毕业论文（设计）基于EDA技术的乐曲演奏电路的设计说明书.docVIP

成 绩 ? 指导教师： ? 成 绩 指导教师： 《EDA技术与实验》课程设计 题 目：基于EDA技术的乐曲演奏电路的设计 姓 名： 院 系： 电子信息工程系 专 业： 通信工程 班 级： 学 号： 指导教师： 2012年月 1 设计原理 本设计是在EDA的技术上，通过Verilog语句的编程来实现对输入脉冲的分频。使音调和频率具有一一对应的关系。为此，本设计将以利用数控分频器对一具有较高频率的信号进行分频来产生相应的频率。 对《欢乐颂》这首乐曲进行高、中、低音的代码编写和计数脉冲（音频的持续时间）的控制。最后通过Max+plusⅡ软件进行仿真，通过分析仿真的时序波形图来验证设计的正确性。 2方案设计 2.1 设计内容 要求设计一个乐曲演奏电路，用FPGA器件驱动小扬声器演奏“欢乐颂”片段。按照图一乐谱，设计相应电路控制speaker信号的方波频率，某一频率持续时间长短，各频率间间隔大小，就可以推动小扬声器演奏乐曲。 图一 “欢乐颂”乐谱片段 2.2 设计方案比较 方案一：由单片机MSP430F149来实现乐曲演奏电路的设计，外围电源采用+3V电源供电，时钟有8MHz的晶振产生，中央处理器由MS430F149单片机来完成，乐曲演奏状态由七段数码管来模拟。这种方案，结构简单容易掌握，各部分电路实现起来都非常容易，在传统的乐曲演奏设计中也应用得较为广泛，技术成熟。其原理框图见图二。 图二 单片机原理实现框图 方案二：基于现场可编程门阵列FPGA，通过EDA技术。采用VHDL超高速集成电路硬件描述语言实现乐曲演奏电路设计。 3 程序设计思想 3.1 分频电路产生不同频率方波； 3.2 利用计数器实现speaker信号频率选择，某一频率持续时间长短，各频率间间隔大小，其原理框图见图三。 图三 乐曲演奏电路原理框图 通过方案一二的比较，可以看出方案一的设计使用分立元件电路较为多，因此会增加电路调试难度，且电路的不稳定性也会随之增加，而采用FPGA芯片实现的电路，由于在整体性上较好，在信号处理和整个系统的控制中，FPGA的方案能大大缩减电路的体积，提高电路的稳定性。此外其先进的开发工具使整个系统的设计调试周期大大缩短，一般来讲，同样的逻辑，基于FPGA要比基于单片机要快很多，因为它们工作的原理是完全不同的。单片机是基于指令工作的，同样的激励到达单片机后，单片机首先要判断，然后读取相应的指令，最后做出响应，每一步都是需要在单片机的时钟驱动下一步步的进行。而基于FPGA则是把相应的逻辑“暂时”固化为硬件电路，它对激励作出的响应速度是电信号从FPGA的一个管脚传播到另一个管脚的传播速度，当然这指的是异步逻辑，同时电信号也要在芯片内进行一些栅电容的充放电动作，但这些动作都是非常非常快的。结合本设计的要求及综合以上比较的情况，我们选择了基于FPGA的乐曲演奏电路的方案。 4 设计过程 4.1乐曲演奏的原理 组成乐曲的每个音符的频率值（音调）及其持续的时间（音长）是乐曲能持续演奏所需的两个基本数据，因此只要控制输出到扬声器的激励信号的频率高低和持续时间，就可以使扬声器发出连续的乐曲声。首先来看怎样控制音调的高低变化。 4.2 音调的控制 频率的高低决定了音调的高低。音乐的十二平均率规定：每两个八度音之间的频率相差一倍。在两个八度音之间，又可分为12个半音，每两个半音的频率比为。另外，音名A的频率为440HZ，音名B和C之间、E和F之间为半音，其余为全音。由此可以计算出简谱中从低音1到高音1之间每个音名对应的频率如表1所示。 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1 261.6 中音1 523.3 高音1 1046.5 低音2 293.7 中音2 587.3 高音2 1174.7 低音3 329.6 中音3 659.3 高音3 1318.5 低音4 349.2 中音4 698.5 高音4 1396.9 低音5 392 中音5 784 高音5 1568 低音6 440 中音6 880 高音6 1760 低音7 493.9 中音7 987.8 高音7 1975.5 所有不同频率的信号都是从同一个基准频率分频得到的。由于音阶频率多为非整数，而分频系数又不能为小数，故必须将计算得到的分频数四舍五入取整。若基准频率过