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1、子信息科學與技術(shù)專業(yè)課程設(shè)計任務書
學生姓名
專業(yè)班級
學號
題 目
樂曲自動播放器
課題性質(zhì)
工程設(shè)計
課題來源
自擬課題
指導教師
同組姓名
主要內(nèi)容
自行選擇一首自己喜愛的經(jīng)典樂曲，用FPGA設(shè)計實現(xiàn)一個該曲目的自動演奏電路。
任務要求
（1）根據(jù)設(shè)計題目要求編寫相應程序代碼
（2）對編寫的VHDL程序代碼進行編譯和仿真
（3）利用實驗箱完成硬件驗證
（4）總結(jié)設(shè)計內(nèi)容，完成課程設(shè)計說明書
參考文獻
[1]曹昕燕. <>.北京： 清華大學出版社，2004年
[2]焦素敏. <<
2、EDA 應用技術(shù) >>. 北京： 清華大學出版社,2005年
[3]焦素敏. <>. 河南工業(yè)大學，2008年
[4]黃智偉. <>. 電子工業(yè)出版社，2005年
[5]劉昌華. <<數(shù)字邏輯EDA設(shè)計與實踐>>. 國防工業(yè)出版社，2005年
審查意見
指導教師簽字：
教研室主任簽字： 2011年月日
一、 設(shè)計任務及要求：
（1）根據(jù)設(shè)計題目要求編寫相應程序代碼。
（2）對編寫的VHDL程序代碼進行編譯和仿真。
（3）利用實驗箱完成硬件驗證。
（4）總結(jié)設(shè)
3、計內(nèi)容，完成課程設(shè)計說明書。
用VHDL語言設(shè)計樂音的節(jié)拍與音符產(chǎn)生電路；用VHDL語言設(shè)計可控分頻器電路；最后能夠采用FPGA芯片進行音樂播放。
二、 設(shè)計原理及總體框圖：
音調(diào)發(fā)生
音調(diào)編碼
數(shù)控分頻
總體框圖
產(chǎn)生音樂的兩個因素是音樂頻率和音樂的持續(xù)時間，以純硬件完成演奏電路比利用微處理器（CPU）來實現(xiàn)樂曲演奏要復雜的多，如果不借助于功能強大的EDA工具和硬件描述語言，憑借傳統(tǒng)的數(shù)字邏輯技術(shù)，即使最簡單的演奏電路也難以實現(xiàn)。根據(jù)設(shè)計要求，樂曲硬件演奏電路系統(tǒng)主要由數(shù)控分頻器和樂曲存儲模塊組成。數(shù)控分頻器對FPGA的基準頻率進行分頻，得到與各個音階對應的頻率
4、輸出。樂曲存儲模塊產(chǎn)生節(jié)拍控制和音階選擇信號，即在此模塊中可存放一個樂曲曲譜真值表，由一個計數(shù)器來控制此真值表的輸出，而由計數(shù)器的計數(shù)時鐘信號作為樂曲節(jié)拍控制信號。
1、音名與頻率的關(guān)系
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與高音１）之間的頻率相差一倍．在兩個八度音之間，又可分為十二個半音，每兩個半音的頻率比為4。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之間每個音名的頻率如表1所示.
