基于FPGA的音乐播放控制电路设计

1音乐播放控制电路设计草鱼设计指标草鱼首先，鲤鱼将简谱按照我们的要求进行编码并将其写入只读存储器ROM之中，鲤鱼然后通过我们的电路读出ROM的内容，鲤鱼进行解码后驱动蜂鸣器播放。草鱼草鱼草鱼系统概述草鱼设计思想草鱼20HZ至20KHZ的音频脉冲信号控制蜂鸣器，鲤鱼可以使其根据控制信号的频率发出不同的音调。草鱼一般的音乐我们可以用3个8度音程进行表现，鲤鱼不同的音名和音程具有不同的频率，鲤鱼由此我们可以设计出电子电路根据音符控制输入到蜂鸣器中的频率，鲤鱼从而发出我们想要的声音。草鱼草鱼各音高的频率关系PORK每两个相差度的音高频率相差一倍草鱼若计数器输出频率的为高音1，鲤鱼将分频器输入的计数脉冲频率降低一倍，鲤鱼则音调降低8度，鲤鱼发出中音1。草鱼草鱼草鱼可行性论证草鱼要制作播放器，鲤鱼首先要解决的问题就是找一个能够产生固定频率的源，鲤鱼在这里很容易实现，鲤鱼我们使用一个10M的晶振，鲤鱼当其接上适当的电路之后，鲤鱼其将发出恒定的振荡波形。草鱼草鱼有了10M的信号源之后，鲤鱼怎样才能使其变成驱动蜂鸣器发出我们需要的声音的信号，鲤鱼这里我们使用分频器来实现草鱼为了发出不同音名的音，鲤鱼用计数器来实现分频器要常常改变分频系数，鲤鱼这里我们选用一个模可变的计数器来完成这个功能。草鱼草鱼为了实现音乐播放的连续性，鲤鱼我们把乐谱存储到ROM中，鲤鱼播放电路的通取ROM中的内容经过特殊的解码操作便可以得到我们需要的计数器分频系数。草鱼分频后便是我们需要的驱动蜂鸣器的信号。草鱼草鱼音高控制草鱼根据简谱音符的音高控制蜂鸣器频率。草鱼草鱼数字电路中，鲤鱼模N的计数器溢出信号的频率是计数脉冲信号频率的1/N。草鱼草鱼2所以，鲤鱼可以设计一个模可控的计数器实现不同的分频比，鲤鱼使溢出信号频率满足不同的音高要求。草鱼由于三个8度音程中相同音名的信号频率相差一倍草鱼。草鱼所以在分频系数不变时，鲤鱼将计数脉冲频率升高（或降低）一倍可使分频器的溢出信号频率升高（或降低）一倍，鲤鱼音调升高（或降低）8度。草鱼草鱼音长控制草鱼某个音符音长由该音高频率信号的持续时间长短决定草鱼可采用一个计数器对音长进行定时，鲤鱼计数脉冲周期是乐谱时值，鲤鱼决定了该单元音符的持续时间。草鱼所以，鲤鱼可采用计数器对音长进行定时，鲤鱼计数脉冲周期为所选乐谱中时值最短音符的时值，鲤鱼其它音符的音长定时可根据其时值与最短音符音长（度量单位）的倍数关系持续不同的计数脉冲周期。草鱼比如PORK乐谱中最短音符为8分音长，鲤鱼则4分音符为2个时钟周期，鲤鱼而全音符为8个时钟周期。草鱼草鱼草鱼各功能的组成草鱼电路的框图如下图所示PORK草鱼草鱼总体工作过程草鱼CP脉冲既是从10M的晶振中输出的脉冲波，鲤鱼它被分为两路进行传播草鱼线路方向1PORK通过“M分频”，鲤鱼此路信号作为时钟脉冲输入“时值计数器”，鲤鱼计数器便按照此时钟进行计时，鲤鱼其输出端连接“曲谱储存表”，鲤鱼这就可以使其按照地址访问ROM中的数据，鲤鱼从曲谱输出表ROM的输出端输出数据，鲤鱼按照我们制定的编码规则，鲤鱼读出的数据一共分为6位，鲤鱼如下表所示543210间断音控制音程码（控制音高）音名码（控制音名）最高位控制间断音控制，鲤鱼为了区分例如PORK5草鱼5和5的音节。草鱼4、PORK3两位是音程码，鲤鱼用于控制高音、PORK中音和低音。草鱼2、PORK1、PORK0这三个是音名码，鲤鱼用于控制音名，鲤鱼选择播放DO草鱼RE草鱼MI草鱼FA草鱼SO草鱼LA草鱼SI中的哪个音。草鱼草鱼“曲谱储存表”中的音名码作为地址被送入“分频系数表”，鲤鱼这样相应的分频3系数就被读了出来，鲤鱼然后被送进计数器的置数端，鲤鱼原始的信号经过N分频便得到我们需要的信号，鲤鱼为了得到占空比为百分之五十的信号，鲤鱼在N分频的输出端我们采用一个2分频器，鲤鱼最后驱动蜂鸣器。