基于FPGA的简单音乐电路设计方案

1 基于 简单音乐电路设计方案 工作任务的陈述与背景 一、工作任务 的陈述 使用层次化设计方法，设计并用 乐电路 。 二、工作任务的背景 据有关媒体介绍，中国的第一颗人造卫星东方红一号卫星，于 1965 年开始研制， 1970 年 4 月 24 日进入太空轨道， 该星重量超过了苏、美、法、日等前 4个国家第一颗卫星重量的总和 ,在某些技术方面超过上述 4 个国家第一颗卫星的水平 ,开创了中国航天史的新纪元。 东方红一号重 173公斤 ,设计寿命为 14天 ,实际寿命达到 20天 ,1970年 5月14日 停止发送信号。关键技术包括东方红乐音装置、短波天线遥测系统等 4项。其中电子乐音发生器是全星的核心部分 ,它通过 20兆赫兹短波发射系统反复向地面播送 “ 东方红 ” 乐曲的前八小节 ，全中国人民乃至 全世界的人 民通过收音机 都能听得到。 完成研制 东方红乐音装置任务 的是 中国科学院自动化所的一个小组。他们首先考虑，用什么样的方法来模拟出 “ 东方红 ” 乐曲。当时有三种方案提上了台面，一种是八音盒方案，它采用机械齿轮播放音乐；另一种就是把音乐录在磁带机上，但是当时中国还没有小磁带机，都是笨重的大磁带机，不可能装上卫星升空；因此第三种方案自然就是电子音乐，这也是后来被广泛接受的一种方案。 根据 上级 要求 ，只 需 让卫星播放东方红前八个小节的旋律。小组决定在四十秒内连续播放两遍这八个小节，然后发射机就切换成遥测信号，用一个发射机就可以实现交替传送乐曲和遥测信号的目的。 这是国内早期最知名，影响最大的一个音乐电路。在国内缺乏集成电路，没有微处理器的那个时代， 东方红乐音装置 全部用晶体管分立元件做成。有人粗略统计，整个 乐音装置 全部共用了 110多个晶体三极管（绝大多数是 3大约150个二极管（都是 2其他都是电阻电容。 现在，音乐电路广泛用于自动答录装置、手机铃声、集团电话及智能仪器仪 2 表设备中。作为一个电子系统的一个模块，音乐电路的实现方法有以下几种 : （ 1）购买专用音乐电路片。特点是价格便宜，多用于玩具， 无法更改乐曲 ,也无法编程。 （ 2）录音重放电路，如 列录放电路。 可通过麦克风人工录音，分段放音，成本稍高。 （ 3）利用微处理器来实现乐曲演奏 ,需要占用微处理器的资源较多 (要占用 D/ A 和定时器等 ) ，大多数情况无法采用这种方法。 （ 4）以 现乐曲演奏，也就是本任务要求使用的方法 。用这种方法实现音乐电路，现在单独价格较高。但随着 成度的提高，价格下降， 计工具更新换代，功能日益强大，操作方便实用 ，以及 IP 念日益普及与流行，使这种方案的应用领域会越来越多。 它的突出优点是：第一，仅占用 很少的资源，因此增加的系统整体成本较低，甚至不增加成本。 这是因为某个产品选定某型号 片，产品的其它部分只用了其中一部分资源，还有相当一部分资源闲置没用；第二，更改乐曲非常方便；第三，可作为 IP 现设计重用。 9 2 完成 工作任务的引导 一、 资讯 1明确任务 作为初步的开发设计，为了简化设计，本任务设计的音乐电路可只考虑音的最重要 的两个方面： “ 音的高低 ” 和 “ 音的长短 ” ，即 音高和音长，忽略音的力度和音色。要求音乐电路最少能连续循环 演奏一首歌曲或一首歌曲的一部分，在此基础上可再做进一步的扩展。 由于不考虑音色，考虑到充分利用 数字电路资源，可用一个可控分频电路模块产生 演奏 音乐所需的每个音，而各个音 演 奏的顺序和持续的时间即音长可根据乐谱用一个控制电路模块来控制。 电路输入是两路时钟信号：一路作为可控分频电路模块的 输入时钟，经可控分频电路模块分频后，得到各种所需的乐音信号。一路作为控制电路模块的输入时钟，用来产生节拍。 这两路时钟信号的频率根据具体的实验条件和所选歌曲可有所不同。 3 电路的输出有：一路一线是乐音信号输出，用来驱动外接喇叭或蜂鸣器演奏音乐。一路一线用来驱动外接的一个 奏高音时发光。