EDA课程设计---乐曲硬件演奏电路的VHDL设计

题目：题目： EDAEDA 课程设计课程设计 VHDL 设计乐曲硬件演奏电路的 一、一、 设计题目：设计题目： 乐曲硬件演奏电路的 VHDL 设计 二、二、 设计目标：设计目标： 1）能够播放“梁祝”乐曲。 2）能够通过 LED 显示音阶。 3）具有“播放/停止”功能，并在此基础上实现“按键演奏” 的电子琴功能。 三、三、 设计原理：设计原理： 1. 音乐基础知识 一段简单乐谱由音调和节拍组成，音调表示一个音符唱多高的频率， 节拍表示一个音符唱多长的时间。音符的节拍我们可以举例来说明。 43 在一张乐谱中， 我们经常会看到这样的表达式， 如 1=C4、 1=G4 3 等等。以4为例加以说明，它表示乐谱中以四分音符为节拍，每一小 结有三拍。比如： 图 1 其中 1 、2 为一拍，3、4、5 为一拍，6 为一拍共三拍。1 、 2 的时长为四分音符的一半，即为八分音符长，3、4 的时长为八 分音符的一半， 即为十六分音符长， 5 的时长为四分音符的一半， 即为八分音符长，6 的时长为四分音符长。那么一拍到底该唱多 长呢？一般说来，如果乐曲没有特殊说明，一拍的时长大约为 400500ms 。我们以一拍的时长为 400ms 为例，则当以四分音 符为节拍时，四分音符的时长就为 400ms，八分音符的时长就为 200ms，十六分音符的时长就为 100ms。 2. 原理图框图： 图 2.框图 3. 原理图说明 音乐播放原理说明 音符的频率由数控分频器模块 Speakera 产生。ToneTaba模 块从 NoteTabs模块中输入的音符数据， 将对应的分频预置数据 传送给 Speakera 模块， 并将音符数据送到 LED 模块显示音阶。 NoteTabs模块中包含有一个音符数据 ROM，里面存有歌曲 “梁祝”的全部音调，在此模块中设置了一个 8 位二进制计数 器，作为音符数据 ROM 的地址发生器。这个计数器的计数频 率为 4Hz，即每一个数值的停留时间为 0.25 秒。例如： “梁祝” 乐曲的第一个音符为 “3” ， 此音在逻辑中停留了 4 个时钟节拍， 即 1 秒钟时间，所对应的“ 3”音符分频预置数为 1036，在 Speakera 的输入端停留了 1 秒。随着 NoTabs 中计数器按 4Hz 的时钟速率作加法计数时，随着地址的递增，音符数据 ROM 中的音符数据将从 ROM 中通过输出端口输入到 ToneTaba模块， “梁祝”歌曲就开始连续自然地演奏起来。 键盘演奏原理说明 在模块 ToneTaba 中设置有八个键盘输入端口，分别对应基音 “1” 、 “2” 、 “3” 、 “4” 、 “5” 、 “6” 、 “7”和高音“1”八种音调。 当其中某个按键按下时，ToneTaba模块就将对应音符的分频预置 数送到数控分频模块 Speakera 模块产生相应音调，同送将音符送 到 LED 显示模块显示音节。 四、四、 设计内容设计内容 1) 取音调节拍模块 NoteTabs 图 5：NoteTabs实体图 模块实体由时钟输入信号 clk、 实现暂停与播放功能的使能 输入信号 en 和音符输出端 toneindex 组成。时钟输入端 clk 接 入 4Hz 信号，即 0.25 秒作为“梁祝”乐曲的基本时钟节拍。 NoteTabs模块设置有个计数器， 作为地址计数器， 用于从模块 内部的 music_rom 中取音符数据。 NoteTabs模块仿真图如下： 图 4 2) 音频预置数及演奏按键模块 ToneTaba 图 5：ToneTaba实体图 该模块的实体组成端口由音符数据输入端 index、音乐演奏或 音乐 播放选择输入端 口 yanzhou_en、八 个按键输入端 口 key_1key_8、 及音阶数据输出端口 code、音符分频数据输出端口 tone 组成。 当端口 yanzhou_en 置1时，进行按键音乐演奏功能，即将 对应按键的的音阶的分频数据送至模块 Speakera 产生音调；当端 口为0时，进行音乐播放功能，即将 NoteTabs 模块输入的音 符数据送至模块 Speakera 产生音调。 ToneTaba模块仿真图如下： 图 6 3) 数控分频模块 Speakera 图 7：Speakera 模块实体图 该模块由时钟输入信号端 clk、分频数据输入端 tone 以及 音调频率输出端spks 组成。 其 clk 端输入较高的频率 （12MHz） , 通过 Speakera 分频后由 spks 输出。 模块仿真图如下： 图 8 4) 软件流程图如下： 图 9 五、五、 仿真结果仿真结果 1. 原理图设计： 图 10 2.