基于FPGA的音樂播放控制電路設(shè)計(jì)

　　隨著電子技術(shù)發(fā)展，電子電路的形式趨向復(fù)雜化，面對(duì)這一狀況，人們已經(jīng)清醒地認(rèn)識(shí)到，要分析和設(shè)計(jì)復(fù)雜的電子系統(tǒng)人工的方法已不適用。依靠傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)已遠(yuǎn)不能滿足社會(huì)對(duì)高新技術(shù)人才的培養(yǎng)需要。本文就一個(gè)綜合性的實(shí)例“音樂播放控制電路”的設(shè)計(jì)過程具體說明了FPGA在電子電路設(shè)計(jì)中所起的作用。

　　1 總體方案的設(shè)計(jì)

　　設(shè)計(jì)一個(gè)具有3個(gè)八度音程的電子音樂自動(dòng)循環(huán)播放電路，具體曲目可以由設(shè)計(jì)者自由編輯，以簡(jiǎn)譜的二進(jìn)制編碼形式存放在ROM的數(shù)據(jù)文件中。

　　設(shè)計(jì)要求如下：

　　(1)采用5位二進(jìn)制碼表示音高信息，曲譜碼存儲(chǔ)器的地址由時(shí)值計(jì)數(shù)器控制，計(jì)數(shù)頻率按樂曲的演奏速度選擇，每個(gè)脈沖周期是所選曲譜中最短音符的時(shí)值。存儲(chǔ)器在時(shí)值計(jì)數(shù)脈沖作用下順序輸出音高碼控制分頻器。

　　(2)采用20 Hz～20 kHz的音頻脈沖信號(hào)控制蜂鳴器，可以使其根據(jù)控制信號(hào)頻率發(fā)出不同的音調(diào)。

　　音樂播放控制電路設(shè)計(jì)方案原理框圖如圖1所示。

　　2 設(shè)計(jì)任務(wù)分析

　　2.1 音高編碼和分頻控制

　　計(jì)數(shù)器模值控制的方法很多，改變預(yù)置數(shù)控制模值是比較簡(jiǎn)單的一種。分頻計(jì)數(shù)器的預(yù)置數(shù)與分頻率和計(jì)數(shù)方式、預(yù)置方式有關(guān)。當(dāng)采用減計(jì)數(shù)器、并以計(jì)數(shù)器的溢出信號(hào)(Carry Out)實(shí)現(xiàn)異步預(yù)置控制時(shí)，計(jì)數(shù)器的模(分頻率)等于預(yù)置數(shù)。比如，當(dāng)計(jì)數(shù)脈沖頻率為10 MHz時(shí)，若希望產(chǎn)生音高“5”，并考慮占空比整形的二分頻作用，分頻系數(shù)(計(jì)數(shù)器的模)應(yīng)該是3 188.9，四舍五入后的計(jì)數(shù)器預(yù)置數(shù)應(yīng)該是3 189。其溢出信號(hào)的頻率為3 135.8 Hz，控制蜂鳴器的信號(hào)頻率為1 567.9 Hz，滿足音高頻率要求。若采用同步預(yù)置方式，則計(jì)數(shù)器的預(yù)置數(shù)應(yīng)該是模減1，為3 188。由于計(jì)數(shù)器的溢出信號(hào)可能出現(xiàn)冒險(xiǎn)干擾，采用同步預(yù)置的方法比較安全。

　　分析表1可見，表中3個(gè)不同音程相同音名(同一行)的信號(hào)頻率都相差一倍。

　　即音程升、降8度時(shí)，頻率增加或減小一倍。所以，若分頻計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖頻率降低一倍時(shí)，蜂鳴器發(fā)出的音調(diào)降低8度。比如，當(dāng)分頻率仍為3 189，但計(jì)數(shù)脈沖頻率為5 MHz時(shí)，控制蜂鳴器的信號(hào)頻率為784 Hz，為中音“5”。

　　因此若采用模值和輸入脈沖頻率都可控的計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)信號(hào)分頻，可根據(jù)音程碼選擇分頻計(jì)數(shù)器的輸入脈沖頻率fs、根據(jù)音名碼控制分頻計(jì)數(shù)器的模值N，如圖2所示。

　　這樣，分頻系數(shù)表只需考慮7個(gè)音高。由于計(jì)數(shù)脈沖只能分頻降低，所以表中應(yīng)該存儲(chǔ)高音程7個(gè)不同音名對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)器預(yù)置值，其他兩個(gè)音程可通過降低分頻計(jì)數(shù)器的脈沖頻率實(shí)現(xiàn)。

　　3個(gè)8度音程的21個(gè)音高至少需要5位二進(jìn)制碼表示。為了控制方便，考慮將音名和音程分別編碼：7個(gè)音名和休止符采用3位二進(jìn)制碼表示，控制分頻器計(jì)數(shù)器的預(yù)置數(shù)實(shí)現(xiàn)模值N修改;3個(gè)音程用2位二進(jìn)制碼表示，控制分頻器的計(jì)數(shù)脈沖頻率fs。

