FPGA設(shè)計(jì)-quartus《萬(wàn)水千山總是情》歌曲播放器

樂(lè)曲演奏系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.1 系統(tǒng)原理傳統(tǒng)數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)方法相比，本設(shè)計(jì)借助于功能強(qiáng)大的EDA工具和硬件描述語(yǔ)言來(lái)完成，如果只以純硬件的方法完成樂(lè)曲演奏電路的設(shè)計(jì)，將是難以實(shí)現(xiàn)的。本設(shè)計(jì)采用了萬(wàn)水千山總是情（圖3-1）的一部分來(lái)曲子來(lái)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(lái)控制FPGA某個(gè)引腳輸出一定頻率的矩形波，接上揚(yáng)聲器就能發(fā)出相應(yīng)頻率的聲音。而樂(lè)曲中的每一音符對(duì)應(yīng)著一個(gè)確定的頻率，因此，要想FPGA發(fā)出不用音符的音調(diào)，實(shí)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(jiàn)表3-1）。樂(lè)曲都是由一連串的音符組成，因此按照樂(lè)曲的樂(lè)譜依次輸出這些音符所對(duì)應(yīng)的頻率，就可以在揚(yáng)聲器上連續(xù)地發(fā)出各個(gè)音符的音調(diào)。而要準(zhǔn)確地演奏出一首樂(lè)曲，僅僅讓揚(yáng)聲器能夠發(fā)聲是不夠的，還必須準(zhǔn)確地控制樂(lè)曲的節(jié)奏，即每個(gè)音符的持續(xù)時(shí)間。由此可見(jiàn)，樂(lè)曲中每個(gè)音符的發(fā)音頻率及其持續(xù)的時(shí)間是樂(lè)曲能夠連續(xù)演奏的兩個(gè)關(guān)鍵因素。而簡(jiǎn)易電子琴，工作原理與樂(lè)曲演奏一樣，只是將固定預(yù)置樂(lè)曲變成了手動(dòng)按鍵輸入，節(jié)拍時(shí)間取決于按鍵的停留時(shí)間，如果合適，同樣能播放出完整的歌曲來(lái)。圖3-1萬(wàn)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(lè)的十二平均率規(guī)定：每?jī)蓚€(gè)八度音（如簡(jiǎn)譜中的中音1和高音1）之間的頻率相差一倍。在兩個(gè)八度音之間又分為十二個(gè)半音。另外，音名A（簡(jiǎn)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(jì)算出簡(jiǎn)譜中從低音1到高音1之間每個(gè)音名對(duì)應(yīng)的頻率，所有不同頻率的信號(hào)都是從同一個(gè)基準(zhǔn)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(jì)算得到的分頻數(shù)四舍五入取整。若基準(zhǔn)頻率過(guò)低，則由于分頻比太小，四舍五入取整后的誤差較大；若基準(zhǔn)頻率過(guò)高，雖然誤差較小，但分頻數(shù)將變大。實(shí)際的設(shè)計(jì)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(zhǔn)頻率。因此，要想FPGA發(fā)出不同音符的音調(diào)，實(shí)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CLK的分頻計(jì)數(shù)器的輸入分頻信號(hào)。樂(lè)曲都是由一連串的音符組成，因此按照樂(lè)曲的樂(lè)譜依次輸出這些音符所對(duì)應(yīng)的頻率，就可以在揚(yáng)聲器上連續(xù)地發(fā)出各個(gè)音符的音調(diào)。表3-1簡(jiǎn)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(zhǎng)的控制音符的持續(xù)時(shí)間須根據(jù)樂(lè)曲的速度及每個(gè)音符的節(jié)拍數(shù)來(lái)確定。因此，在想控制音符的音長(zhǎng)，就必須知道樂(lè)曲的速度和每個(gè)音符所對(duì)應(yīng)的節(jié)拍數(shù)，在這個(gè)設(shè)計(jì)中所演奏的樂(lè)曲的最短的音符為四分音符，如果將全音符的持續(xù)時(shí)間設(shè)為1s的話，那么一拍所應(yīng)該持續(xù)的時(shí)間為0.25秒，則只需要再提供一個(gè)4HZ的時(shí)鐘頻率即可產(chǎn)生四分音符的時(shí)長(zhǎng)。要想讓系統(tǒng)知道現(xiàn)在應(yīng)該演奏哪個(gè)音符，而這個(gè)音符持續(xù)的時(shí)間應(yīng)該是多少，就必須編寫樂(lè)曲文件，在樂(lè)曲文件中音符是按地址存放的，當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)就按4Hz的頻率依次讀取簡(jiǎn)譜，當(dāng)系統(tǒng)讀到某個(gè)音符的簡(jiǎn)譜時(shí)就對(duì)應(yīng)發(fā)這個(gè)音符的音調(diào)，持續(xù)時(shí)間為0.25秒，而如果在曲譜文件中這個(gè)音符為三拍音長(zhǎng)，那又該如何控制呢？其實(shí)只要將該音符連續(xù)書寫三遍，這時(shí)系統(tǒng)讀樂(lè)曲文件的時(shí)候就會(huì)連續(xù)讀到三次，也就會(huì)發(fā)三個(gè)0.25秒的音長(zhǎng)，這時(shí)我們聽(tīng)上去就會(huì)持續(xù)了三拍的時(shí)間，通過(guò)這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的操作就可以控制音樂(lè)的音長(zhǎng)了。