一路四线用来驱动外接的数码管显示演奏的音符简谱符号。 2查阅资料 到图书馆、互联网查找有关资料。前人发表的有关音乐电路的文章主要散见在学术期刊和有关网页上。可用乐曲演奏电路、音乐发生器等关键词查找。另外，要理解这些文章 所介绍的原理，还要具有音乐简谱、乐音频率的有关知识，如果缺乏，可再查找有关音乐简谱、乐音频率的知识。 本章第三节，提供了一些与本任务有关的资料，请认真阅读。 二、 计划 音乐电路是模仿人歌唱的电路。故可用人歌唱作为原型来分析设计本任务的总体方案。人通过声带振动发出声音，声带振动频率不同发出不同声音。故在用数字电路来模仿时，可用一个可控分频电路来产生不同频率时钟信号来用来驱动外接喇叭或蜂鸣器演奏音乐。 人在歌唱时，是根据歌谱，用大脑控制声带按照一定节拍来在不同时间发出不同的乐音的。故在用数字电路 来模仿时，还应该有一个控制电路模块，用来根据歌谱控制可控分频电路模块按照一定节拍来在不同时间发出不同的乐音的。而控制电路 模块应该分为两个小模块，一个用来产生 节拍，称节拍产生模块。另一个用来 根据歌谱控制可控分频电路模块在不同时间发出不同的乐音， 称音符产生模块 。 控制电路模块只是根据歌谱产生可供控制可控分频模块，按照一定节拍来在不同时间发出不同的乐音的 音符信号 。具体要控制可控分频模块，还得要把 音符信号转换为 可控分频模块的分频系数输入信号，另外也要根据 音符信号决定 提供给外围数码管的用于显示简谱音符符号的数 据和提供给外围 用于显示高低音的数据。这就需要另一个 模块： 分频系数、 据产生 模块了。 由于音乐电路是连续循环 演奏，故控制电路 模块 的核心部分 节拍产生 模块 应是一个计数器，每个状态持续的时间是需演 奏的所有的音的音长的最小公因数，比如是一个十六分音符时值，具体时间长度应根据 需演 奏 歌曲而定。这样，每个音 持续的时间是 每个状态持续的时间的整数倍，故占据整数倍个状态。具体占据状态的个数要根据每个音的音长来决定。 4 控制电路的计数器的模即状态数，可由 需演 奏 歌曲的各个音所占据状态个数累加而得。例如一首用于 演 奏 “梁祝”乐曲的音乐电路的 控制电路的计数器的模是 139。 节拍产生电路的计数器，用来产生节拍定时，音符产生模块则将节拍产生电路的计数器的 状态翻译成对应的音符，假如需 演 奏的歌曲中所用到的音符在 9到 16 个之间，则 音符产生模块的输出信号应有四位，其它情况，依此类推 。 分频系数、 据产生 模块则根据音符产生模块输出的 音符信息，产生每个时刻提供给可控分频模块的分频系数、提供给外围数码管的用于显示简谱音符符号的数据和提供给外围 用于显示高低音的数据。 因此，音乐电路设计总体参考方案如下： 图 9乐电路设计总体参考方案 其中的两个时钟频率取值，下面再做分析。 三、 决策 本音乐电路设计重点在可控分频模块和控制电路模块的设计，故只讨论这两个模块以及顶层模块的设计方案的选择。 1 可控分频模块设计方案的选择 （ 1） 等占空比 和 非等占空比 方案选择 可控分频电路按输出时钟的 占空比 来分 ， 有 等占空比 和 非等占空比 两类方案，为了得到足够功率驱动蜂鸣器，采用 等占空比 输出的可控分频电路方案。 （ 2） 偶数分频、 整 数分频 方案的选择 常见的分频电路有 偶数分频、奇数分 频 和整 数分频 电路，本任务从原理来看，既有 偶数分频 又有 奇数分频 ，故应属于整 数分频 电路。 非等占空比 的 偶数分频、奇数分频 电路有统一的设计方法并且比较简单，但 等占空比 的 偶数分频、奇数分频系数、 块 可控分频模 块 节拍产生模 块 音符产生模 块 5 频 电路设计方法则不相同。对于 偶数 （ 2N）的 等占空比分频 ，可先做 N 非等占空比分频 ，再做 2 分频 即可，比较简单。对于 等占空比 的 奇数分频 电路则不能采用这种方法，比较复杂。本任务可采取用较高频率（比如 12输入时钟，这样分频比就比较大，故对于初学者，作为初步解决方案，可采用 偶数 分频比近似代替 奇数分频 比的方法，把整 数分频 电路变成 偶数 （ 2N） 分频 电路，用先做 再做 2 分频 这种较简单的方法来设计。