基于FPGA的音樂硬件演奏電路設計與實現(xiàn)（一）

1 系統(tǒng)的設計要求

應用VHDL硬件描述語言，設計一個樂曲硬件演奏電路，它能將一首預先設置存儲好的樂曲自動播放出來，除此之外，也能夠通過按鍵的方式輸入音符，使其具備簡易電子琴的功能。通過此項研究，能夠深切的體會利用EDA工具開發(fā)的優(yōu)越性，在此基礎上，對樂曲硬件演奏電路功能進行豐富，具有一定的社會實用性。

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

預置樂曲，本文選取了《梁?！返囊欢巫黝A置，作預置時，需要將樂曲音符轉換成相應的代碼，通過計算逐一將音符轉換成代碼，通過EDA開發(fā)平臺quartusii6.0進行樂曲定制。

為了提供樂曲發(fā)音所需要的發(fā)音頻率，編寫數(shù)控分頻器程序，對單一輸入高頻，進行預置數(shù)分頻，生成每個音符發(fā)音的相應頻率。

為了給分頻提供預置數(shù)，需要計算分頻預置數(shù)。

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

2 系統(tǒng)的詳細設計方案

2.1 頂層實體描述

按照EDA開發(fā)流程，采用VHDL硬件描述語言開發(fā)，將樂曲硬件演奏電路設計進行模塊化分解，層次化設計，分成幾個單獨的結構體，每個結構體實現(xiàn)部分功能，最后，經(jīng)頂層文件將各單獨結構體進行綜合，實現(xiàn)樂曲硬件演奏。

有四個輸入，三個輸出端口。

四輸入端口分別是：clk8hz端口，作為節(jié)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(xù)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，作為樂曲的聲音輸出端口。

2.2 模塊劃分

本系統(tǒng)主要由三個功能模塊組成：notetabsvhd,tonetaba.vhd和speakera.vhd.第一部分notetabs,地址發(fā)生器，實現(xiàn)按節(jié)拍讀樂譜的功能;第二部分tonetaba,查表電路，為speakera提供分頻預置數(shù)，實現(xiàn)樂曲譯碼輸出CODE[3:0];第三部分speakera,產(chǎn)生發(fā)音頻率，實現(xiàn)樂曲播放。系統(tǒng)結構圖如圖2.

為了實現(xiàn)樂曲的播放，首先需要將曲譜定制到音符數(shù)據(jù)ROM里面，然后才能按照一定的節(jié)拍從ROM中讀出曲譜。由于所選曲子中不含低音，轉換關系如表1所示。[!--empirenews.page--]

2.3 模塊描述

sperkera是一個數(shù)控分頻器，由其clk端輸入一個12mhz信號，通過speakera分頻后，由spkout,通過一d觸發(fā)器，pinlv變?yōu)樵瓉淼亩种唬瑂perakera對clk的輸入信號的分頻比由11位tone[100]決定，spkout的輸出頻率為音符的音調。

tonebata的功能首先是為speakera提供分頻預置數(shù)，此數(shù)的停留時間即為音符的節(jié)拍值，此模塊為歌曲簡譜碼提供對應的分頻預置查表電路，音符停留時間由clk的輸入頻率決定，再次為4hz.