乐曲硬件演奏电路设计

FPGA 实 验 报 告

乐曲硬件演奏电路设计

班级：13电信卓越班 姓名：钟地长 学号：130802066 日期：2015-4-26

一、实验目的

1.熟悉QuartusII 软件的使用。

2.熟悉EDA实验开发系统的基本使用。

3.学习VHDL基本单元电路的设计应用。进一步掌握EDA的多层次设计方法。 4.学习设计硬件乐曲演奏电路以及相关的控制电路。 梁祝乐曲演奏谱码

三．实验原理

1、乐曲硬件电路产生音乐是和音乐频率和音乐的持续时间有关；音符的持续时间需根据乐曲的速度和每个音符的节拍数来确定。

2、该演奏电路演奏的乐曲是《梁祝》，其最小的节拍为1拍，将1拍的时长定位0.2S，则只需要再提供一个5hz的时钟频率即可产生1拍的时长，演奏的时间控制通过ROM查表的方式来完成。对于占用时间较长的节拍，（一定是节拍的整数倍），如全音符为4拍，2/4音符为2拍，1/4音符为1拍。 3、乐曲硬件演奏电路系统主要有音调分频器和乐曲存储ROM模块两个部分组成，其余还有音乐节拍发生器等等。音调分频器对1mhz（由基准频率产生）的频率进行分频，得到与各个音节对应的频率输出。乐曲存储模块产生节拍控制和音阶选择信号，即在此模块中存放一个乐曲曲谱真值表（实验中用的ROM存储），由一个计数器来控制此真值表的输出，而由计数器的技术时钟信号作为乐曲节拍

控制信号。

4、其中1MHz和2kHz的频率由基准频率分频产生，分别作用给每个模块。 四、方案设计 a. 设计分析：

实验中采用层次化设计思路，音乐发生器的设计包括四个模块：时钟分频模块fdiv、自动演奏模块autoplay、查表及显示模块table、音调分频模块fenpin。 分好层次之后，编写每个模块的程序。

时钟分频模块fdiv通过基准时钟频率clk(50mhz)产生两个时钟信号clk1(1mhz),clk2(5hz)。

自动演奏模块autoplay接收clk1的时钟信号，输出index_auto。

查表及显示模块table利用index_auto查找并输出分频系数tone。同时将音调对应的给三个数码管，分别显示高中低音符。

音调分频模块fenpin接收tabled输出的分频系数 tone，并据此分频，将对应频率的信号buzz输出给扬声器供其发声。

b．流程图：

c、电路图设计如下：

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五．实验过程

1. 乐曲长度控制计数器CNT138T

该模块是一个8位二进制计数器，内部设置计数的最大值位139，作为音符数据ROM的地址发生器。地址发生器模块设置了一个8位二进制计数器(计数最大值为256)，作为音符数据ROM的地址发生器。每来一个时钟脉冲信号(Clk)，8位二进制计数器就计数一次，ROM文件中的地址也就随着递增，音符数据ROM中的音符也就一个接一个连续的取出来了。

这个计数器的计数频率选为4Hz，即每一计数值的停留时间为0.25秒，恰为当全音符设为1秒，四四拍的4分音符持续时间。例如，地址发生器在以下的VHDL逻辑描述中，“梁祝”乐曲的第一个音符为“3”，此音在逻辑中停留了4个时钟节拍，即1秒时间。那么相应随着程序[4]中的计数器按4Hz的时钟频率作加法计数时，即随地址递增时，将从音符数据ROM中将连续取出4个音符“3”通过q[3..0]端口输向分频预置数模块。这样梁祝乐曲中的音符就一个接一个的通过q[3..0]端口输向分频预置数模块。这个计数器的计数频率是4Hz。即每一个计数值的停留时间为0.25秒，即当全音符设为1秒时，4/4拍的4分音符持续时间。确定输入程序无误，把程序例化成相应功能的模块。 其例化的程序如下：

module CNT138T (CLK,CNT8);

input CLK; output [7:0] CNT8; reg[7:0] CNT; wire LD;

always @(posedge CLK or posedge LD) begin if(LD) CNT<=8'b00000000; else CNT<=CNT+1; end assign CNT8=CNT; assign LD=(CNT==138); endmodule

2.梁祝谱码music模块

这个模块用FPGA的片内ROM存放乐曲的简谱真值表，由一个二进制计数器为乐曲数据存储ROM的地址发生器随着CNT138T中计数器按clk2时钟频率做加法计数时，乐曲数据存储器ROM中的音符数据，将从ROM中的输出口输向音符查表模块table，所存储的乐曲就开始连续自然地演奏起来。

ROM的定制过程，利用MegawizardPlug-In Manager定制音符数据存储器music，其中music_rom的程序如下：

module music ( address, clock, q);

input [7:0] address; input clock; output [3:0] q;

`ifndef ALTERA_RESERVED_QIS // synopsys translate_off `endif

tri1 clock;

`ifndef ALTERA_RESERVED_QIS // synopsys translate_on `endif

endmodule

在定制ROM过程中，由于需要存入139个音符数据，选择ROM的数据位宽为4，地址为64（共计512个字），ROM的类型选择为Auto。

根据梁祝曲谱的音乐简谱，以及简谱中的低、中、高和额节拍与发生频率的关系等等，化成个音符数字有139个，存入ROM中。

在数据文件编辑窗中，在mif格式表格中填入梁祝乐谱的139个音符数据，并以十进制填入，最后保存数据文件名为music.mif，存入原路径中。

其中1—7表示低音，8—14表示中音，15—21表示高音。

在源程序中music模块是音乐节拍发生器输出地音符数据；clk2是计数时