　end </b></p><p>　　endmodule </p><p>　　module tonetaba(index,code,high,tone);//譯碼模塊的代碼</p><p>　　input [3:0]index;</p><p>　　output [3:0]code;

42、</p><p>　　output [10:0]tone;</p><p>　　output high;</p><p>　　reg [3:0]code;</p><p>　　reg [10:0]tone;</p><p><b>　　reg high;</b></p><p&

43、gt;　　always @ (index) </p><p><b>　　begin </b></p><p>　　case(index) </p><p>　　4'b0000: begin tone<=11'b11111111111; code<=4'b0000; high<=1'b0; en

44、d</p><p>　　4'b0001: begin tone<=11'b01100000101; code<=4'b0001; high<=1'b0; end</p><p>　　4'b0010: begin tone<=11'b01110010000; code<=4'b0010; high<=

45、1'b0; end</p><p>　　4'b0011: begin tone<=11'b10000001100; code<=4'b0011; high<=1'b0; end</p><p>　　4'b0101: begin tone<=11'b10010101101; code<=4'b010

46、1; high<=1'b0; end</p><p>　　4'b0110: begin tone<=11'b10100001010; code<=4'b0110; high<=1'b0; end</p><p>　　4'b0111: begin tone<=11'b10101011100; code<

47、;=4'b0111; high<=1'b0; end</p><p>　　4'b1000: begin tone<=11'b10110000010; code<=4'b0001; high<=1'b1; end</p><p>　　4'b1001: begin tone<=11'b10111001

48、000; code<=4'b0010; high<=1'b1; end</p><p>　　4'b1010: begin tone<=11'b11000000110; code<=4'b0011; high<=1'b1; end</p><p>　　4'b1100: begin tone<=11&#

49、39;b11001010110; code<=4'b0101; high<=1'b1; end</p><p>　　4'b1101: begin tone<=11'b11010000100; code<=4'b0110; high<=1'b1; end</p><p>　　4'b1111: begin t

50、one<=11'b11011000000; code<=4'b0001; high<=1'b1; end</p><p>　　default: begin tone<=11'bx; code<=4'bx; high<=1'bx; end</p><p><b>　　endcase</b>

51、;</p><p><b>　　end</b></p><p>　　endmodule </p><p>　　module speakera(clk1,tone,spks);//數(shù)控分頻器的代碼</p><p>　　input clk1;</p><p>　　input [10:0]tone;&l

52、t;/p><p>　　output spks;</p><p><b>　　reg spks;</b></p><p>　　reg preclk;</p><p>　　reg fullspks;</p><p>　　reg [3:0]count4;</p><p>　　reg

53、[10:0]count11;</p><p>　　always @ (posedge clk1)</p><p><b>　　begin </b></p><p>　　if(count4==4'b1000) begin preclk=1'b1; count4=4'b0000; end </p><p

54、>　　else begin count4=count4+1;preclk=1'b0; end</p><p><b>　　end </b></p><p>　　always @ (posedge preclk) </p><p><b>　　begin</b></p><p>　　if

55、 (count11==11'b00000100000) begin count11=tone; fullspks=1'b1; end</p><p>　　else begin count11=count11+1;fullspks=1'b0; end</p><p><b>　　end </b></p><p>　　al