作为提高，可采用比较复杂的真正的整 数分频 电路设计方法设计。 2 控制电路模块设计方案的选择 控制电路 模块 的核心部分 节拍产生 模块 是一个计数器，可采用通常的方法设计。 音符产生模块的输入信号是节拍产生 模块 输出的计数值，输出信号是表示音符的音符序号。在节拍产生 模块 输出的计数值变化范围不大并且音符产生模块的输出数值不需灵活改变时，可用 句直接来描述音符产生模块即可。在节拍产生 模块 输出的计数值变化范围较大或音符产生模块的输出数值需灵活改变时 ，可使用 存储对应于不同计数值的 音符序号。 3 入设计法和原理图输入设计法的选择 本任务，底层模块采用 入设计法较简单，而顶层模块采用 四、实施 下面用 用于演 奏 “梁祝”乐曲的音乐电路为例，对音乐电路各模块的 实施 进行进一步的分析。 （一）控制电路模块 控制电路模块包含 节拍产生模块和音符产生模块 两子模块，可合写成一个文件。 1 节拍产生模块设计分析 根据以上分析，此模块为一计数器，现在需进一步决定计数器的模及其输入时钟频率。 根据乐曲“梁祝”的简谱，此乐曲以四分音符为一拍，四拍为一节，所有的音的音长的最小公因数是一个十六分音符时值，所以以十六分音符时值作为一个状态持续时间，把乐曲“梁祝” 中各个音所占据状态个数累加而得知节拍产生模块 计数器的 模是 139，其中最后休止符用了三个时间单位。 6 乐曲“梁祝”的简谱没有明确标出 演 奏速度，根据经验设定一分钟 演 奏 60拍，因此一拍持续时间即四分音符的时值为一秒，一个状态持续时间即一个十六分音符时值为 。故 节拍产生模块 输入时钟周期为 ，频率为 4 2 音符产生模块设计分析 音符产生模块的功能是将节拍产生电路的计数器的计数值 按照乐曲“梁祝”的简谱翻译成对应的音符，若用 示 计数器的 状态， 示音符符号，可把乐曲“梁祝”的简谱出现的音规定如下： 表 9符与 低音 中音 高音 音名 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 那么，根据乐曲“梁祝”的简谱可得其真值表如下： 表 9值表 0: 3 ; 01: 3 ; 02: 3 ; 03: 3; 04: 5; 05: 5; 06: 5; 07: 6; 08: 8; 09: 8; 10: 8 ; 11: 9 ; 12: 6 ; 13: 8; 14: 5; 15: 5; 16: 12; 17: 12; 18: 12; 19:15; 20:13 ; 21:12 ; 28: 9; 29: 9; 30: 9 ; 31: 9 ; 32: 9 ; 33: 9; 34: 9; 35:10; 36: 7; 37: 7; 38: 6; 39: 6; 40: 5 ; 41: 5 ; 42: 5 ; 43: 6; 44: 8; 45: 8; 46: 9; 47: 9; 48: 3; 49: 3; 56: 5; 57: 5; 58: 5; 59: 5; 60: 5 ; 61: 5 ; 62: 5 ; 63: 5; 64:10; 65:10; 66:10; 67:12; 68: 7; 69: 7; 70: 9 ; 71: 9 ; 72: 6 ; 73: 8; 74: 5; 75: 5; 76: 5; 77: 5; 84: 5; 85: 6; 86: 7; 87: 9; 88: 6; 89: 6; 90: 6 ; 91: 6 ; 92: 6 ; 93: 6; 94: 5; 95: 6; 96: 8; 97: 8; 98: 8; 99: 9; 100:12 ; 101:12 ; 102:12 ; 103:10; 104: 9; 105: 9; 112: 3 ; 113: 3; 114: 3; 115: 3; 116: 8; 117: 8; 118: 8; 119: 8; 120: 6 ; 121: 8 ; 122: 6 ; 