基于FPGA的音樂(lè )硬件演奏電路設計與實(shí)現（一）

1 系統的設計要求

應用VHDL硬件描述語(yǔ)言，設計一個(gè)樂(lè )曲硬件演奏電路，它能將一首預先設置存儲好的樂(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，在此基礎上，對樂(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。

根據硬件演奏電路的功能進(jìn)行全局分析，采用自上至下的設計方法，從系統總體要求出發(fā)，逐步將設計內容細化，最后完成系統結構的整體設計。將功能分為以下幾個(gè)部分，1)實(shí)現預先設置樂(lè )曲的播放功能;2)實(shí)現預置樂(lè )曲的暫停和繼續播放實(shí)時(shí)控制功能;3)實(shí)現預置多首樂(lè )曲間的切換功能。

預置樂(lè )曲，本文選取了《梁?！返囊欢巫黝A置，作預置時(shí)，需要將樂(lè )曲音符轉換成相應的代碼，通過(guò)計算逐一將音符轉換成代碼，通過(guò)EDA開(kāi)發(fā)平臺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(xiě)數控分頻器程序，對單一輸入高頻，進(jìn)行預置數分頻，生成每個(gè)音符發(fā)音的相應頻率。

為了給分頻提供預置數，需要計算分頻預置數。

對每部分結構單元逐一進(jìn)行編譯，生成相應的元器件符號，并對獨立結構單元功能進(jìn)行仿真。

2 系統的詳細設計方案

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 )曲硬件演奏電路設計進(jìn)行模塊化分解，層次化設計，分成幾個(gè)單獨的結構體，每個(gè)結構體實(shí)現部分功能，最后，經(jīng)頂層文件將各單獨結構體進(jìn)行綜合，實(shí)現樂(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，作為節拍脈沖信號輸入端口;clk12mhzZ端口，作為發(fā)音頻率初始信號輸入端口;P輸入端口，作為控制歌曲暫停和繼續播放的輸入端口。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)現按節拍讀樂(lè )譜的功能;第二部分tonetaba,查表電路，為speakera提供分頻預置數，實(shí)現樂(lè )曲譯碼輸出CODE[3:0];第三部分speakera,產(chǎn)生發(fā)音頻率，實(shí)現樂(lè )曲播放。系統結構圖如圖2.

為了實(shí)現樂(lè )曲的播放，首先需要將曲譜定制到音符數據ROM里面，然后才能按照一定的節拍從ROM中讀出曲譜。由于所選曲子中不含低音，轉換關(guān)系如表1所示。