表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
5、
低音1
中音1
高音1
低音2
中音2
高音2
低音3
中音3
高音3
低音4
中音4
高音4
低音5
中音5
高音5
低音6
440
中音6
880
高音6
1760
低音7
中音7
高音7
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)，故必須將得到的分頻數(shù)四舍五入取整。若基準頻率過低，則由于分頻系數(shù)過小，四舍五入取整后的誤差較大，若基準頻率過高，雖然誤碼差變小，但分頻結(jié)構(gòu)將變大。實際的設(shè)計應綜合考慮兩方面的因素,在盡量減小頻率誤差的前提下取舍合適的基準頻率。本例中選取
6、4MHz的基準頻率，若無4MHz的時鐘頻率，實際上,只要各個音名間的相對品頻率關(guān)系不變，C作1與D作1演奏出的音樂聽起來都不會“走調(diào)”。
各音階頻率及相應的分頻系數(shù)如表2所示。為了減少輸出的偶次諧波分量，最后輸出到揚聲器的波形應為對稱方波，因此在到達揚聲器之前，有一個二分頻的分頻器。表2中的分頻系數(shù)就是從4MHZ頻率二分頻得到的2MHZ頻率基礎(chǔ)上計算得出的。
表2 各音階頻率對應的分頻值
音名
分頻系數(shù)
初始值
音名
分頻系數(shù)
初始值
音名
分頻系數(shù)
初始值
低音1
7644
547
中音1
3822
4369
高音1
1911
6280
低音2
6
7、810
1381
中音2
3405
4786
高音2
1270
6921
低音3
6067
2124
中音3
3034
5157
高音3
1517
6674
低音4
5727
2464
中音4
2864
5327
高音4
1432
6759
低音5
5102
3089
中音5
2551
5640
高音5
1256
6935
低音6
4545
3646
中音6
2273
5918
高音6
1137
7054
低音7
4050
4141
中音7
2025
6166
高音7
1013
7178
8、由于最大的分頻系數(shù)為7644，故采用13位二進制計數(shù)器已能滿足分頻要求。在表2,除給出了分頻比以外，給出了對應于各個音階頻率時計數(shù)器不同的初始值，對于樂曲中的休止符，要將分頻系數(shù)設(shè)為0，即初始值為8191即可，此時揚聲器將不會發(fā)聲。對于不同的分頻系數(shù)，加載不同的初始值即可。用加載初始值而不是將分頻輸出譯碼反饋，可以有效地減少本設(shè)計占用可編程邏輯器件的資源，也是同步計數(shù)器的一個常用設(shè)計技巧。
當一個4Hz的時鐘脈沖來到時，樂譜發(fā)生器模塊輸出一個音符數(shù)據(jù)給分頻系數(shù)模塊，分頻系數(shù)模塊輸出此音符相應的分頻系數(shù)，將分頻系數(shù)送給數(shù)控分頻器模塊，當12MHz的時鐘脈沖來到時，數(shù)控分頻器就根據(jù)分頻系數(shù)輸出相
9、應的頻率(即此音符所對應的發(fā)生頻率)給揚聲器，揚聲器就可發(fā)出對應音符的聲音來.連續(xù)的4Hz的時鐘脈沖就將樂譜發(fā)生器里所存儲的音符數(shù)據(jù)一個接一個的送給了分頻系數(shù)模塊，再經(jīng)過數(shù)控分頻模塊,最后揚聲器一個接一個的發(fā)出音符數(shù)據(jù)所對應的聲音來。曲子也就流暢的播放出來了.
樂曲演奏頂層原理圖
三、 程序設(shè)計：
1、NOTETABS模塊
LIBRARY IEEE;
.ALL;
ENTITY notetabs IS
PORT(clk :IN STD_LOGIC;
toneindex: OUT INTEGER RANGE 0 TO 15);
END;
ARCHITECT
10、URE one OF notetabs IS
SIGNAL counter:INTEGER RANGE 0 TO 139;
BEGIN
CNT8:PROCESS(clk)
BEGIN
IF counter=127 THEN counter<=0;
ELSIF(clk'EVENT AND clk='1') THEN
counter<=counter+1;
END IF;
END PROCESS;
SEARCH:PROCESS(counter)
BEGIN
CASE counter IS
11、WHEN 00 => toneindex<=10;
WHEN 01 => toneindex<=10;
WHEN 02 => toneindex<=12;
WHEN 03 => toneindex<=12;
WHEN 04 => toneindex<=15;
WHEN 05 => toneindex<=15;
WHEN 06 => toneindex<=15;
WHEN 07 => toneindex<=15;
WHEN 08 => toneindex<=15;
WHEN 09 => toneindex<=15;
WHEN 10 =>
12、toneindex<=15;
WHEN 11 => toneindex<=15;
WHEN 12 => toneindex<=15;
