MIDI音乐播放器的设计毕业论文

天津职业技术师范大学Tianjin University of Technology and Education毕 业 设 计专 业：电 XXXXXX 班级学号： XXXXXXXXXX 学生姓名： XX 指导教师： XXX 高级工程师 二一三 年 六 月天津职业技术师范大学本科生毕业设计MIDI音乐播放器的设计Design of the MIDI music player专 业：XXXXXXXX 班级学号：XXXXXX 学生姓名： XCXX 指导教师：XXXX 高级工程师 2013 年 6 月摘 要本次音乐播放器使用的芯片是可编程逻辑器件 EPM240T100C5N。播放器的原理是基于该芯片作为控制的核心，应用 EDA 技术从而设计出来的。使用在 CPLD内部 VHDL，运用语言编程设计出来：一个音调发生器，一个音乐编码器，还有一个灯光闪烁控制器。外围电路的部分包括有：时钟电路，开关电路，灯，扬声器和其他必要电路，这样可以实现由伴随音乐播放而闪烁的彩灯三首音乐选择性播放。可编程逻辑器件电子设计领域用途特别广，设计人员通过灵活巧妙设计，轻松灵活的设计芯片或编写相应的程序，设计出他们想要的产品。关键词：MIDI 音乐播放器；VHDL 语言；EDA；CPLDABSTRACTThis music player is designed according to music basic principle, using EDA technology, based on Complex Programmable Logic Device (CPLD) EPM240T100C to be a control core block which produced by ALTERA company. This design program with VHDL language, designed Tone block, light controller and music coder in CPLD, and matched to some necessary periphery circuits such as clock, switch, light, loudhailer etc., to realize four songs chosen playing. The EDA application system includes series of lights changing shinning with the different tones in the music. Through this design, it can see that CPLD/FPGA has a widely application in Electronic area. The designer can design a chip or a system expediently.Key Words：MIDI Music Player；VHDL；EDA； CPLDI目 录1 绪论 .11.1 选题的意义和背景 .11.1.1 选题背景 .11.1.2 国内外现状 .21.1.3 应用和发展趋势 .31.2 研究的基本内容 .41.2.1 编程模块的设计 .41.2.2 外围电路的设计 .42 总体设计概述 .52.1 MAX II 系列 CPLD.52.2 总体设计思路 .52.1.1 总体设计框图与设计思路 .52.2.2 编程模块设计思路 .62.2.3 外围电路设计思路 .63 MIDI 音乐播放器芯片设计 .83.1 工作原理 .83.2 模块设计 .93.2.1 音乐编码器模块设计 .93.2.2 音调发生模块设计 .93.2.3 彩灯闪烁控制模块的设计 .123.2.4 开关选择模块设计 .133.2.5 顶层模块设计 .133.3 歌曲选择 .134 外围电路的设计 .144.1 时钟电路 .144.1.1 音乐节奏时钟 .144.1.2 彩灯闪烁节奏时钟产生电路 .144.2 音频功率放大电路 .164.3 音乐选择开关与彩灯闪烁控制电路 .17II5 芯片制作及系统调试 .185.1 VHDL 程序下载 .185.1.1 程序仿真图 .185.2 系统调试 .205.2.1 彩灯控制时钟的调试 .205.2.2 音频功率放大的调试 .20结论 .22参考文献 .23附录 1 总电路图 .24附录 2 系统实物图 .25附录 3 VHDL 源代码 .26致谢 .47天津职业技术师范大学 2013 届本科生毕业设计11 绪论1.1 选题的意义和背景电子科学技术在二十世纪后期快速发展，其发展的周期和集成电路和计算机的快速发展有着密不可分的关系，随之而来的专用集成电路的设计的发展难度也在不停的提高和发展过快的矛盾。