基于FPGA的音樂(lè)硬件演奏電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)（一）

1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求

應(yīng)用VHDL硬件描述語(yǔ)言，設(shè)計(jì)一個(gè)樂(lè)曲硬件演奏電路，它能將一首預(yù)先設(shè)置存儲(chǔ)好的樂(lè)曲自動(dòng)播放出來(lái)，除此之外，也能夠通過(guò)按鍵的方式輸入音符，使其具備簡(jiǎn)易電子琴的功能。通過(guò)此項(xiàng)研究，能夠深切的體會(huì)利用EDA工具開(kāi)發(fā)的優(yōu)越性，在此基礎(chǔ)上，對(duì)樂(lè)曲硬件演奏電路功能進(jìn)行豐富，具有一定的社會(huì)實(shí)用性。

根據(jù)硬件演奏電路的功能進(jìn)行全局分析，采用自上至下的設(shè)計(jì)方法，從系統(tǒng)總體要求出發(fā)，逐步將設(shè)計(jì)內(nèi)容細(xì)化，最后完成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)。將功能分為以下幾個(gè)部分，1)實(shí)現(xiàn)預(yù)先設(shè)置樂(lè)曲的播放功能;2)實(shí)現(xiàn)預(yù)置樂(lè)曲的暫停和繼續(xù)播放實(shí)時(shí)控制功能;3)實(shí)現(xiàn)預(yù)置多首樂(lè)曲間的切換功能。

預(yù)置樂(lè)曲，本文選取了《梁?！返囊欢巫黝A(yù)置，作預(yù)置時(shí)，需要將樂(lè)曲音符轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的代碼，通過(guò)計(jì)算逐一將音符轉(zhuǎn)換成代碼，通過(guò)EDA開(kāi)發(fā)平臺(tái)quartusii6.0進(jìn)行樂(lè)曲定制。

為了提供樂(lè)曲發(fā)音所需要的發(fā)音頻率，編寫數(shù)控分頻器程序，對(duì)單一輸入高頻，進(jìn)行預(yù)置數(shù)分頻，生成每個(gè)音符發(fā)音的相應(yīng)頻率。

為了給分頻提供預(yù)置數(shù)，需要計(jì)算分頻預(yù)置數(shù)。

對(duì)每部分結(jié)構(gòu)單元逐一進(jìn)行編譯，生成相應(yīng)的元器件符號(hào)，并對(duì)獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元功能進(jìn)行仿真。

2 系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案

2.1 頂層實(shí)體描述

按照EDA開(kāi)發(fā)流程，采用VHDL硬件描述語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，將樂(lè)曲硬件演奏電路設(shè)計(jì)進(jìn)行模塊化分解，層次化設(shè)計(jì)，分成幾個(gè)單獨(dú)的結(jié)構(gòu)體，每個(gè)結(jié)構(gòu)體實(shí)現(xiàn)部分功能，最后，經(jīng)頂層文件將各單獨(dú)結(jié)構(gòu)體進(jìn)行綜合，實(shí)現(xiàn)樂(lè)曲硬件演奏。

有四個(gè)輸入，三個(gè)輸出端口。

四輸入端口分別是：clk8hz端口，作為節(jié)拍脈沖信號(hào)輸入端口;clk12mhzZ端口，作為發(fā)音頻率初始信號(hào)輸入端口;P輸入端口，作為控制歌曲暫停和繼續(xù)播放的輸入端口。ch輸入端口，作為控制歌曲之間切換播放的輸入端口。

三輸出端口分別是：code1輸出端口，作為音符簡(jiǎn)碼輸出LED顯示端口;high1輸出端口，作為音符高8度指示端口;spkout輸出端口，作為樂(lè)曲的聲音輸出端口。

2.2 模塊劃分

本系統(tǒng)主要由三個(gè)功能模塊組成：notetabsvhd,tonetaba.vhd和speakera.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speakera提供分頻預(yù)置數(shù)，實(shí)現(xiàn)樂(lè)曲譯碼輸出CODE[3:0];第三部分speakera,產(chǎn)生發(fā)音頻率，實(shí)現(xiàn)樂(lè)曲播放。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2.

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低音，轉(zhuǎn)換關(guān)系如表1所示。