WHEN 13 => toneindex<=15;
WHEN 14 => toneindex<=15;
WHEN 15 => toneindex<=15;
WHEN 16 => toneindex<=13;
WHEN 17 => toneindex<=13;
WHEN 18 => toneindex<=12;
WHEN 19 => toneindex<=12;
WHEN 20 => to
13、neindex<=13;
WHEN 21 => toneindex<=13;
WHEN 22 => toneindex<=15;
WHEN 23 => toneindex<=15;
WHEN 24 => toneindex<=10;
WHEN 25 => toneindex<=10;
WHEN 26 => toneindex<=9;
WHEN 27 => toneindex<=9;
WHEN 28 => toneindex<=8;
WHEN 29 => toneindex<=8;
WHEN 30 => toneinde
14、x<=8;
WHEN 31 => toneindex<=8;
WHEN 32 => toneindex<=8;
WHEN 33 => toneindex<=8;
WHEN 34 => toneindex<=8;
WHEN 35 => toneindex<=8;
WHEN 36 => toneindex<=8;
WHEN 37 => toneindex<=8;
WHEN 38 => toneindex<=15;
WHEN 39 => toneindex<=15;
WHEN 40 => toneindex<=15;
WHEN
15、 41 => toneindex<=15;
WHEN 42 => toneindex<=13;
WHEN 43 => toneindex<=13;
WHEN 44 => toneindex<=12;
WHEN 45 => toneindex<=12;
WHEN 46 => toneindex<=10;
WHEN 47 => toneindex<=10;
WHEN 48 => toneindex<=9;
WHEN 49 => toneindex<=9;
WHEN 50 => toneindex<=8;
WHEN 51 => t
16、oneindex<=9;
WHEN 52 => toneindex<=9;
WHEN 53 => toneindex<=9;
WHEN 54 => toneindex<=9;
WHEN 55 => toneindex<=9;
WHEN 56 => toneindex<=9;
WHEN 57 => toneindex<=9;
WHEN 58 => toneindex<=9;
WHEN 59 => toneindex<=9;
WHEN 60 => toneindex<=10;
WHEN 61 => toneindex<=10;
17、 WHEN 62 => toneindex<=12;
WHEN 63 => toneindex<=12;
WHEN 64 => toneindex<=15;
WHEN 65 => toneindex<=15;
WHEN 66 => toneindex<=15;
WHEN 67 => toneindex<=15;
WHEN 68 => toneindex<=15;
WHEN 69 => toneindex<=15;
WHEN 70 => toneindex<=15;
WHEN 71 => toneindex<=15;
WHE
18、N 72 => toneindex<=15;
WHEN 73 => toneindex<=15;
WHEN 74 => toneindex<=15;
WHEN 75 => toneindex<=15;
WHEN 76 => toneindex<=13;
WHEN 77 => toneindex<=13;
WHEN 78 => toneindex<=12;
WHEN 79 => toneindex<=12;
WHEN 80 => toneindex<=13;
WHEN 81 => toneindex<=13;
WHEN 82 => t
19、oneindex<=15;
WHEN 83 => toneindex<=15;
WHEN 84 => toneindex<=10;
WHEN 85 => toneindex<=10;
WHEN 86 => toneindex<=9;
WHEN 87 => toneindex<=9;
WHEN 88 => toneindex<=8;
WHEN 89 => toneindex<=8;
WHEN 90 => toneindex<=8;
WHEN 91 => toneindex<=8;
WHEN 92 => toneindex<=8;
20、 WHEN 93 => toneindex<=8;
WHEN 94 => toneindex<=8;
WHEN 95 => toneindex<=8;
WHEN 96 => toneindex<=8;
WHEN 97 => toneindex<=8;
WHEN 98 => toneindex<=15;
WHEN 99 => toneindex<=15;
