基于FPGA的音樂硬件演奏電路設(shè)計與實現(xiàn)（一）

1 系統(tǒng)的設(shè)計要求

應(yīng)用VHDL硬件描述語言，設(shè)計一個樂曲硬件演奏電路，它能將一首預(yù)先設(shè)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(chǔ)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(shè)計方法，從系統(tǒng)總體要求出發(fā)，逐步將設(shè)計內(nèi)容細化，最后完成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計。將功能分為以下幾個部分，1)實現(xiàn)預(yù)先設(shè)置樂曲的播放功能;2)實現(xiàn)預(yù)置樂曲的暫停和繼續(xù)播放實時控制功能;3)實現(xiàn)預(yù)置多首樂曲間的切換功能。

預(yù)置樂曲，本文選取了《梁?！返囊欢巫黝A(yù)置，作預(yù)置時，需要將樂曲音符轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的代碼，通過計算逐一將音符轉(zhuǎn)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(yù)置數(shù)分頻，生成每個音符發(fā)音的相應(yīng)頻率。

為了給分頻提供預(yù)置數(shù)，需要計算分頻預(yù)置數(shù)。

對每部分結(jié)構(gòu)單元逐一進行編譯，生成相應(yīng)的元器件符號，并對獨立結(jié)構(gòu)單元功能進行仿真。

2 系統(tǒng)的詳細設(shè)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(shè)計進行模塊化分解，層次化設(shè)計，分成幾個單獨的結(jié)構(gòu)體，每個結(jié)構(gòu)體實現(xiàn)部分功能，最后，經(jīng)頂層文件將各單獨結(jié)構(gòu)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(yù)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換關(guān)系如表1所示。