　　2.2 音長(zhǎng)控制

　　曲譜存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)輸出時(shí)間是時(shí)值計(jì)數(shù)脈沖的一個(gè)周期，決定了該單元音符的持續(xù)時(shí)間。所以，與計(jì)數(shù)脈沖周期相同時(shí)值的音符為音長(zhǎng)的度量單位，其音符碼占1個(gè)存儲(chǔ)單元。其他音符根據(jù)其時(shí)值長(zhǎng)短占據(jù)不同數(shù)量的存儲(chǔ)單元。比如，若以8分音符的時(shí)值作為存儲(chǔ)器地址計(jì)數(shù)器的脈沖周期，則8分音符碼占1個(gè)存儲(chǔ)單元，4分音符占2個(gè)存儲(chǔ)單元，2分音符占4個(gè)存儲(chǔ)單元，以此類推。

　　因此，可以所選曲譜的最短音符作為時(shí)值的度量單位。比如，圖3所示的《梁?！非V中最短的音符為8分音，若其編碼存放1個(gè)存儲(chǔ)單元，則時(shí)值計(jì)數(shù)脈沖周期為一個(gè)8分音長(zhǎng)時(shí)間，可選O.5 s。曲譜中的四分音符碼需要存放2個(gè)單元，一拍延長(zhǎng)音也需要2個(gè)單元。該段曲譜有8個(gè)音節(jié)，每個(gè)音節(jié)是一個(gè)全音(8個(gè)8分音)，演奏總時(shí)值為8×8個(gè)8分音。所以，存儲(chǔ)曲譜編碼的存儲(chǔ)器需要64個(gè)存儲(chǔ)單元。

　　2.3 音強(qiáng)控制

　　音的強(qiáng)度也稱音的力度，體現(xiàn)了樂曲的情感元素。由于本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的是簡(jiǎn)單的電子音樂播放，無法表現(xiàn)音強(qiáng)的不同。而且，參考方案還不能區(qū)別相同音高的音符連續(xù)與否。比如，兩個(gè)八分音符“11”的總時(shí)值與一個(gè)四分音符“1”的時(shí)值相同，但體現(xiàn)的樂聲是不同的。前者是兩個(gè)強(qiáng)8分音，而后者可以認(rèn)為是一個(gè)強(qiáng)8分音和一個(gè)弱8分音構(gòu)成。為了解決這個(gè)問題，可以在連續(xù)的相同強(qiáng)音間加一個(gè)極短促的間斷區(qū)別兩者的不同，間斷時(shí)間可以是幾個(gè)毫秒。這樣，在音符編碼中應(yīng)該有一位碼控制。

　　如果間斷音碼單獨(dú)占1個(gè)存儲(chǔ)單元，可設(shè)置間斷音標(biāo)志，控制時(shí)值計(jì)數(shù)器狀態(tài)為間斷信息單元地址時(shí)計(jì)數(shù)頻率改變，使間斷碼輸出的時(shí)間為間斷音長(zhǎng);如果間斷音碼與強(qiáng)音碼存放同一單元，可觸發(fā)數(shù)字單穩(wěn)態(tài)電路產(chǎn)生問斷控制信號(hào)EN。

　　2.4 樂曲的循環(huán)播放控制

　　為了實(shí)現(xiàn)樂曲的循環(huán)播放，應(yīng)該在樂曲結(jié)束時(shí)使曲譜表的查表地址回到初始值?？稍谇V表的最后一個(gè)單元中存放一個(gè)結(jié)束符，結(jié)束符的編碼可以利用音程碼的冗余碼。電路采用邏輯門對(duì)音程碼進(jìn)行判斷，當(dāng)出現(xiàn)結(jié)束符碼時(shí)控制時(shí)值計(jì)數(shù)器復(fù)位，樂曲重新開始演奏。

　　2.5 曲譜編碼舉例

　　設(shè)音符的6位二進(jìn)制編碼中，最高位為間斷音控制，中間2位為音程碼，最低3位為音名碼。每個(gè)8分音存放于1個(gè)存儲(chǔ)單元，四分音符碼占2個(gè)存儲(chǔ)單元。若音名碼用其簡(jiǎn)譜數(shù)符對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制碼表示，而低、中、高三個(gè)音程分別用"01”，“00"，“10”三組碼表示，“11”為結(jié)束符碼，則圖3曲譜碼存儲(chǔ)表如表2所示。表中6位二進(jìn)制音符碼用2位八進(jìn)制數(shù)表示。

　　3 電路的實(shí)現(xiàn)

　　根據(jù)設(shè)計(jì)電路原理框圖，曲譜碼以分頻數(shù)編碼，音高信號(hào)分頻由一個(gè)可預(yù)置的模N計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)。分頻系數(shù)表和曲譜表都存儲(chǔ)在ROM中。若希望控制蜂鳴器的信號(hào)占空比為50%，分頻器的輸出信號(hào)采用二分頻電路實(shí)現(xiàn)占空比整形，但注意信號(hào)頻率被降低一半。電路原理框圖中M分頻器的作用是產(chǎn)生合適的時(shí)值計(jì)數(shù)脈沖頻率。電路的頂層原理圖如圖4所示。

　　4 結(jié)語

　　FPGA技術(shù)已成為電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域現(xiàn)代化的標(biāo)志。本文將FPGA用于電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)，取得了較好的效果。通過本設(shè)計(jì)激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，拓寬了學(xué)生的思路，為學(xué)生今后的畢業(yè)設(shè)計(jì)和從事電子技術(shù)方面的科研、開發(fā)工作打下了良好的基礎(chǔ)。