WHEN 100 => toneindex<=15;
WHEN 101 => toneindex<=15;
WHEN 102 => toneindex<=13;
WHE
21、N 103 => toneindex<=13;
WHEN 104 => toneindex<=12;
WHEN 105 => toneindex<=12;
WHEN 106 => toneindex<=10;
WHEN 107 => toneindex<=10;
WHEN 108 => toneindex<=9;
WHEN 109 => toneindex<=9;
WHEN 110 => toneindex<=8;
WHEN 111 => toneindex<=8;
WHEN 112 => toneindex<=8;
22、 WHEN 113 => toneindex<=8;
WHEN 114 => toneindex<=8;
WHEN 115 => toneindex<=8;
WHEN 116 => toneindex<=8;
WHEN 117 => toneindex<=8;
WHEN 118 => toneindex<=8;
WHEN 119 => toneindex<=8;
WHEN 120 => toneindex<=10;
WHEN 121 => toneindex<=10;
WHEN 122 => toneindex<=12;
23、 WHEN 123 => toneindex<=12;
WHEN 124 => toneindex<=15;
WHEN 125 => toneindex<=15;
WHEN 126 => toneindex<=15;
WHEN 127 => toneindex<=15;
WHEN 128 => toneindex<=15;
WHEN 129 => toneindex<=15;
WHEN 130 => toneindex<=15;
WHEN 131 => toneindex<=15;
WHEN 132 => toneindex<=14;
WHEN 133 =>
24、toneindex<=14;
WHEN 134 => toneindex<=14;
WHEN 135 => toneindex<=14;
WHEN 136 => toneindex<=13;
WHEN 137 => toneindex<=13;
WHEN 138 => toneindex<=12;
WHEN 139 => toneindex<=12;
WHEN OTHERS=>NULL;
END CASE;
END PROCESS;
END;
2、TONETABA模塊
LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164
25、.ALL;
ENTITY Tonetaba IS
PORT(index : IN INTEGER RANGE 0 TO 15;
code : OUT INTEGER RANGE 0 TO 15;
high : OUT STD_LOGIC ;
tone : OUT INTEGER RANGE 0 TO 16#7FF# );
END;
ARCHITECTURE one OF Tonetaba IS
BEGIN
SEARCH: PROCESS(index)
BEGIN
CASE index
26、 IS
WHEN 0 => tone<=2047;code<=0;high<='0';
WHEN 1 => tone<=773;code<=1;high<='0';
WHEN 2 => tone<=912;code<=2;high<='0';
WHEN 3 => tone<=1036;code<=3;high<='0';
WHEN 5 => tone<=1197;code<=5;high<='0';
WHEN 6 => tone<=1290;code<=6;high<='0';
WHEN 7 => tone<=
27、1372;code<=7;high<='0';
WHEN 8 => tone<=1410;code<=1;high<='1';
WHEN 9 => tone<=1480;code<=2;high<='1';
WHEN 10=> tone<=1542;code<=3;high<='1';
WHEN 12 => tone<=1622;code<=5;high<='1';
WHEN 13 => tone<=1668;code<=6;high<='1';
WHEN 15 => tone<=1728;code<=1;high<='1
28、';
WHEN OTHERS => NULL;
END CASE;
END PROCESS;
END;
3、SPEAKERA模塊
LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITY speakera IS
PORT(clk :IN STD_LOGIC;
tone:IN INTEGER RANGE 0 TO 16#7FF#;
spks: OUT STD_LOGIC);
END;
ARCHITECTURE one OF speakera IS
SIGNAL pre
