电气班童瑶乐曲演奏实验设计.docVIP

2014-2015 学年 第 1 学期 山东科技大学电工电子实验教学中心 创新性实验研究报告 实验项目名称＿＿乐曲硬件演奏电路设计＿ 组长姓名 童瑶 学号201201030824 联系电话 成员姓名 学号 成员姓名 学号 专 业 电气工程及其自动化 班级 2012-2 指导教师及职称 吕常智 2015年 1 月 15日 一、实验摘要 本实验是要完成一小段音乐程序的开发，然后再用扬声器进行试听。本分析了乐曲演奏设计中音符、频率、节拍与编码的相互关系，并在EDA开发工具MAX-plus II平台上，采用VHDL语言及原理图的设计方法，实现了基于FPGA片上系统动态显示可选择乐曲的乐曲演奏器的设计，使乐曲演奏数字电路的设计得到了更好的优化，提高了设计的灵活性。使乐曲演奏数字电路的设计得到了更好的优化，提高了设计的灵活性 图1 乐曲演奏电路结构框图 （1）音符与频率的关系 各音阶频率计相应的分频系数如表1所示。为了减少输出的偶次谐波分量，最后输出到扬声器的波形应为对称方波，因此在到达扬声器之前，又经过一个2分频的分频器。表1的分频系数就是从4MHZ频率2分频得到的2MHZ频率基础上计算得出的。 表1各音阶频率对应的分频表 音名 分频系数 初始值 音名 分频系数 初始值 音名 分频系数 初始值 低音1 7644 547 中音1 3822 4369 高音1 1911 6280 低音2 6810 1381 中音2 3405 4786 高音2 1270 6921 低音3 6067 2124 中音3 3034 5157 高音3 1517 6674 低音4 5727 2464 中音4 2864 5327 高音4 1432 6759 低音5 5102 3089 中音5 2551 5640 高音5 1256 6935 低音6 4545 3646 中音6 2273 5918 高音6 1137 7054 低音7 4050 4141 中音7 2025 6166 高音7 1013 7178 由于最大分频系数是7644，故采用13位二进制计数器已能满足分频的要求。在表2中，除了给出了分频比例外，还给出了对应于各个音阶频率时计数器不同的初始值，对于乐曲中的休止符，要将分频系数设为0，即初始值位8191即可，此时扬声器将不会发声。对于不同的分频系数，加载不同的初始值即可。用加载初始值而不是将分频输出译码反馈，可以有效地减少成本设计占用可编程逻辑器件的资源，也是同步计数器一个常用设计技巧。 （2）控制音长的节拍发生器 该演奏电路演奏的乐曲是“梁祝”片段，其最小的节拍是1拍。将1拍的时间定为0.25S，则只需要再提供一个4HZ的时钟频率即可产生1拍的时长，演奏的时间控制通过ROM查表得方式完成。对于占用时间较长的节拍（一定是拍的整数倍），如全音符为4拍（重复4次）,2/4音符为2拍（重复2次），1//4音符为1拍（重复1次）。 要求演奏时能循环进行，因此需要另外设置一个时长计数器，当乐曲演奏完成时，保证能自动从头开始演奏。 实验原理图为： 2、实验内容 根据层次化的设计思路，可把乐曲硬件演奏电路分为3个模块，音乐节拍发生器NoteTabs模块,音符译码电路ToneTaba模块，数控分频模块（Speakera）。 （1）音乐节拍发生器NoteTabs 该模块将利用FPGA的片内POM存放两首乐曲简谱真值表，该计数器的计数频率为4HZ，即每一个数值的停留时间为0.25S，随着NoteTabs中计数器按4HZ的时钟频率做加法计数时，乐符数据转向音符译码电路ToneTaba，所以所存的乐曲就自然的演奏起来。 （2）音符译码电路ToneTaba模块 音符译码电路即音调发生器实际上是一个翻译电路，根据输入为数控分频模块提供所发音符频率的初始值，而此数控分频模块入口的停留时间即为此音符的节拍数。 在源程序中Index是音乐节拍发生器输出的音符数据；TONE是为数控分频模块提供的音符频率的初始值，为方便测试，特设置了一个音名代码显示输出CODE和音高指示信号HUGH可以通过数码管或LED来显示乐曲演奏时对应的音符和高音名。CODE输出对应该音阶简谱的显示数码1，HIGH输出为高电平，指示音阶为高，HIGH输出为低电平时，则指示音阶为中音。 （3）数控分频模块(Speakera)设计 数控分频器对FPGA的基准频率进行