草鱼草鱼线路方向2PORKCP连续被两个二分频，鲤鱼最后连同自身被送入一个数据选择权器的数据输入端口，鲤鱼这个数据选择器在这里我们称为“频率选择器”，鲤鱼其控制段接“曲谱储存表”输出的音程码，鲤鱼这样，鲤鱼根据音程码的要求把不同频率的信号送入到N分频器中，鲤鱼便可以实现不同的音高。草鱼草鱼在整个电路中我们还要用到两个反馈环节。草鱼间断音控制环节，鲤鱼从“曲谱储存表”中读出间断音控制位被送入间断音控制环节，鲤鱼这个环节的单稳会产生一个相当于十分之一“音符播放长度”的脉冲，鲤鱼使得计数使能无效产生间断。草鱼复位控制环节，鲤鱼音程码只能用到其中的三种组合，鲤鱼还有一种就用作复位信号，鲤鱼当播放到最后一个音节的时候，鲤鱼复位信号有效，鲤鱼经过复位控制产生一个有效电平使得时值计数器清零，鲤鱼实现音乐的循环播放。草鱼草鱼草鱼单元电路设计与分析草鱼各单元电路的选择与工作原理分析草鱼播放时钟模块草鱼AND2INST15UPCOUNTERSCLRCLOCKQ70LPM_COUNTER1INST3DOWNCOUNTERMODULUS2000000CLOCKQ220COUTLPM_COUNTER2INST11F70D3D4VCCCPINPUT草鱼我们希望每秒钟播放5个单元的音符，鲤鱼对来自晶振的CP脉冲进行2000000分频，鲤鱼所以M分频器的模我们取为2000000，鲤鱼其COUT端接时值计数器。草鱼时值计数器的Q输出便可以当做地址对ROM进行访问，鲤鱼由于我们有125个单元的音符，鲤鱼所以我们选择，鲤鱼8位地址线，鲤鱼在图形上表现出就是Q70草鱼草鱼曲谱存储表草鱼ADDRESS70Q50LPM_ROM0INST2D50F70草鱼4草鱼曲谱表用一个ROM储存，鲤鱼如上图所示，鲤鱼上面的表格是从我和你（见附录1）译码得到的，鲤鱼当ADDRESS输入相应的地址之后，鲤鱼Q段就输出其中的数据草鱼草鱼分频系数表草鱼ADDRESS20Q120LPM_ROM1INST1D20X120草鱼草鱼分频系数表用一个如上图所示的ROM实现，鲤鱼其中的地址ADDR就代表这个DO草鱼RE草鱼MI草鱼FA草鱼SO草鱼LA草鱼SI和休止符这个8个音符的简谱表示。草鱼其中的数值便是分频系数。草鱼草鱼草鱼N分频单元草鱼DOWNCOUNTERSLOADDATA120CLOCKCNT_ENQ120COUTLPM_COUNTER0INST8X120N乐乐乐乐乐乐乐乐乐乐乐乐草鱼为了方便计算我们采用了减计器，鲤鱼COUT端为溢出端，鲤鱼当计数其计到0以后COUT出高电平，鲤鱼使得同步置数SLOAD段有效，鲤鱼分频系数被从DATE120段置入计数器。草鱼草鱼草鱼放音单元草鱼5CLRNDPRNQDFFINST12NOTINST13VCCFENGMOUTPUT乐乐乐N乐乐乐乐乐乐乐草鱼使用一个D触发器实现了二分频是的脉冲占空比50，鲤鱼避免了蜂鸣器的不正常工作导致的磁化。草鱼草鱼草鱼间断音控制模块草鱼CLRNDPRNQDFFINST16CLRNDPRNQDFFINST17VCCNAND2INST20NOTINST21乐乐乐乐D5VCCCPINPUTUPCOUNTERMODULUS200000CLOCKQ220COUTLPM_COUNTER3INST7草鱼由于我们需要的间断音的长度是普通播放长度的十分之一，鲤鱼所以我们选择200000分频。草鱼其输出端接一个数字单稳由两个D触发器构成，鲤鱼能产生一个脉冲宽度为输入脉冲正向的一个有效电平，鲤鱼使得计数使能暂时无效，鲤鱼实现间断。