基于数控分频器的乐曲硬件演奏电路设计分析

1、学号 成绩评语EDA 计算机辅助与分析课程论文题目： 基于数控分频器的乐曲硬件演奏 电路设计作 者：院 别：专 业：完成时间： 2014 年 6 月 18 日目录设计要求 错误！未定义书签。1、实验目的 错误！未定义书签。2 乐曲演奏电路原理 13 音乐硬件演奏电路的实验内容 13.1 定制音符数字 ROM 13.2 根据电路图完成电路设计 23.3 硬件验证 43.4 填入新的乐曲 64 实验报告 错误！未定义书签。5 扩大乐曲硬件演奏电路的通用性 95.1 完善分频预置数模块的功能 96 设计总结与心得体会 12参考文献 131、 实验目的：学习利用数控分频器设计硬件乐曲演奏电路。2、实验

2、原理：主系统由 3个模块组成， TONETABA.VHD 、NOTETABS.VHD 和 SPEAKER.VHD 。音符的频率可以由 SPEAKER获A 得，这是一个数控分频器； 音符的持续时间须根据乐曲的速度及每个音符的节拍数来确定模块TONETAB的A功能首先是为 SPEAKER提A 供决定所发音符的分频预置数，而此数在 SPEAKER输 入口停留的时间即为此音符的节拍值。在 NOTETAB中S设置了一个 8 位二进制计 数器（计数最大值为 138），这个计数器的计数频率选为 4Hz，即每一计数值的停留时间为 0.25 秒，恰为当全音符设为 1 秒时，四四拍的四分音符持续时间3、实验内容3

3、.1：定制例 9-32 的 NoteTabs模块中的音符数据 ROM“music ”。该 ROM 中 的音符数据已列在例 9-33 中。注意该例数据表中的数据位宽、深度和数据的表 达类型。此外，为了节省篇幅，例中的数据都横排了，实用中应该以每一分号为 一行来展开，否则会出错。最后对该 ROM 进行仿真，确认例 9-33 中的音符数据已经进入 ROM 中。【例 9-33 】WIDTH = 4 ; - “梁祝”乐曲演奏数据 DEPTH = 256 ;ADDRESS_RADIX = DEC ; DATA_RADIX = DEC ;CONTENT BEGIN - 注意实用文件中要展开以下数据，每一组占

4、一行 00: 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 ; 22:10 ; 23:12; 24: 9; 25: 9; 26: 9; 27: 9; 28: 9; 29: 9;30: 9 ; 31: 0 ; 32: 9 ; 33: 9; 34: 9; 35:10; 36: 7; 37: 7; 38: 6; 39: 6;40: 5 ;

5、41: 5 ; 42: 5 ; 43: 6; 44: 8; 45: 8; 46: 9; 47: 9; 48: 3; 49: 3;50: 8 ; 51: 8 ; 52: 6 ; 53: 5; 54: 6; 55: 8; 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; 78: 5; 79: 5;80: 3 ; 81: 5 ; 82:

6、3 ; 83: 3; 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;106:10;107: 9;108: 8;109: 8; 110: 6 ;111: 5 ;112: 3 ;113: 3;114: 3;115: 3;116: 8;117: 8;118: 8;119: 8; 120: 6 ;121: 8 ;122: 6 ;123

7、: 5;124: 3;125: 5;126: 6;127: 8;128: 5;129: 5; 130: 5 ;131: 5 ;132: 5 ;133: 5;134: 5;135: 5;136: 0;137: 0;138: 0; END ;3.2：根据给出的乐曲演奏电路原理图及其各模块的 VHDL 描述，在 QuartusII 上完成全部设计，包括编辑、编译、综合和仿真操作等。给出仿真波形，并作出 详细说明。编辑3仿真图3. 3：硬件验证。先将引脚锁定，使 CLK12MHz 与 clock9 相接，接受 12MHz时钟频率（用短路帽在 clock9接“12MHz”）；CLK8Hz 与 clock

8、2相接，接受 4Hz 频率；发音输出 SPKOUT接 Speaker；与演奏发音相对应的简谱码输出显示可由CODE1 在数码管 5显示； HIGH1 为高八度音指示，可由发光管 D5 指示，最后 向目标芯片下载适配后的 SOF 逻辑设计文件。实验电路结构图为 NO.1。4结构图信号 / 与芯片引脚对照表结构图 上的信 号名Cyclone 系 列的 EP1C3TC144 芯片引脚号结构图 上的信 号名Cyclone 系 列的 EP1C3TC144 芯片引脚号结构图上的信号名Cyclone 系 列的 EP1C3TC144 芯片引脚号PIO01PIO12PIO3172PIO71119PIO23PIO

