“两只老虎”EDA课程设计{详细}.doc

课 程 设 计 课程设计名称： 专 业 班 级 学 生 姓 名 ： 学 号 ： 指 导 教 师 ： 课程设计时间：  1 设计任务及要求 设计任务：乐曲自动播放器。自行选择一首自己喜爱的经典乐曲，用FPGA设计实现一个该曲目的自动演奏电路。 要求：（1）根据设计题目要求编写相应程序代码 （2）对编写的VHDL程序代码进行编译和仿真 （3）利用实验箱完成硬件验证 （4）总结设计内容，完成课程设计说明书 与利用微处理器，以纯硬件完成乐曲演奏电路的逻辑要复杂得多。本实验设计项目作为“两只老虎”乐曲演奏电路的实现，组成每个乐曲的每个音符的发音频率值及持续的时间是乐曲能连续演奏所需要的两个基本要素。 （1） 音乐硬件演奏电路基本原理 硬件电路的发声原理，声音的频谱范围约在几十到几千赫兹，若能利用程序来控制FPGA芯片某个引脚输出一定频率的矩形波，接上扬声器就能发出相应频率的声音。乐曲中的每一音符对应着一个确定的频率，要想FPGA发出不同音符的音调，实际上只要控制它输出相应音符的频率即可。乐曲都是由一连串的音符组成，因此按照乐曲的乐谱依次输出这些音符所对应的频，就可以在扬声器上连续地发出各个音符的音调。而要准确地演奏出一首乐曲，仅仅让扬声器能够发生是不够的，还必须准确地控制乐曲的节奏，即乐曲中每个音符的发生频率及其持续时间是乐曲能够连续演奏的两个关键因素。 （2） 音符频率的获得 多个不同频率的信号可通过对某个基准频率进行分频器获得。由于各个音符的频率多为非整数，而分频系数又不能为小数，故必须将计算机得到的分频系数四舍五入取整。若基准频率过低，则分频系数过小，四舍五入取整后的误差较大。若基准频率过高，虽然可以减少频率的相对误差，但分频结构将变大。实际上应该综合考虑这两个方面的因素，在尽量减少误差的前提下，选取合适的基准频率。本设计中选取1MHz的基准频率。数控分频器采用12位二进制计数器，乐曲中的休止符，只要将分频系数设为0，即初始值=4095，此时扬声器不会发声。 根据分频系数，可计算数控分频器得到的初始值。初始值的计算公式如下： 由于所设计的数控分频计采用12MHZ作为时钟源，并通过一次12分频给出频率为1MHZ的脉冲溢出信号，再对该1MHZ的溢出信号进行12位2进制码的带预置数进行计数，并给出一个频率随预置数变化的脉冲信号。由于该脉冲信号不具有驱动蜂鸣器的能力，故对此脉冲信号进行2分频以推动蜂鸣器发声，故最终输出信号的频率与预置数的关系如下： 其中为音阶对应的频率。 表1 简谱中的音名与频率的关系 音名 频率/Hz 音名 频率/Hz 音名 频率/Hz 低音1 261.63 中音1 532.25 高音1 1046.50 低音2 293.67 中音2 587.33 高音2 1174.66 低音3 329.63 中音3 659.25 高音3 1318.51 低音4 349.23 中音4 698.46 高音4 1396.92 低音5 391.99 中音5 783.99 高音5 1567.98 低音6 440 中音6 880 高音6 1760 低音7 493.88 中音7 987.76 高音7 1975.52 表2 各音阶频率对应的分频值 音名 分频系数 初始值 音名 分频系数 初始值 音名 分频系数 初始值 低音1 7644 547 中音1 3822 4369 高音1 1911 6280 低音2 6810 1381 中音2 3405 4786 高音2 1270 6921 低音3 6067 2124 中音3 3034 5157 高音3 1517 6674 低音4 5727 2464 中音4 2864 5327 高音4 1432 6759 低音5 5102 3089 中音5 2551 5640 高音5 1256 6935 低音6 4545 3646 中音6 2273 5918 高音6 1137 7054 低音7 4050 4141 中音7 2025 6166 高音7 1013 7178 （3） 乐曲节奏的控制 一般乐曲最小的节拍为1/4拍，若将1拍的时间定为1秒，则只需要输出4Hz的1/4拍的时长（0.25秒），对于其它占用时间较长的节拍（必为1/4拍的整数倍）则只需要将该音符连续输出相应的次数即可。 计数时钟信号作为输出音符快慢的控制信号，时钟快时输出节拍速度就快，演奏的速度也就快，时钟慢时输出节拍的速度就慢，演奏的速度自然降低，由于最后的蜂鸣器前需加一个二分频的程序，因此计数器的时钟信号应为4Hz的2倍，即8Hz。