草鱼草鱼草鱼音高控制电路草鱼6DFLIPFLOPS2D2PRN1CLK1D1PRN2CLK2CLRN1CLRN1QN2Q2QN1Q7474INST4ABC3C2C1C0GNY74153MINST5GND乐乐乐乐VCCD4D3VCCCPINPUT草鱼此处选择了一片7474来实现两次二分频，鲤鱼和一片74153来实现数据选择，鲤鱼根据“曲谱表”中的音程码控制数据选择器选出需要的频率实现不同的音高。草鱼草鱼草鱼播放显示模块草鱼AOUTPUTBOUTPUTCOUTPUTDOUTPUTEOUTPUTFOUTPUTGOUTPUTG22OUTPUTG23OUTPUTG21OUTPUTBCDTO7SEGACDBRBINBINLTNOCOEODOFOGOBOARBON7448INST9VCCGNDD2D1D0草鱼为了现实出实时播放的音符，鲤鱼我们使用一个8421BCD码的译码器将音符的显示在数码管上。草鱼草鱼草鱼电路解码工作状态检测草鱼7Q1OUTPUTQ2OUTPUTQ3OUTPUTQ4OUTPUTQ5OUTPUTQ6OUTPUTQ7OUTPUTQ8OUTPUTQ9OUTPUTQ10OUTPUTQ11OUTPUTQ12OUTPUTQ13OUTPUTX0X1X2X3X4X5X6X7X8X9X10X11X12COMOUTPUTVCC草鱼在电路制作过程中我们很容易遇到各种各样的错误，鲤鱼这个时候我们可以利用发光二极管来检验电平的情况，鲤鱼这个我们连接的是现实分频系数输出是否正常的模块。草鱼草鱼草鱼电路的组构与调试草鱼由于电路的结构比较复杂，鲤鱼我们采用分段调试的方法草鱼初级调试的电路图如下，鲤鱼我们可以测试分频系数和曲谱表的输出是否正常草鱼储存编码解码调试草鱼电路图草鱼L1OUTPUTL2OUTPUTL3OUTPUTL4OUTPUTL5OUTPUTL6OUTPUTL7OUTPUTL8OUTPUTL9OUTPUTL10OUTPUTL11OUTPUTL12OUTPUTL13OUTPUTCOMOUTPUTJINDUANOUTPUTYINC2OUTPUTYINCOUTPUTYINMOUTPUTYINM2OUTPUTAND2INST15UPCOUNTERSCLRCLOCKQ70LPM_COUNTER1INST3VCCF70F70D3D4乐乐乐乐乐乐乐乐乐乐乐乐乐乐乐D50X120D20D5D4D3D2D1D0X0X1X2X3X4X5X6X7X8X9X10X11X12VCCCPINPUTADDRESS20Q120LPM_ROM1INST1ADDRESS70Q50LPM_ROM0INST2YINM3OUTPUT草鱼调试结果草鱼8草鱼草鱼二分频模拟草鱼电路图PORK草鱼DFLIPFLOPS2D2PRN1CLK1D1PRN2CLK2CLRN1CLRN1QN2Q2QN1Q7474INST4ABC3C2C1C0GNY74153MINST5GNDVCCVCCCPINPUTFENPINOUTPUTVCCAINPUTVCCBINPUT草鱼调试结果PORK草鱼草鱼9草鱼数字单稳草鱼电路图PORK草鱼CLRNDPRNQDFFINST16CLRNDPRNQDFFINST17NAND2INST20NOTINST21VCCVCCCPINPUTVCCENINPUTD5OUTOUTPUT草鱼调试结果PORK草鱼草鱼草鱼遇到的主要问题与解决措施草鱼储存编码解码调试和数字单稳的调试都正常但是二分频模拟不正常，鲤鱼后来发现是因为数据选择器的使能没有接地，鲤鱼在数字电路中空端默认是高电平，鲤鱼如果使能端没有接地就代表无效，鲤鱼所以数字选择器没有正常工作。草鱼草鱼当这个问题解决后发现电路任然无法正常工作，鲤鱼而且从蜂鸣器中发出的声音只有有限的几个，鲤鱼发现应该是间断使能出现了问题，鲤鱼只有间断的地方发出了声音，鲤鱼而非间断的地方却没有声音，鲤鱼推断使能的电平被弄错了，鲤鱼后来查阅FPGA手册确认计数器的计数使能是高电平有效，鲤鱼这个时侯把，鲤鱼间断单元的最后一个与门换成了与非门，鲤鱼问题解决。