新的设计方法和使用高层次的设计工具被设计出，来解决这个矛盾，即 EDA(Electronic Design Automation 即电子设计自动化)技术。EDA 技术设计，是以硬件描述语言来描述作为核心的表达方式，其设计工具有大规模的可编程逻辑器件和计算机软件还有实验开发系统。可以使用自动实现软件和一些相关的软件的方法来设计电路，包括可以程序逻辑编译、化简、分割、综合、和优化，还可以完成对特定的芯片进行编译、映射和下载的工作，专用的集成芯片由此而成为一门最新的技术。大规模集成电路技术、CPLD / FPGA 技术、集成电路布图设计技术、ASIC 测试和封装技术等技术在硬件方面可以和 EDA 技术结合，由计算机辅助设计 CAD 和计算机辅助试验 CAT 还有技术计算机 CAM 跟各种各样的计算机语言的设计概念结合成为计算机辅助工程，然而，在现代电子设备中，数字信号处理技术，数字系统设计，系统建模和优化技术都是其能够容纳理论。EDA 的主要功能是利用计算机实现电路设计自动化，由此基于计算机环境 EDA 工具的支持是必不可少的而且 EDA 的技术占领着重要的应用地位。EDA 软件应用广泛：PROTEL，ORCAD，PCAD，Viewlogic 这些在我国都有应用。功能是非常强大，使用的方法很多是这些软件的一大特色，可以实现大多数的电路设计和仿真软件和 PCB 自动布局，还可以输出网表文件，能够与其他厂商实现软件数据共享。应用程序和主要的功能可以分为电子电路设计，PCB 设计软件，仿真工具，PLD 设计工具，IC 设计软件和其它 EDA 软件工具。1.1.1 选题背景编程互连矩 阵 单元 CPLD 构成可编程逻辑宏 单 元 。其中可编程逻辑宏 单 元 结构部分要复杂一些，其结构是由复杂的 I/O 单元互连，相应的功能可由用户根据需求生成特定的电路结构实现。设计的逻辑电路由此具有时间可预测性可以避开分段式互连结构时序的不完全预测缺点，因为 CPLD 内部采用固定长度金属线实现各逻辑块的互连的方式。可编程逻辑宏 单 元 有很多特点：价格大众化比较便宜、成本低、开发的工具比较先进、可灵活编程、集成度高、而且对用户的水平要求不高、不需要测试标准产品、安全系数强，对于大规模电路也可以实现设计，因此天津职业技术师范大学 2013 届本科生毕业设计2经常应用于产品原型的设计和生产。FPGA 和 CPLD 是基于它的工作原理及结构特点来进行识别和分类的。一般的分类方法为：CPLD 是以乘积项结构方式构成的逻辑行为器件，列如 Xilinx 的 XC9500 系列、Lattice 的 ispLSI 系列、Altera 的MAX7000S 系列和 Lattice(原 Vantis)的 Mach 系列等。 FPGA 是以查表法结构方式构成的逻辑行为器件，如 Xilinx 的、Altera 的 FLEX10K SPARTAN 系列或 ACEX1K系列等。FPGA 和 CPLD 是有很多共同特点的可编程 ASIC 器件，但是由于 CPLD 和FPGA 具有各自特点，因为他们在结构上存在一些差异。 CPLD 适合完成各种组合逻辑算法而 FPGA 适合于实现时序逻辑算法。换句话说，FPGA 比较适用于触 发 器 丰富的结构而 CPLD 比较实用于有限触发器而乘积项丰富的结构。CPLD 的时序延迟是可预测的和均匀是由它的连续式布线结构决定的,而 FPGA 的不可预测性和延迟是由分段式布线结构决定的。 FPGA 比 CPLD 在编程上更具有灵活性。CPLD 编程是通过修改具有固定内连电路的逻辑功能来实现,FPGA 编程大部分是由改变内部连线布线来实现；FPGA 编程是在逻辑门下，而 CPLD 编程是在逻辑块下。