123: 5; 124: 3; 125: 5; 126: 6; 127: 8; 128: 5; 129: 5; 130: 5 ; 131: 5 ; 132: 5 ; 133: 5; 7 22:10 ; 23:12; 24: 9; 25: 9; 26: 9; 27: 9; 50: 8 ; 51: 8 ; 52: 6 ; 53: 5; 54: 6; 55: 8; 78: 5; 79: 5; 80: 3 ; 81: 5 ; 82: 3 ; 83: 3; 106:10; 107: 9; 108: 8; 109: 8; 110: 6 ; 111: 5 ; 134: 5; 135: 5; 136: 0; 137: 0; 138: 0; 3设计文件实体描述 两模块可合起来写成一个文件 实体描述如下： S ) ); 其中输入时钟信号与 连， 示音符信息。因为 值从1 到 15，故为 4 位二进制信 号。 其结构体设计可参考例 （二）分频系数、 据产生 模块 1设计文件实体描述 此模块的功能是产生提供给可控分频模块的分频系数、提供给外围数码管和外围 数据。其实体描述如下： S 3 ) ; : 3 ) ; : : 10 ) ); 其中 4 位二进制信号，表示音符的信息， 4 位二进制信号，是提供给外围数码管的用于显示简谱音符符号的数据， 提供给外围 的用于显示高低音的数据。 供给可控分频模块的分频系数。它们的关系如 表 9 2结构体设计分析 乐曲“梁祝”是 频率 数据如 表 9表中，可控分频模块的输入时钟设为 12M 前后 12 2 分频后为 500000故 供给可控分频模块的分频系数 211 f。又考虑到最大分频比为 500000/1432，其二进制表示是 10110011000，故 可控分频模块的 计数器为 11位二进制计数器。 表 9频系数、 据产生 模块 真值表 F 调 简谱 音名 率 f B） 低音 1 0001 0 16 01001101000 2 0010 0 73 01100000101 3 0011 0 12 01110010000 4 0100 0 76 01111010000 5 0101 0 092 10001000100 6 0110 0 197 10010101101 7 0111 0 290 10100001010 中音 1 0001 1 372 10101011100 2 0010 1 410 10110000010 3 0 0011 1 480 10111001000 4 11 0100 1 512 10111101000 5 2 0101 1 1047 1570 11000100010 6 3 0110 1 1175 1622 11001010110 7 4 0111 1 1319 1668 11010000100 高音 1 5 0001 1 1397 1690 11010011010 这是一个简单的组合逻辑模块，其 述比较简单，这里不再介绍。 （三）可控分频模块 此模块的功能是用一个可控分频电路来产生 演奏 音乐所需的每个音。可控分频模块实体描述如下： S : 10 ); ); 9 作为初步解决方案，采用 偶数 分频比近似代替 奇数分频 比的方法，把整 数分频 电路变成 偶数分频 电路来设计。 可控分频模块是一个具有 12 预分频和 2 后分频的可控分频电路。 可控分频模块的输入时钟 率选 12了使 可控分频模块 分频系数取值范围比较合适， 输入时钟先 经 12 分频，同时为了使输出信号 有较高 的驱动功率，可控分频后再经 2分频，使输出信号 有 50%的占空比，从而具有 较高的驱动功率。 可控分频模块的输入时钟为 12M 前后 12 2 分频后为 500000根据此频率来计算各音的分频系数，计算中对小数四舍五入。这相当于 把整 数分频电路变成 偶数 （ 2N） 分频 电路，用先做 再做 2分频 这种较简单的方法来设计。 根据最大分频比的 二进制表示的位数来确定可控分频电路的 计数器的位数。