29、clk:STD_LOGIC;
SIGNAL fullspks:STD_LOGIC;
BEGIN
divideclk:PROCESS(clk)
VARIABLE count4:INTEGER RANGE 0 TO 15;
BEGIN
preclk<='0';
IF count4>11 THEN preclk<='1';count4:=0;
ELSIF clk'EVENT AND clk='1' THEN count4:=count4+1;
END IF;
END PROCESS;
genspks:PROCESS(preclk,ton
30、e)
VARIABLE count11: INTEGER RANGE 0 TO 16#7FF#;
BEGIN
IF preclk'EVENT AND preclk='1' THEN
IF count11=16#7FF# THEN
count11:= tone;
fullspks<='1';
ELSE
count11:=count11+1;
fullspks<='0';
END IF;
END IF;
END PROCESS
31、;
delaysks:PROCESS(fullspks)
VARIABLE count2:STD_LOGIC;
BEGIN
IF fullspks 'EVENT AND fullspks='1' THEN
count2:= NOT count2;
IF count2='1' THEN spks<='1';
ELSE spks<='0';
END IF;
END IF;
END PROCESS;
END;
4、SONGER
LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.AL
32、L;
ENTITY SONGER IS
PORT(CLK12MHZ : IN STD_LOGIC;
CLK8HZ: IN STD_LOGIC;
CODE1 : OUT INTEGER RANGE 0 TO 15 ;
HIGH1: OUT STD_LOGIC;
SPKOUT: OUT STD_LOGIC );
END;
ARCHITECTURE ONE OF SONGER IS
COMPONENT NOTETABS
PORT(CLK:IN STD_LOGIC;
33、 TONEINDEX: OUT INTEGER RANGE 0 TO 15);
END COMPONENT;
COMPONENT TONETABA
PORT(INDEX: IN INTEGER RANGE 0 TO 15 ;
CODE: OUT INTEGER RANGE 0 TO 15 ;
HIGH: OUT STD_LOGIC;
TONE: OUT INTEGER RANGE 0 TO 16#7FF#);
END COMPONENT;
34、 COMPONENT SPEAKERA
PORT(CLK:IN STD_LOGIC;
TONE:IN INTEGER RANGE 0 TO 16#7FF#;
SPKS:OUT STD_LOGIC);
END COMPONENT;
SIGNAL TONE: INTEGER RANGE 0 TO 16#7FF#;
SIGNAL TONEINDEX: INTEGER RANGE 0 TO 15;
BEGIN
U1:NOTETABS PORT MAP(CLK=>CLK8HZ,TONEINDEX=>TONEINDEX);
U2
35、:TONETABA PORT MAP(INDEX=>TONEINDEX,TONE=>TONE,CODE=>CODE1,HIGH=>HIGH1);
U3:SPEAKERA PORT MAP(CLK=>CLK12MHZ,TONE=>TONE,SPKS=>SPKOUT);
END;
四、編譯及仿真：
NOTETABS模塊的仿真
TONETABA模塊的仿真
SPEAKERA模塊的仿真
頂層文件仿真圖
五、硬件調(diào)試及結(jié)果分析
頂層文件編譯仿真好之后，通過電腦連接到硬件上，下載頂層文件到FPGA里，下載完畢之后，輸入clk12MHz與clock9相接，接收12MHz時鐘頻
36、率，輸入clk8Hz與clock2相接，接收4Hz的時鐘頻率。發(fā)音輸出SPKOUT接speaker，HIGH是高八度音指示,code1輸出是演奏發(fā)音相對應的簡譜碼。然后 就能聽到對應的樂曲。
六、參考文獻：
[1]曹昕燕. <>.北京： 清華大學出版社，2004年
[2]焦素敏. <>. 北京： 清華大學出版社,2009年
[3]焦素敏. <>. 河南工業(yè)大學，2008年
[4]黃智偉. <>. 電子工業(yè)出版社，2005年
[5]劉昌華. <<數(shù)字邏輯EDA設(shè)計與實踐>>. 國防工業(yè)出版社，2005年
七、心得體會：
通過這次課程設(shè)計，我的EDA得到了很大的提高。剛開始沒有思路，也是參考網(wǎng)絡(luò)和書籍，還有同學的幫助，才能完成。當然中間也有很多的問題。例如以前對LPM_ROM不是很熟悉，通過音樂播放器對它有了進一步的了解。也大大的鍛煉了我們的動手能力。團結(jié)的力量是巨大的。
eda課程設(shè)計VHDL 音樂播放器
