基于FPGA的樂曲發(fā)生器設計

1 概 述
隨著EDA技術的進展，基于可編程ASIC的數(shù)字電子系統(tǒng)設計的完整方案越來越受到人們的重視，并且以EDA技術為核心的能在可編程ASIC上進行系統(tǒng)芯片集成的新設計方法，也正在快速地取代基于PCB板的傳統(tǒng)設計方式。

與利用微處理器(CPU或MCU)來實現(xiàn)樂曲演奏相比，以純硬件完成樂曲演奏電路的邏輯要復雜得多，如果不借助于功能強大的EDA工具和硬件描述語言，僅憑傳統(tǒng)的數(shù)字邏輯技術，即使最簡單的演奏電路也難以實現(xiàn)。如何使用EDA工具設計電子系統(tǒng)是人們普遍關心的問題，本設計在美國ALTERA公司MAX + plusⅡ的EDA軟件平臺上，使用層次化設計方法，實現(xiàn)了樂曲發(fā)生器的設計。樂曲選取《梁?！分谢糠?，其簡譜如圖1所示。

2音符與頻率的關系

我們知道，組成樂曲的每個音符的發(fā)音頻率值及其持續(xù)的時間是樂曲能連續(xù)演奏所需的2個基本要素，首先讓我們來了解音符與頻率的關系。

樂曲的12平均率規(guī)定：每2個八度音(如簡譜中的中音1與高音1)之間的頻率相差1倍。在2個八度音之間，又可分為12個半音，每2個半音的頻率比為12√2。另外，音符A(簡譜中的低音6)的頻率為440Hz，音符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l至高音1之間每個音符的頻率，如表1所示。

產(chǎn)生各音符所需的頻率可用一分頻器實現(xiàn)，由于各音符對應的頻率多為非整數(shù)，而分頻系數(shù)又不能為小數(shù)，故必須將計算得到的分頻數(shù)四舍五入取整。若分頻器時鐘頻率過低，則由于分頻系數(shù)過小，四舍五入取整后的誤差較大；若時鐘頻率過高，雖然誤差變小，但會增加分頻器的分頻級數(shù)。實際的設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合適的時鐘頻率。本文設計的樂曲發(fā)生器選取6MHz的基準頻率。若無6MHz的時鐘頻率，則可以先分頻得到6MHz或換一個新的基準頻率。實際上，只要各個音符間的相對頻率關系不變，演奏出的樂曲聽起來都不會"走調(diào)"。

化蝶簡譜中各音符對應的分頻系數(shù)如表2所示。為了減小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)是從6MHz頻率二分頻得到的3MHz頻率基礎上計算得出的。由于最大的分頻系數(shù)為9101，故采用14位二進制計數(shù)器已能滿足分頻要求。

每個音符持續(xù)的時間是樂曲能連續(xù)演奏所需的另一個基本要素。化蝶的最小的節(jié)拍為1／4拍，將1拍的時間長度定為1s，則只需要再提供一個4Hz的時鐘頻率即可產(chǎn)生1／4拍的時長。演奏的時間控制通過記錄來完成，對于占用時間較長的節(jié)拍(一定是1／4拍的整數(shù)倍，如2／4拍)，只需將該音符連續(xù)記錄2次即可。

3 層次化設計

我們在美國AI。TERA公司MAX + plusⅡ的EDA軟件平臺上，使用層次化設計手段，實現(xiàn)了化蝶樂曲發(fā)生器的設計。圖2為化蝶樂曲發(fā)生器的頂層電路。

音符的頻率可以由PUI。SE元件的輸出SPEAK獲得，這是一個數(shù)控分頻器，由其CLK 6MHz端輸入6MHz脈沖信號，分頻比由預置輸入端D[13．．0]決定。輸出為方波信號，其頻率為3 000 000／(1+D[13．．0])，單位為Hz。

音符的持續(xù)時間需根據(jù)樂曲的速度及每個音符的節(jié)拍數(shù)來確定，TABLE元件首先是為PULSE元件提供決定所發(fā)音符的分頻預置數(shù)，而此數(shù)停留的時間即為此音符的節(jié)拍值。在TABLE元件中設置了一個8位二進制計數(shù)器(計數(shù)最大值為138)，這個計數(shù)器的計數(shù)頻率選為4 Hz，所以每一計數(shù)值的停留時間為0．25s，即四四拍的4分音符持續(xù)時間。例如，化蝶樂曲的第一個音符?quot;低音3"(1拍)，停留的時間需用4個計數(shù)時鐘節(jié)拍，即1s。相應地，所對應的"低音3"音符分頻預置值為9 100，其值在AF[13．．0]輸出端停留了1s。隨著TABLE元件中的計數(shù)器按4Hz的時鐘速率作加法計數(shù)時，化蝶樂曲就開始連續(xù)自然地演奏起來了。