FPGA 的集成度比 CPLD 要高，她的逻辑实现和布线结构更复杂。 CPLD 比 FPGA 更方便使用一些。采用 E2PROM 或 FASTFLASH 技术时，CPLD 的编程不要外部存 储 器 芯片，很简便。而 FPGA 的编程信息更为复杂点，它是存放在外部存储器上的。CPLD 的比 FPGA 速度要快的多，好具有很好可预测性。这是由于 FPGA 是门级编程，他们之间采用分布式互联； CPLD 是逻辑块级编程，且其逻辑块之间互联是集总式的而决定的。1.1.2 国内外现状MIDI 其实就是一种数字接口，计算机是数字世界的统治者， MIDI 乐器也就主要由计算机控制，当我们将计算机接到整个音乐系统，决定了确定了它的主要控制地位。 电脑音乐带来了一个真正的繁荣时期，同时也带来了一个比较麻烦的事情，那就是各种电子乐器之间没有一个标准的模式：因为生产厂家都按照自己的规格生产电子乐器，厂家内部生产的产品当然没有什么问题。但是当您使用很多家公司的设备构成一个电脑音乐系统的时候，就可能出现音源代码不能够通用，就像语言不通一样而麻烦重重。1982 年，国际乐器制造者协会在一起讨论就是为了解决电子乐器的通讯统一的问题。其中提出的“通用合成器接口”方案，最后为“音乐设备数字接口”，也就是“Musical Instrument Digital Interface”缩写为“MIDI”，公布于众。在此天津职业技术师范大学 2013 届本科生毕业设计3之后，所有的商业用电子乐器不再有“语言障碍”，统一了乐器的后面都有五孔的MIDI 插座。MIDI 其实就是 Musical Instrument Digital Interface 的英文缩写，即音乐设备数字接口。 这种接口技术的功能就是好比一种国际语言一样，实现电子乐器与之间的通讯和交流，这种国际语言其实也就是这个通用协议，被我们称为 MIDI 协议。研究计算机方面的人把 MIDI 理解成一种局域网，网络的通过专用的串行电缆连接来送着每个部分的数字音乐信息。 这一协议标准制定出后，在早起只是在专业电脑音乐圈发挥作用，但是近几年电子技术的发展，尤其多媒体技术的迅猛发展，MIDI 被媒体炒得火热，几乎达到了人人都知道的地步。很多人这种接口技术作为一种电脑音乐符号。我们将 MIDI 划分为两种概念，一个为 “狭义的 MIDI”，一个为“ 广义的 MIDI”。 之前所说音乐设备数字接口是的狭义 MIDI 范围，MIDI 音乐称为整个电脑音乐的统称，就是在广义上的定义。MIDI 1.0 版的细节规定在 1985 年的出版又重新定义了一些控制器号码。“日本 MIDI 标准委员会”与“MIDI 厂商协会”等一些组织相继成立，就是为了能够确保 MIDI 标准从成长阶段走向了成熟阶段。 MIDI 标准的成熟之后，现在的电子乐器生产厂商们挖空心思的生产出各种电子乐器，乐器样式特别多，有合成的键盘式的、像鼓机一样敲击式的、还有弦控式的MIDI 吉他，甚至还有呼吸控制器。 1.1.3 应用和发展趋势中国 EDA 市场越来越成熟,目前国内 EDA 技术来看，它是朝着是普及性使用、多样化工具、广泛的应用、强大的软件功能方向发展的。信息通信这一块，像高速宽带信息网、计算机及软件技术、信息管理、新型元器件、第三代移动通信技术、信息安全技术，网络技术、积极开展以数字技术为基础的新一代信息产品要优先发展。我国目前积极开展计算机辅助设计、计算机辅助工程、计算机辅助工艺且要大力推进制造业信息化， 、计算机辅助制造、制造资源计划。1995 年以来我国加速半导体产业的开发，为应对对亚太地区其它 EDA 等市场的竞争而建立了各种设计中心。美国在 EDA 软件开发方面，仍然占领着集中的地位。韩国、日本都有他们自己的 ASIC 设计工具，却不对外开放。中国华大集成电路设计中心也能够提供 IC 设计软件。相信将来不久会有更多更好的设计工具在各地开花结果。天津职业技术师范大学 2013 届本科生毕业设计41.2 研究的基本内容1.2.1 编程模块的设计本次设计利用使用 Quartus II 软件和 Altera 公司的 CPLD 芯片来进行设计，编写设计程序用的是 VHDL 语言。芯片的存储空间有限，为能节省芯片内部资源，所以我们选择一些歌曲音律范围不是很广，节拍清