例如 乐曲“梁祝”， 最大分频比为 500000/1432，其二进制表示是 10110011000，故 可控分频模块的 计数器为 11位二进制计数器。 分频电路的描述与计数器电路相似，下面进程描述一个 12分频电路。 3 ) ; 1 11 AP(; 五、检查 分别 编译各底层模块和整个电路设计，并分别仿真控制电路模块和分频系数、 据产生模块。通过后，若有条件，应将源代码下载到硬件中做最后的验证。 六、评估 对本次设计进行评估，可尝试更好的方案、方法。写出设计报告，设计报告应包括所应用到的 法及知识的总结。 9 3 相关技术基本知识与基本技能 一、相关音乐知识 1 乐音 的 四个基本要素 一般来说，所有乐音有四个基本要素 ,而其中最重要的是 “ 音的高低 ” 和“ 音的长短 ” ： （ 1） 音的高低：任何一首曲子都是 由 高低相间的音组成的 ， 从钢琴上直观看就是越往左面的键盘音越低 ，越往右面的键盘音越高。 （ 2） 音的长短 ： 除了音的高低外，还有一个重要的因素就是音的长短。音的高低和长短的标 注 决定了该首曲子有别于另外的曲子，因此成为构成音乐的最重要的基础元素。 （ 3） 音的强度 ： 一首音乐作品总会有一些音符的力度比教强一些，有些地方弱一些。而强度的变化是音乐作品中表达情感的因素之一。 （ 4） 音色：同样的旋律音高男生和女声唱就不一样的音色 ， 小提琴和钢琴的音色就不一样。 2 音名与唱名 不同音高的乐音，是用 C D E F G A B 来表示的，这七个拉丁字母就是乐音的音名，它们一般依次唱成 )、 )、 )、 )、 )、 )、 )。 即唱成简谱的 1、 2、 3 、 4 、 5 、 6、 7 。 )、 )、 ) 是唱曲时乐音的发音，所以叫唱名。 3 简谱中 的 音符 12 简谱 是国内 广泛使用的记录音乐的方式。简谱是一种比较简单易学的音乐记谱法 ， 它仅用 7 个阿拉伯数字 1、 2、 3、 4、 5、 6、 7 表示 C D E F G A B ，通过这 7 个阿拉伯数字 ,就能将千变万化的音乐曲子记录并表示出来。简谱虽然不是出现在中国，但在中国得到非常广泛的传播。 在简谱中，记录音 的高低和长短的符号，叫做 音符 。 简谱的音符相对应的数字的大小决定音的相对高低。比如数字 2 比 1 大， ；数字 2 比 3 小， 比 ，等等。 音符 有多种类型。 （ 1） 按所记录的 音的 相对 高低 来分 音符 分为中音音 符 、高音音 符 、低音音 符 、倍高音音 符 、倍低音音 符 、超高音音 符 、超低音音 符 、最高音音 符 和最低音音 符 。 七个音符主体 1、 2、 3、 4、 5、 6、 7 就表示七个 中音音 符。在七个基本的音符 1 2 3 4 5 6 7 上面各加一个圆点即成为七个高音 音 符： 。在七个基本的音符 1 2 3 4 5 6 7 下面各加 一个圆点即成为七个低音 音 符：。如果在中音音符上下各加两个圆点，就成为叫倍高音音符和倍低音音符，在中音音符上下各加三个圆点，就成为叫超高音音符和超低音音符，在中音音符上下各加三个圆点，就成为叫最高音音符和最低音音符。 （ 2）按所记录的 音的 相对 长短 来分 音符 分为全音符、二分音符、四分音符、八分音符、十六分音符和三十二分音符。 七个音符主体 1 2 3 4 5 6 7 表示 四分音符 。在四分音符后面每加一条短横线就表示增加等于一个四分音符的时值 (时间长度 )，在四分音符后面加一条短横线就成为 二分音符，例如 2，在四分音 符后面加三条短横线就成为 全音符例如 3；在四分音符下面每加一条短横线，就表示将其上面的音符的时值削减一半，在四分音符下面加一条短横线就成为 八分音符，例如 4 ， 在四分音符下面加两条或者三条短横线就成为 十六分音符 或者 三十二分音符，例如 3 、 2 。 （ 3）附点音符 附点音符又分为单附点音符和双附点音符。通常说附点音符即指单附点音 13 符，如指双附点音符，必须加“双”字。 