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基于FPGA的音乐硬件演奏电路设计 李宁 （渭南师范学院 物理与电气工程学院 电气工程及其自动化级班）摘要芯片某个引脚输出的波，接上扬声器就能发出准确地控制乐曲中每个音符持续时间FPGA；音乐硬件演奏电路；VerilogHDL语言设计；QUARTUS II 9.0；EDA技术 音乐硬件演奏电路已广泛应用于我们生活的各个角落，比如mp3，手机铃声等，为我们的生活带来了乐趣，同时也说明了现在的电子产品越来越发达。因此根据国家专业教学委员会对教育机构的要求，为培养适应我国21世纪国民经济发展需要的电子人才同时基于国家教委面向21世纪电工电子课程体系改革和电工电子工科教学基地建设两项教学改革研究成果要求高等学校学生能够自己动手完成简单数字器件的设计。这不但反应了我国当前在电子电路的实验教学体系、内容和方法上的改革思路和教学水平的提高，更重要的是在加强以传统电子设计方法为基础的工程设计训练的同时，使学生能够尽快掌握现代电子设计自动化技术的新方法、新工具和新手段系统的、科学的培养了学生的实际动手能力、工程设计能力创新能力，提高了学生的兴趣。本次设计在EDA开发平台QUARTUS II.0上利用语言设计数控分频器电路，利用数控分频的原理设计音乐硬件演奏电路，以为例，EDA是电子设计自动化（Electronic Design Automation）缩写，是90年代初从CAD（计算机辅助设计）、CAM（计算机辅助制造）、CAT（计算机辅助测试）和CAE（计算机辅助工程）的概念发展而来的。EDA技术是以计算机为，EDA软件工具为开发环境，以PLD器件或者ASIC专用集成电路为目标器件设计实现电路系统的一种技术。自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合及优化、布局布线、仿真以及对于特定目标芯片的适配编译和编程下载等工作。 EDA技术分为三个阶段。 七十年代为CAD阶段，人们开始用计算机辅助进行一些模拟和预测、 简单版图的绘制、PCB布局布线，取代了手工操作，产生了计算机辅助设计的概念。 八十年代为CAE阶段，与CAD相比，除了纯粹的图形绘制功能外， 在设计方法学、设计工具集成化方面取得了长足的进步，并且通过电气连接网络表将两者相结合，实现了工程设计。CAE的主要功能是：原理图输入，逻辑仿真，电路分析，自动布局、布线，PCB后分析。 九十年代为EDA阶段，EDA技术已经成为电子设计的普遍工具，EDA 的使用包括电子系统开发的全过程以及设计所涉及到的各个方面。21世纪后，EDA技术得到更快更好的发展，开始步入了一个新的时代。 1.3 EDA技术的发展趋势 目前的EDA产业正处在一场大变革的前夕，正因为更低成本、更低功耗的要求和产品上市压力，使得IC供应商提供采用0.13μm或以下的千万门级的系统芯片，这就更加迫使EDA供应商提供全新的设计工具和方法。然而，这些新的需求为当代EDA工具和设计方法带来了不少新的挑战与机会。半导体工艺的每一次跃升都促使EDA工具改变自己，以适应工艺的发展；反过来EDA工具的进步又推动设计技术的发展。可以说EDA工具是IC设计产业的背后推手。系统芯片（SOC）正在迅速地进入主流产品的行列。由此引发的“芯片就等于整机”的现象，将对整个电子产业形成重大的冲击。种种迹象表明，整个电子产业正在酝酿着一场深刻的产业重组，这将为许多新兴的企业提供进入这一行业的最佳。 2 乐曲演奏电路简介及基本原理 乐曲演奏广泛用于手机铃声、集团电话及智能仪器仪表设备中。实现方法有许多种，在众多的实现方法中，以纯硬件完成乐曲演奏且随着FPGA集成度的提高，价格下降，EDA设计工具更新换代，功能日益普及与流行，使用这种方案的应用越来越多。PFGA预装了很多已构造好的参数化库单元LPM器件，通过引入支持LPM的EDA软件工具，设计者可以设计出结构独立而且硅片的使用效率非常高的产品。 硬件电路的发声原理，乐曲都是由一连串的音符组成，芯片某个引脚输出的波，接上扬声器就能发出。而要准确地演奏一首，仅让扬声器发是不够的，还必须准确地控制乐曲中每个音符持续时间是乐曲能够连续演奏的两个关键因素。FPGA器件驱动蜂鸣器演奏“送别”片段，一首乐曲包含三个要素：乐曲声音的频率，发音时间的长短，停顿的时间。按照图1乐谱，设计相应电路控制speaker信号的方波频率，某一频率持续时间长短，各频率间间隔大小，就可以推动蜂鸣器演奏乐曲。 图1 “送别”片段乐谱 3.2 设计方案比较 方案一: 由单片机AT89S52来设计实现乐曲演奏电路。外围电源使用+5V电源供电，时钟由12MHz的晶振产生，通过按键的状态来检测乐曲演奏的状态，中央处理器由AT89S52单片机来完成，乐曲演奏状态由七段数码管来模拟。这种方案结构简单，比较易掌握，各部分电路实现起来