仿真结果图 仿真图 1：音乐播放 图 11 仿真图 1 说明： 音乐演奏或播放选择端 yanzhou_en 置0 ，音乐播放、暂停选择键 play_pause 置0 ，选择音乐播放功能，其中 code 端口输出的音符可送入译码 器模块显示音阶。 仿真图 2：音乐暂停 图 12 仿真图 2 说明： 音乐演奏或播放选择端 yanzhou_en 置0 ，选择音乐播放功能。当 音乐播放、暂停输入端口 play_pause 置1时，从图 12 与图 11 比较可知，其 中的图 12 的音符 6 因为暂停而被延长，音乐播放被暂停，当 play_pause 重新置 0时，音乐开始继续播放。 仿真图 3：按键演奏音乐 图 13 仿真图 3 说明： 音乐演奏或播放选择端 yanzhou_en 置 1 ， 选择按键音乐演奏功能。 其中端口 tone_1 到 tone_7 对应1至7基音，端口tone_11 对应高音1 。 通过按不同的按键，即可从端口 spkout 输出不同的频率，即对应不同的音调。 演奏的音阶通过端口 code 送入译码器即可演示音阶。 六、总结六、总结 本设计完整地实现了音乐的播放、按键演奏音乐、音乐播放与暂 停功能，已基本符合课程设计的要求。通过本次课程设计，更熟练了 EDA 软件的使用，学会了怎么制作 LPM_ROM 元器件，加深了对 VHDL 语言的理解，熟练了利用原理图设计电路的方法， 体验到了将 自己的创意付诸实践的乐趣。 七、七、 附录附录 1、音调节拍模块 NoteTabs（实现了音乐播放与暂停功能） libraryieee; use ieee.std_logic_1164.all; useieee.std_logic_unsigned.all; entitynotetabs is port( en,clk : in std_logic; -添加了使能端 toneindex: out std_logic_vector(3 downto 0); end; architecturebehav of notetabs is componentmusic_rom port( address :in std_logic_vector(7 downto 0); inclock: in std_logic; q: out std_logic_vector(3 downto 0) ); end component; signal counter : std_logic_vector(7 downto 0); begin cnt8: process(clk,counter,en) begin if en=1 then counter=counter;-使能音乐播放与暂停 elsif counter=138 then countertoneindex,inclock=clk); end; 2、音频预置数及演奏按键模块 ToneTaba libraryieee; use ieee.std_logic_1164.all; entitytonetaba is port(index : instd_logic_vector(3 downto 0); code: out std_logic_vector(3 downto 0); tone: out std_logic_vector(10 downto 0); yanzhou_en : in std_logic;-音乐演奏使能键 key_1,key_2,key_3,key_4,key_5,key_6,key_7,key_8:in std_logic); end; architecturebehav of tonetaba is signalabc:std_logic_vector(7 downto 0); signaltemp:std_logic; begin abc= key_8 process(index, abc,yanzhou_en) begin temp=0; ifyanzhou_en=1 then temp tone=01100000101;code tone=01110010000;code tone=10000001100;code tone=10010101101;code tone=10100001010;code tone=10101011100;code tone=10110000010;code tone tone=11111111111;code tone=01100000101;code tone=01110010000;code tone=10000001100;code tone=10010101101;code tone=10100001010;code tone=10101011100;code tone=101100000