9、3273PIO72114PIO34PIO3374PIO73113PIO45PIO3475PIO74112PIO56PIO3576PIO75111PIO67PIO3677PIO76143PIO710PIO3778PIO77144PIO811PIO3883PIO78110PIO932PIO3984PIO79109PIO1033PIO4085SPEAKER129PIO1134PIO4196CLOCK093PIO1235PIO4297CLOCK217PIO1336PIO4398CLOCK5165PIO1437PIO4499CLOCK992PIO1538PIO45103PIO1639PIO46105PI

10、O1740PIO47106PIO1841PIO48107PIO1942PIO49108PIO2047PIO60131PIO2148PIO61132PIO2249PIO62133PIO2350PIO63134PIO2451PIO64139PIO2552PIO65140PIO2667PIO66141PIO2768PIO67142PIO2869PIO68122PIO2970PIO69121PIO3071PIO70120锁定引脚3.4：填入新的乐曲，如 “采茶舞曲 ”、或其它熟悉的乐曲。操作步骤如下：a、根据所填乐曲可能出现的音符， 修改例 9-3 的音符数据表格， 同时注意每 一音符的节拍长短；b、

11、如果乐曲比较长， 可增加模块 NOTETABA 中计数器的位数， 如 9 位时可 达 512 个基本节拍。4 实验报告：用仿真波形和电路原理图，详细叙述硬件电子琴的工作原理及其 4 个 VHDL 文件中相关语句的功能，叙述硬件实验情况。参考程序如下：LIBRARY IEEE; - 硬件演奏电路顶层设计 USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY Songer ISPORT ( CLK12MHZ : IN STD_LOGIC;- 音调频率信号CLK8HZ : IN STD_LOGIC;- 节拍频率信号CODE1 : OUT STD_LOGIC_VECTOR (3 DOW

12、NTO 0);-简谱码输出显示HIGH1 : OUT STD_LOGIC; -高 8 度指示SPKOUT : OUT STD_LOGIC );-声音输出END;ARCHITECTURE one OF Songer ISCOMPONENT NoteTabsPORT ( clk : IN STD_LOGIC;ToneIndex : OUT STD_LOGIC_VECTOR (3 DOWNTO 0) );END COMPONENT;COMPONENT ToneTabaPORT ( Index : IN STD_LOGIC_VECTOR (3 DOWNTO 0) ;CODE : OUT STD_LOG

13、IC_VECTOR (3 DOWNTO 0) ;HIGH : OUT STD_LOGIC;Tone : OUT STD_LOGIC_VECTOR (10 DOWNTO 0) );END COMPONENT;COMPONENT SpeakeraPORT ( clk : IN STD_LOGIC;Tone : IN STD_LOGIC_VECTOR (10 DOWNTO 0);SpkS : OUT STD_LOGIC );END COMPONENT;SIGNAL Tone : STD_LOGIC_VECTOR (10 DOWNTO 0);SIGNAL ToneIndex : STD_LOGIC_V

14、ECTOR (3 DOWNTO 0);BEGINu1 : NoteTabs PORT MAP (clk=CLK8HZ, ToneIndex=ToneIndex);u2 : ToneTaba PORT MAP (Index=ToneIndex,Tone=Tone,CODE=CODE1,HIGH=HIGH1);u3 : Speakera PORT MAP(clk=CLK12MHZ,Tone=Tone, SpkS=SPKOUT );END;【例 9-30 】LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL

15、;ENTITY Speakera ISPORT ( clk : IN STD_LOGIC;Tone : IN STD_LOGIC_VECTOR (10 DOWNTO 0);SpkS : OUT STD_LOGIC );END;ARCHITECTURE one OF Speakera ISSIGNAL PreCLK, FullSpkS : STD_LOGIC;BEGINDivideCLK : PROCESS(clk)VARIABLE Count4 : STD_LOGIC_VECTOR (3 DOWNTO 0) ;BEGINPreCLK 11 THEN PreCLK = 1; Count4 :=

