FPGA設(shè)計-quartus《萬水千山總是情》歌曲播放器

《FPGA設(shè)計-quartus《萬水千山總是情》歌曲播放器》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《FPGA設(shè)計-quartus《萬水千山總是情》歌曲播放器（5頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、樂曲演奏系統(tǒng)設(shè)計1.1 系統(tǒng)原理傳統(tǒng)數(shù)字邏輯設(shè)計方法相比，本設(shè)計借助于功能強大的EDA工具和硬件描述語言來完成，如果只以純硬件的方法完成樂曲演奏電路的設(shè)計，將是難以實現(xiàn)的。本設(shè)計采用了萬水千山總是情（圖3-1）的一部分來曲子來完成。為了便于理解，首先介紹一下硬件電路的發(fā)聲原理。我們知道，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。而樂曲中的每一音符對應(yīng)著一個確定的頻率，因此，要想FPGA發(fā)出不用音符的音調(diào)，實際上只要控制它輸出相應(yīng)音符的頻率即可（音符和頻率的關(guān)系見表3-1）。樂曲都是由一連串的音符組成，因此按照樂曲

2、的樂譜依次輸出這些音符所對應(yīng)的頻率，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)聲是不夠的，還必須準確地控制樂曲的節(jié)奏，即每個音符的持續(xù)時間。由此可見，樂曲中每個音符的發(fā)音頻率及其持續(xù)的時間是樂曲能夠連續(xù)演奏的兩個關(guān)鍵因素。而簡易電子琴，工作原理與樂曲演奏一樣，只是將固定預(yù)置樂曲變成了手動按鍵輸入，節(jié)拍時間取決于按鍵的停留時間，如果合適，同樣能播放出完整的歌曲來。圖3-1萬水千山總是情曲譜1.1.1 音調(diào)的控制頻率的高低決定了音調(diào)的高低。音樂的十二平均率規(guī)定：每兩個八度音（如簡譜中的中音1和高音1）之間的頻率相差一倍。在兩個八度音之間又分為十二個半音。

3、另外，音名A（簡譜中的低音6）的頻率為440Hz，音名B到C之間、E到F之間為半音，其余為全音。由此可以計算出簡譜中從低音1到高音1之間每個音名對應(yīng)的頻率，所有不同頻率的信號都是從同一個基準頻率分頻得到的。由于音階頻率多為非整數(shù)，而分頻系數(shù)又不能為小數(shù)，因此必須將計算得到的分頻數(shù)四舍五入取整。若基準頻率過低，則由于分頻比太小，四舍五入取整后的誤差較大；若基準頻率過高，雖然誤差較小，但分頻數(shù)將變大。實際的設(shè)計應(yīng)綜合考慮這兩方面的因素，在盡量減小頻率誤差的前提下取合適的基準頻率。因此，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。綜合考慮各因素，本文中選取12MHZ作為C

4、LK的分頻計數(shù)器的輸入分頻信號。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)的頻率，就可以在揚聲器上連續(xù)地發(fā)出各個音符的音調(diào)。表3-1簡譜中的音名與頻率的關(guān)系音名頻率/Hz音名頻率/Hz音名頻率/Hz低音1261.6中音1523.3高音11045.5低音2293.7中音2587.3高音21174.7低音3329.6中音3659.3高音31318.5低音4349.2中音4698.5高音41396.9低音5392中音5784高音51568低音6440中音6880高音61760低音7493.9中音7987.8高音71975.51.1.2 音長的控制音符的持續(xù)時間須根據(jù)樂曲的速

5、度及每個音符的節(jié)拍數(shù)來確定。因此，在想控制音符的音長，就必須知道樂曲的速度和每個音符所對應(yīng)的節(jié)拍數(shù)，在這個設(shè)計中所演奏的樂曲的最短的音符為四分音符，如果將全音符的持續(xù)時間設(shè)為1s的話，那么一拍所應(yīng)該持續(xù)的時間為0.25秒，則只需要再提供一個4HZ的時鐘頻率即可產(chǎn)生四分音符的時長。要想讓系統(tǒng)知道現(xiàn)在應(yīng)該演奏哪個音符，而這個音符持續(xù)的時間應(yīng)該是多少，就必須編寫樂曲文件，在樂曲文件中音符是按地址存放的，當系統(tǒng)工作時就按4Hz的頻率依次讀取簡譜，當系統(tǒng)讀到某個音符的簡譜時就對應(yīng)發(fā)這個音符的音調(diào)，持續(xù)時間為0.25秒，而如果在曲譜文件中這個音符為三拍音長，那又該如何控制呢？其實只要將該音符連續(xù)書寫三遍，

6、這時系統(tǒng)讀樂曲文件的時候就會連續(xù)讀到三次，也就會發(fā)三個0.25秒的音長，這時我們聽上去就會持續(xù)了三拍的時間，通過這樣一個簡單的操作就可以控制音樂的音長了。1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)主要由四個功能模塊組成：NOTETABS.VHD，TONETABA.VHD和 SPEAKER.VHD。第一部分NOTETABS，地址發(fā)生器，實現(xiàn)按節(jié)拍讀樂譜的功能；第二部分TONETABA，查表電路，為SPEAKER提供分頻預(yù)置數(shù)，實現(xiàn)樂曲譯碼輸出CODE3：0；第三部分SPEAKERA，產(chǎn)生發(fā)音頻率，實現(xiàn)樂曲播放；第四部分ELECLOCK實現(xiàn)簡易電子琴功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如（圖3-2），該系統(tǒng)有三個輸入，五個輸出端口。三輸