草鱼草鱼草鱼结束语草鱼对设计题目的结论性意见及进一步改进的意向说明草鱼整个播放电路从效果上来说是相当棒的，鲤鱼还有播放速度应该可以受外界直接控制，鲤鱼而不必要因为不同的乐谱去修改电路，鲤鱼这个在实际应用中很有讲究。草鱼草鱼数个二分频串联使用，鲤鱼使得播放速度能够以快2倍速的方式逐渐变化草鱼用D触发器构成的二分频生独立原件草鱼CLRNDPRNQDFFINST12NOTINST13VCC2乐乐乐乐乐乐乐VCCINPUTINPUT2FENPOUTPUT10INPUT2FENP2FENINST5乐乐乐乐乐乐乐草鱼分立元件构成的速度按选择电路及生成的独立元件草鱼VCCINPUTINPUTOUTPUTOUTPUTINPUT2FENP2FENINSTINPUT2FENP2FENINST1INPUT2FENP2FENINST2INPUT2FENP2FENINST3INPUT2FENP2FENINST4INPUT2FENP2FENINST5INPUT2FENP2FENINST6MULTIPLEXERGNCBAD5D0D1D4D3D2D6D7YWN74151INST9GNDVCCCINPUTVCCBINPUTVCCAINPUT乐乐乐乐乐乐乐乐乐乐乐乐乐草鱼草鱼INPUTCBAOUTPUTSUDUKONGZHIINST乐乐乐乐乐乐乐乐乐乐乐草鱼速度控制模块草鱼VCCDOWNINPUTVCCUPINPUTCOUNTERDCABCLRUPDNLDNQBBONCONQAQCQD74192INST17GNDVCCAND3INST19INPUTCBAOUTPUTSUDUKONGZHIINSTPIN_NAMEOUTPUTVCCPC1INPUTVCCYUANSUINPUT草鱼草鱼11根据上面的设计和改进最后形成电路的总图见附录草鱼草鱼结设计的收获与体会草鱼收获草鱼熟练的掌握了利用宏功能模块创建逻辑符号，鲤鱼尤其是ROM和COUNTER的创建。草鱼草鱼对于音乐的编码和解码技术有了一个新的认识草鱼电路设计过程中采用了分块调试的方法提高的电路设计的效率草鱼使用分立元件生成独立元件的方法大大的减低的电路设计的工作量草鱼电路中多处使用了计数器构成的分频器，鲤鱼对分频的概念的理解更加深入草鱼体会草鱼通过此次电路的设计，鲤鱼充分的体会到电路设计的过程，鲤鱼即“设计仿真实施改进仿真实施”这个循环的过程，鲤鱼达到初步的目标并不以为的电路的设计的完成。草鱼在设计过程中采用合适的方法会让设计事半功倍，鲤鱼比如在调试的过程中我采用了分段仿真的方法，鲤鱼其实还可以把整个分段仿真的过程变为分段实施，鲤鱼这样既直观又可以提高效率。草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼参考书目PORK草鱼基于FPGA的数字电路系统设计崔葛瑾主编草鱼草鱼西安电子科技大学出版社草鱼数字电子技术基础崔葛瑾编著草鱼电子工业出版社草鱼草鱼草鱼12草鱼Q1OUTPUTQ2OUTPUTQ3OUTPUTQ4OUTPUTQ5OUTPUTQ6OUTPUTQ7OUTPUTQ8OUTPUTQ9OUTPUTQ10OUTPUTQ11OUTPUTQ12OUTPUTQ13OUTPUTFENGMOUTPUTAOUTPUTBOUTPUTCOUTPUTDOUTPUTEOUTPUTFOUTPUTGOUTPUTG22OUTPUTG23OUTPUTG21OUTPUTDFLIPFLOPS2D2PRN1CLK1D1PRN2CLK2CLRN1CLRN1QN2Q2QN1Q7474INST4ABC3C2C1C0GNY74153MINST5GNDCLRNDPRNQDFFINST12NOTINST13VCCADRESS20Q120LPM_ROM1INST1AND2INST15UPCOUNTERSCLRC