16、0000;ELSIF clkEVENT AND clk = 1 THEN Count4 := Count4 + 1;END IF;END PROCESS;GenSpkS : PROCESS(PreCLK, Tone)- 11位可预置计数器VARIABLE Count11 : STD_LOGIC_VECTOR (10 DOWNTO 0);BEGINIF PreCLKEVENT AND PreCLK = 1 THENIF Count11 = 16#7FF# THEN Count11 := Tone ; FullSpkS = 1;ELSE Count11 := Count11 + 1; FullSp

17、kS = 0; END IF;END IF;END PROCESS;DelaySpkS : PROCESS(FullSpkS)- 将输出再 2 分频，展宽脉冲，使扬声器有足够功率发音VARIABLE Count2 : STD_LOGIC;BEGINIF FullSpkSEVENT AND FullSpkS = 1 THEN Count2 := NOT Count2;IF Count2 = 1 THEN SpkS = 1;ELSE SpkS Tone=11111111111 ; CODE=0000; HIGH Tone=01100000101 ; CODE=0001; HIGH Tone=011

18、10010000 ; CODE=0010; HIGH Tone=10000001100 ; CODE=0011; HIGH Tone=10010101101 ; CODE=0101; HIGH Tone=10100001010 ; CODE=0110; HIGH Tone=10101011100 ; CODE=0111; HIGH Tone=10110000010 ; CODE=0001; HIGH Tone=10111001000 ; CODE=0010; HIGH Tone=11000000110 ; CODE=0011; HIGH Tone=11001010110 ; CODE=0101

19、; HIGH Tone=11010000100 ; CODE=0110; HIGH Tone=11011000000 ; CODE=0001; HIGH NULL;END CASE;END PROCESS;END;【例 9-32 】LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY NoteTabs ISPORT ( clk : IN STD_LOGIC;ToneIndex : OUT STD_LOGIC_VECTOR (3 DOWNTO 0) );END;ARCHITECTURE on

20、e OF NoteTabs ISCOMPONENT MUSIC - 音符数据 ROMPORT(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);BEGINCNT8 : PROCESS(clk, Counter)BEGINIF Counter=138 THEN Counter = 00000000;ELSIF (clk

21、EVENT AND clk = 1) THEN Counter Counter , q=ToneIndex, inclock=clk); END;5 扩大乐曲硬件演奏电路的通用性前面所设计的电路只能演奏”两只老虎”曲子， 但是在实际应用中 , 若能将 电路实用于各种曲子的演奏， 它的实用性和应用范围就会扩大许多。 这里主要通 过修改分频预置数模块的程序， 使其实用于各种曲子的演奏。 另外要使更改乐曲 方便，主要通过重新设置音符数据文件，再对其进行 LPM-ROM定制。5.1 完善分频预置数模块的功能在前面的 VHDL设计中，我们只能通过程序输出”两只老虎”曲子中的 13 个音符的分频预置数（即

22、计数初值） ，但是在其它的乐曲中可能会用到另外的那 些音符，因此对程序进行修改完善它的功能， 使其能输出另外那些音符的分频预 置数。程序修改如下：Library ieee;Use ieee.std_logic_1164.all;Entity tonetaba isPort( index : in std_logic_vector(4 downto 0); code : out std_logic_vector(4 downto 0); high : out std_logic;tone : out std_logic_vector(10 downto 0);End;Architecture o

23、ne of tonetaba isBeginSearch : process(index)BeginCase index isWhen 00000=tone=11111111111;code=00000;hightone=01100000101;code=00001;hightone=01110010000;code=00010;hightone=10000001100;code=00011;hightone=10000110101;code=00100;hightone=10010101101;code=00101;hightone=10100001010;code=00110;highto

24、ne=10101011100;code=00111;hightone=10110000010;code=01000;hightone=10111001000;code=01001;hightone=11000000110;code=01010;hightone=11000101000;code=01011;hightone=11001010110;code=01100;hightone=11010000100;code=01101;hightone=11010110101;code=01110;hightone=11011000000;code=10001;hightone=11011101010;code=10010;hightone=11100000111;code=10011;hightone=11100010110;code=10100;hightone=11100101111;code=10101;hightone=11101000110;code=10110;hightone=11101011010;code=10111;high null;End case;End process;End;将其设为当前工程，并选用 cyclone 为目标芯片对其进行编译和仿真。完善后模块的功能是输出所有音符所对应的分频预置数。