1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)主要由四個(gè)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(shí)現(xiàn)按節(jié)拍讀樂(lè)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(shí)現(xiàn)樂(lè)曲譯碼輸出CODE3：0；第三部分SPEAKERA，產(chǎn)生發(fā)音頻率，實(shí)現(xiàn)樂(lè)曲播放；第四部分ELECLOCK實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)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(gè)輸入，五個(gè)輸出端口。三輸入端口分別是：CLK 4HZ端口，作為節(jié)拍脈沖信號(hào)輸入端口；CLK 12MHZ端口，作為發(fā)音頻率初始信號(hào)輸入端口；KEYIN輸入端口，作為簡(jiǎn)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(jiǎn)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(wàn)水千山總是情樂(lè)曲的聲音輸出端口；BUZZOUT輸出端口，作為簡(jiǎn)易電子琴聲音輸出端口；LEDOUT輸出端口，作為簡(jiǎn)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(jì)1.3.1 定制萬(wàn)水千山總是情音符數(shù)據(jù)ROM為了實(shí)現(xiàn)樂(lè)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(jìn)制表示ROM中十六進(jìn)制表示中音ROM中十進(jìn)制表示ROM中十六進(jìn)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(gè)8位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器（計(jì)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(jì)數(shù)器按照4HZ的時(shí)鐘速率作加法計(jì)數(shù)時(shí)，每讀一個(gè)數(shù)據(jù)，音符持續(xù)時(shí)間為0.25秒，如音符數(shù)據(jù)中的中音3，為一拍，持續(xù)時(shí)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(shí)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(guò)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(shí)間須根據(jù)樂(lè)曲的速度及每個(gè)音符的節(jié)拍數(shù)來(lái)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(shí)間即為此音符的節(jié)拍值。模塊TONETABA是樂(lè)曲簡(jiǎn)譜碼對(duì)應(yīng)的分頻預(yù)置數(shù)查表電路，其中設(shè)置了萬(wàn)水千山總是情樂(lè)曲全部音符所對(duì)應(yīng)的分頻預(yù)置數(shù)，共9個(gè)，每一個(gè)音符的停留時(shí)間由音樂(lè)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(shí)為4HZ。每一個(gè)計(jì)數(shù)值停留時(shí)間為0.25秒，恰為當(dāng)全音符為1秒時(shí)，四四拍的4 分音符持續(xù)時(shí)間。這9個(gè)值的輸出由對(duì)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(shí)間由模塊NOTETABAS決定。1.3.4 發(fā)聲頻率產(chǎn)生模塊SPEAKERA這是樂(lè)曲演奏電路最重要的模塊，由它產(chǎn)生樂(lè)曲發(fā)音所需要的對(duì)應(yīng)頻率。此模塊的核心是一個(gè)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(gè)初值可變的加法計(jì)數(shù)器組成。為了得到合適的發(fā)音頻率，在進(jìn)行預(yù)置計(jì)數(shù)分頻之前需要將本文選擇的12MHZ初始頻率信號(hào)進(jìn)行十六分頻，采用四位加法計(jì)數(shù)方式分頻，當(dāng)輸入一個(gè)脈沖信號(hào)，計(jì)數(shù)器做一次加法計(jì)數(shù)，此時(shí)輸入信號(hào)脈寬展寬一倍（即進(jìn)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(hào)是脈寬很窄的信號(hào)，為了有利于驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)音，需要加一個(gè)D觸發(fā)器以均衡占空比，但這樣一來(lái)，此時(shí)頻率變?yōu)樵瓉?lái)的二分之一即0.375MHZ。可預(yù)置計(jì)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(jìn)行預(yù)置數(shù)分頻。這里計(jì)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）。若取音符3發(fā)音頻率為659HZ，需要將0.375MHZ進(jìn)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(shí)為“20475691478（換成11位二進(jìn)制計(jì)數(shù)為10111000110）”。表3-3萬(wàn)水千山總是情各音階對(duì)應(yīng)的分頻預(yù)置數(shù)關(guān)系音符分頻預(yù)置數(shù)二進(jìn)制碼音符分頻預(yù)置數(shù)二進(jìn)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