7、入端口分別是：CLK 4HZ端口，作為節(jié)拍脈沖信號輸入端口；CLK 12MHZ端口，作為發(fā)音頻率初始信號輸入端口；KEYIN輸入端口，作為簡易電子琴音符輸入端口。五輸出端口分別是：CODE輸出端口，作為音符簡碼輸出LED顯示端口；HIGH輸出端口，作為音符高8度指示端口；SPKS輸出端口，作為萬水千山總是情樂曲的聲音輸出端口；BUZZOUT輸出端口，作為簡易電子琴聲音輸出端口；LEDOUT輸出端口，作為簡易電子琴輸入音符顯示端口。圖3-2系統(tǒng)功能模塊組成圖1.3 各模塊分析與設(shè)計1.3.1 定制萬水千山總是情音符數(shù)據(jù)ROM為了實現(xiàn)樂曲的播放，首先需要將曲譜定制到音符數(shù)據(jù)ROM里面，然后才能按照

8、一定的節(jié)拍從ROM中讀出曲譜。由于所選曲子中不含高音，我們轉(zhuǎn)換關(guān)系如（表3-2）：表3-2音符與ROM中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)系低音ROM中十進制表示ROM中十六進制表示中音ROM中十進制表示ROM中十六進制表示110118082202290933033100A44044110B55055120C66066130D77077140E1.3.2 音符數(shù)據(jù)地址發(fā)生器模塊NOTETABSNOTETABS中設(shè)置了一個8位二進制計數(shù)器（計數(shù)最大值138），作為音符數(shù)據(jù)的地址發(fā)生器。隨著NOTETABS中的計數(shù)器按照4HZ的時鐘速率作加法計數(shù)時，每讀一個數(shù)據(jù)，音符持續(xù)時間為0.25秒，如音符數(shù)據(jù)中的中音3，為一拍，持

9、續(xù)時間1秒，所以，音符數(shù)據(jù)ROM中需要重復(fù)寫四次地址0A，隨著4HZ時鐘速率讀取地址遞增，音符數(shù)據(jù)ROM中的音符數(shù)據(jù)將通過模塊NOTETABS中ToneIndex3.0端口輸向TONETABA模塊。1.3.3 預(yù)置數(shù)查表電路電路模塊TONETABA音符的持續(xù)時間須根據(jù)樂曲的速度及每個音符的節(jié)拍數(shù)來確定，（圖3-2）中模塊 TONETABA的功能首先是為SPEAKERA提供決定音符發(fā)音的分頻預(yù)置數(shù)，而此數(shù)在SPEAKERA輸入口停留時間即為此音符的節(jié)拍值。模塊TONETABA是樂曲簡譜碼對應(yīng)的分頻預(yù)置數(shù)查表電路，其中設(shè)置了萬水千山總是情樂曲全部音符所對應(yīng)的分頻預(yù)置數(shù)，共9個，每一個音符的停留時間

10、由音樂節(jié)拍和音調(diào)發(fā)生器模塊TONETABS的CLK輸入頻率決定，在此時為4HZ。每一個計數(shù)值停留時間為0.25秒，恰為當全音符為1秒時，四四拍的4 分音符持續(xù)時間。這9個值的輸出由對應(yīng)于TONETABA的4位輸入值Index3.0確定，而Index3.0最多有16種選擇。輸向TONETABA中Index3.0的值 ToneIndex3.0的輸出值與持續(xù)的時間由模塊NOTETABAS決定。1.3.4 發(fā)聲頻率產(chǎn)生模塊SPEAKERA這是樂曲演奏電路最重要的模塊，由它產(chǎn)生樂曲發(fā)音所需要的對應(yīng)頻率。此模塊的核心是一個可預(yù)置數(shù)控分頻器，下面是可預(yù)置數(shù)控分頻器的原理介紹：它是由一個初值可變的加法計數(shù)器組

11、成。為了得到合適的發(fā)音頻率，在進行預(yù)置計數(shù)分頻之前需要將本文選擇的12MHZ初始頻率信號進行十六分頻，采用四位加法計數(shù)方式分頻，當輸入一個脈沖信號，計數(shù)器做一次加法計數(shù)，此時輸入信號脈寬展寬一倍（即進行一次二分頻），十六分頻后得到0.75MHZ輸入頻率。由于數(shù)控分頻器輸出的信號是脈寬很窄的信號，為了有利于驅(qū)動揚聲器發(fā)音，需要加一個D觸發(fā)器以均衡占空比，但這樣一來，此時頻率變?yōu)樵瓉淼亩种患?.375MHZ?？深A(yù)置計數(shù)分頻器就是將0.375MHZ按照各音符發(fā)音所需要的頻率值進行預(yù)置數(shù)分頻。這里計數(shù)器設(shè)為11位（Tone10.0），模為2047（預(yù)置數(shù)可由預(yù)置數(shù)查表電路模塊TONETABA查得）

12、。若取音符3發(fā)音頻率為659HZ，需要將0.375MHZ進行約569次分頻才能得到此頻率。預(yù)置數(shù)即可用公式“模分頻系數(shù)預(yù)置數(shù)Tone10.0”算出，此時為“20475691478（換成11位二進制計數(shù)為10111000110）”。表3-3萬水千山總是情各音階對應(yīng)的分頻預(yù)置數(shù)關(guān)系音符分頻預(yù)置數(shù)二進制碼音符分頻預(yù)置數(shù)二進制碼中音1132910100110001中音5156811000100000中音2140810110000000中音6162011001010100中音3147810111000110低音5108710000111111中音4151010111100110低音6119410010101010