基于FPGA的音樂流水燈控制系統(tǒng)的設(shè)計

FPGA是現(xiàn)場可編程門陣列的簡稱，它既有門陣列器件的高度集成和通用性，又有可編程邏輯器件用戶可編程的靈活性。通過FPGA實現(xiàn)音樂流水燈的控制，實質(zhì)上就是將不同音階與特定頻率的方波信號對應(yīng)起來，以方波信號驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出音樂，再根據(jù)不同音階來控制流水燈的閃爍。與借助微處理器實現(xiàn)樂曲演奏相比，以純硬件方式完成樂曲演奏電路更直觀。EDA工具和硬件描述語言發(fā)揮了強(qiáng)大功能，提供了設(shè)計可能性。

1 總體設(shè)計方案
音樂流水燈主要是點綴公共場合的裝飾品，音樂的播放和流水燈有節(jié)奏地閃爍，同時達(dá)到聽覺和視覺的完美結(jié)合，成為構(gòu)成其必不可少的條件。要了解如何產(chǎn)生不同音階的音樂，首先要對樂音的特性有所了解。樂音實際上是有固定頻率的信號。在樂曲的構(gòu)成中，樂音的頻率和持續(xù)的時間是其構(gòu)成的要素。音階的頻率可以通過高頻時鐘進(jìn)行分頻得到。音頻的高低可以通過外部的LED燈的閃爍來顯示，這樣在音樂和流水燈的配合下可以使人產(chǎn)生強(qiáng)烈的節(jié)奏感。再輔以LCD來顯示音階的高低長短，不懂樂理知識的人便可以直觀的看到不同音調(diào)對應(yīng)的音階。
總體設(shè)計要求如下：
(1)分頻主要是通過一個可控分頻器實現(xiàn)的。采用時鐘的頻率越高，分頻系數(shù)越大，分頻后的音階頻率就越準(zhǔn)確。但同時由于分頻系數(shù)大使用的計數(shù)單元增加，從而耗費更多的硬件邏輯單元，因此可以采取一個較為適中的時鐘頻率12MHz。
(2)經(jīng)過分頻后的信號是一個脈寬極窄的時鐘信號，必須對其進(jìn)行脈沖寬度調(diào)整，增大占空比，才能有效地驅(qū)動蜂鳴器。在脈沖寬度調(diào)整時會對此信號再次二分頻，所以在計算時，以樂音音階的二倍頻率去求取在特定時鐘信號下的分頻系數(shù)，以便在調(diào)整占空比后得到正確的音階頻率。
(3)樂曲的頻率變化多端，對應(yīng)的分頻系數(shù)也不斷變化，因此需要將播放的樂曲的分頻系數(shù)事先存放在ROM中便于讀取。如果將分頻系數(shù)直接作為存儲碼存放在寄存器中，勢必會占有更大的容量。因此在這里選取索引值來作為存儲碼以減小容量。
(4)開發(fā)平臺上的LED燈數(shù)量有限，可以選用有規(guī)律的閃爍，例如從左到右依次點亮、漸亮、漸滅等；也可以用燈閃爍的多少來表示頻率的大小。本設(shè)計選用第二種。
圖1為音樂流水燈控制系統(tǒng)的總統(tǒng)原理框圖。可以看到該系統(tǒng)包含樂曲播放控制模塊，流水燈控制模塊和LCD顯示模塊3個模塊。其中樂曲播放控制模塊分為樂譜播放控制模塊，音階分頻模塊和音階頻率產(chǎn)生模塊。

2 模塊設(shè)計
2．1 樂曲播放控制模塊
樂曲播放控制模塊的主要功能是在一定的時鐘信號驅(qū)動下將事先存儲在ROM里的樂譜所對應(yīng)的索引值依次輸出，控制分頻，并產(chǎn)生相應(yīng)的分頻信號頻率，以此來控制蜂鳴器的發(fā)聲。
2．1．1 音階分頻器的設(shè)計
為了能夠在播放樂曲的同時顯示當(dāng)前音階，用LED的位數(shù)來指示當(dāng)前音階的高低音。程序中的音階分頻系數(shù)通過索引值來進(jìn)行選取，即在音樂播放過程中由樂譜存儲電路傳遞來的當(dāng)前音階的索引值。
2．1．2 音階頻率產(chǎn)生的設(shè)計
音階頻率產(chǎn)生電路在獲取上面的音階索引值對應(yīng)的分頻系數(shù)后，通過可控計數(shù)器進(jìn)行分頻。分頻電路中的計數(shù)器進(jìn)行減1計數(shù)，計數(shù)器的進(jìn)位信號即為分頻信號。因為此信號的脈沖寬度極小，所以需要調(diào)整占空比才使外部驅(qū)動電路提供足夠的驅(qū)動蜂鳴器的功率，而具體是對分頻信號再進(jìn)行二分頻實現(xiàn)的。
2．1．3 樂譜播放控制模塊設(shè)計
音樂播放就是通過外部的8 Hz時鐘驅(qū)動，內(nèi)部以計數(shù)器進(jìn)行計數(shù)、產(chǎn)生地址，送到ROM單元中作為存儲器地址，將對應(yīng)地址的數(shù)據(jù)——音階索引值輸出。
在本設(shè)計中，每個音的發(fā)出由另一個8 Hz的時鐘信號來控制。樂譜中的4分音符由4個時鐘信號來驅(qū)動。每個時鐘下，其對應(yīng)的音階輸出以索引值的形式存儲在ROM中。文中ROM的地址線為10位，數(shù)據(jù)線寬度為4位。ROM里存儲的數(shù)據(jù)即各音節(jié)的索引值，根據(jù)樂譜轉(zhuǎn)換的需要，16個索引值即可滿足樂曲曲譜編寫的需求，所以設(shè)置了4位數(shù)據(jù)線。地址線的寬度主要取決于樂曲的長度。本設(shè)計中用到了約520個4 bit單元，為了留有一定裕度，將數(shù)據(jù)線寬度定義為10位，即1 024個4 bit單元。其中不同的音階對應(yīng)的索引值如表1所示。