底層元件的VHDL邏輯描述如下：

--PULSE元件
LIBRARY IEEE；
USE IEEE．STD_LOGIC_1164．ALL；
USE IEEE．STD_LOGIC_UNSIGNED．ALL；
ENTITY pulse IS
PORT(clk：INSTD_LOGIC； 一一待分頻時鐘
d：IN STD_LOGIC_VECTOR(13 DOWNTO 0)；
--分頻預置數(shù)輸入
fout：OUTSTD_LOGIC)； 一一發(fā)音輸出
END pulses
ARCHITECTURE behav OF pulse IS
SIGNAL count ： STD_LOGIC-VECTOR(13DOWNTO 0)；
SIGNAL cao，caoo1，cao2，load：STD_LOGIC'
BEGIN
PROCESS(clk，load，d)
BEGIN
IF clk'EVENT AND clk='l'THEN
IF load='1'THEN count＝d；
ELSE count＝count一1；
END IF；
END IF；
END PROCESS；
PROCESS(count)
BEGIN
IF count=0 THEN cao='l'；
ELSE cao='0'； END IF；
load＝cao；
END PROCESS；
PROCESS(clk) --去毛刺
BEGIN
IF clk'EVENT ANDclk='1'THEN
caol=cao；
END IF；
END PROCESS；
PROCESS(cao1)
BEGIN
IF cao1'EVENT　AND cao1='1'THEN
ca02=NOT cao2；
END IF
fout=cao2；
END PROCESS；
END behav；
一一TABLE元件
IBRARY IEEE；
USE IEEE．STD_LOGIC_1164．ALL；
ENTITY table IS
PORT(clk：IN STD_LOGIC；
af：OUT INTEGER RANGE 0 TO 16#3FFF#)
一一14位二進制數(shù)
END；
ARCHITECTURE one OF table IS
CONSTANT 1ow_3：INTEGER：=9100；
CONSTANT 1ow_5；INTEGER：=7652；
CONSTANT 1ow_6：INTEGER：=6817；
CONSTANT 1ow_7：INTEGER：=6073；
CONSTANT mid_1：INTEGER；=5732；
CONSTANT mid_2：INTEGER：=5107；
CONSTANT mid_3：INTEGER：=4550；
CONSTANT mid_5：INTEGER：=3826；
CONSTANT mid_6：INTEGER：=3408；
CONSTANT highl：INTEGER： =2866
CONSTANT stop：INTEGER：=0；
--休止符分頻系數(shù)
SIGNAL counter：INTEGER RANGE 0 TO 138；
BEGIN
PROCESS(clk)
BEGIN
IF counter＝138 THEN counter=0；
ELSIF(clk'EVENT AND clk='l')THEN
counter=counter+1；
END IF；
END PROCESS；
PROCESS(counter)
BEGIN
CASE counter IS
WHEN 00＝>af=low_3； --低音3
WHEN 01＝>af=low_3；
WHEN 02＝>af=low_3；
WHEN 03=>af=low_3；
WHEN 04?gt;af=low_5；
WHEN 05＝>af=low_5；
WHEN 06=>af=low_5；
WHEN 07=>af=low_6；
WHEN 08=>af=low_1；
WHEN 09=>af=low_1；
WHEN 10=>af=low_1；
WHEN 11=>af=low_2；
……
WHEN 134=>af=low_5；
WHEN 135=>>af=low_5；
WHEN 136=>>af=stop；
WHEN 137=>af=stop；
WHEN 138=>>af＝stop；
WHEN OTHERS=>NULL；
END CASE；
END PROCESS；
END；

4 實驗驗證

需要說明的是不同的數(shù)字系統(tǒng)其引腳鎖定是不一樣的，為了便于在實驗系統(tǒng)上驗證設計結果，必須按照實驗系統(tǒng)的結構對輸入和輸出引腳進行鎖定。本設計采用的是杭州康芯電子有限公司生產(chǎn)的GW48-CK實驗系統(tǒng)，FPGA目標芯片的型號為EPFl0K10LC84。芯片配置成功后即可進行硬件測試：選擇實驗電路結構圖NO．6，使CLK 6MH2與C10ck9相接(接受6MHz時鐘頻率)，CLK 4Hz與Clock2相接(接受4Hz時鐘頻率)，發(fā)音輸出接SPEAK，當樂曲一遍演奏完成后，樂曲發(fā)生器能自動從頭開始循環(huán)演奏。