单附点音符 和双附点音符是在以上音符基础上，在其后面加上一个或两个附点（园点或短横线）构成。单附点将音符的时值增加一半，第二附点则将第一附点的时值增加一半。全音符和二分音符的附点不用园点而用短横线，其他情况的附点使用园点。例如 4、 3 、 3、 2是单附点音符，而 4、 3 、3、 2是双附点音符。 （ 4）休止符 音乐有时会出现一定时间的休止 (间断 )，以适应表达乐思的需要，同时也与乐音形成对 比。 简谱 用数字 0 作记录休止的符号，叫做休止符。 3调、节拍与速度 简谱中的音符的音高只是相对的音高，需要指定其中一个基本音比如 1 的绝对音高才能确定所有音符的绝对音高，简谱中使用表明一首乐曲的调的方法来规定乐曲中各音符的绝对音高。例如 1=C，称为 C 调，表明中音 1 发钢琴键盘中间的白色的 C 键的音。 一首乐曲的简谱是由一个一个小节构成的，小节之间用一条小竖线隔开。一个小节中用某种时值的音符 (四分音符或八分音符等 )作一拍，结合每小节的拍数(二拍、三拍等 )、就构成拍子。 标明拍子的记号叫拍号，用一个分数来表示 。拍号的分母表示用什么时值的音符作一拍，分子表示每小节的拍数。例如，42，分母数字 4 表示用四分音符作一拍，分子数字 2 表示每小节容纳两拍。 速度指唱奏时节拍、节奏的快慢程度。唱奏速度是用每一分钟唱奏多少拍表示，唱奏速度一定后，每一拍以至每个 音符就有了 确定的时值，在此之前，每一拍和每个 音符只有相对 时值。 4音阶与调性 按照一定关系结合在一起的几个音（一般是七个音左右）组成一个有主音（中心音）的音列体系，构成一个调式。把调式中的个音，从主音到主音，按一定的音高关 系排列起来的音列，叫音阶。 （ 1） 12 个大调音阶 音与音之间的距离符合全全半全全全半的八个音，就称为大调音阶。这里的 14 全和半分别指全音和半音。距离是 一个 半音 的 相邻两个音，高音频率是低音频率的 “2 的 1/12次方倍 ” 。 一个 全音的距离等于两 个 半音 的距离。 首先以大家最熟悉的 C 大调音阶为例，做一个说明。 C 大调音阶： C D E F G A B C， 主音是 C。 C 与 D 之间的音程为全音 ； D 与 E 之间的音程为全音 ； E 与 F 之间的音程为半音 ； F 与 G 之间的音程为全音 ； G 与 A 之间的音程为全音 ； A 与 B 之间的音程为全音 ； B 与 C 之间的音程为半音。 又例如 G 大调： G A B C D E F# G（这里的 F#是比 F 升半音的音），也符合全全半全全全半的规则。 了解大调的定义之后，就可以排出所有的大调音阶。因为一个八度内总共有十二个半音，每一个都可以作为大调的起音，所以总共有 12 个大调。 C C D E F G A B C G G A B C D E F# G 一个升 D D E F# G A B C# D 两个升 A A B C# D E F# G# A 三个升 E E F# G# A B C# D# E 四个升 B B C# D# E F# G# A# B 五个升 F# F# G# A# B C# D# E# F# 六个升 等于 b F 六降个 （这里的 比 G 降半音的音） C# C# D# E# F# G# A# B# C# 七个升 等于 b F C 五个降 b C b F G 四个降 G b C D 三个降 D G A 两个降 F F G A D E F 一个降 其中 F#和 C#和 名不同，但实际上是相同的音。 从以上的 12 的大调可以看出，每往上五度就多一个升， C G D A E B F#，而每往下五度就多一个降， C F b b. 15 图 9度圈 也就是说，从任一个音往上或往下数完全五度，数完 12 个之后又会回到同一个音，这就叫做五度圈（如图 9 所以以后听到两个升的大调一定是 D 大调，升 F 升 C：两个降的大调一定是 调，降 B 降 E。 （ 2）小调音阶 小调与大调的不同点在于小调听起来比较忧郁、哀伤，而大调比较明快。小调有三种