数字系统设计-音乐播放器

1、一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填）三、主要仪器设备（必填）四、操作方法和实验步骤五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填）七、 讨论、心得装 订 线一、实验目的和要求： 实验目的：（1）掌握音符产生的方法，了解DDS技术的应用。（2）了解AC97音频接口电路的应用。（3）掌握系统“自顶而下”的设计方法。实验任务： 设计一个音乐播放器。 （1）可以播放四首乐曲，设置play、next、reset三个按键。按play键播放当前乐曲，按next键播放下一首乐曲。 （2）LED0指示播放情况（播放时点亮）、LED2和LED3指示当前乐曲序号。二、实验内容和原理 （1）音乐播放器

2、的设计原理 根据实验任务可将系统分为主控制器（mcu）、乐曲读取（song_reader）、音符播放（note_player）、AC97音频接口（codec_conditioner）和ac97_if五个子模块，系统的总体框图如下： 各个模块的功能如下： 1.mcu模块接收按键信息，通知song_reader模块是否要播放（play）及播放哪首乐曲（song），若一曲播放结束则进入播放结束END状态。 2.song_reader模块根据mcu模块的要求，逐个取出音符note，duration送给note_player模块播放，当一首乐曲播放完毕，回复mcu模块乐曲播放结束信号（song_done

3、）。 3.note_player模块接收到需播放的音符，在音符的持续时间内，以48kHz速率送出该音符的正弦波样品给AC97音频接口模块。当一个音符播放结束，向song_reader模块发送一个note_done脉冲索取新的音符。 4.codec_conditiner、ac97_if模块负责与AC97音频系统接口工作，本实验已提供了这两个模块的代码。 另外，按键处理模块完成输入同步化、防颤动和脉宽变换等功能。1、 主控制模块mcu的设计mcu模块是主控制模块，有响应按键信息、控制系统播放两大任务，工作流程如下面的流程图所示。要求系统复位后经RESET状态初始化后进入WAIT状态等待按键输入或乐

4、曲播放结束应答，若有按键输入则转入相应的按键处理状态（NEXT或PLAY），若一曲播放结束则进入结束播放END状态。mcu的控制器算法流程图如下图：以下为mcu的端口含义引脚名称 I/O 引脚说明 clk Input 100MHz时钟信号 reset Input 复位信号，高电平有效 play_button Input “播放”按键，低电平有效 next_button Input “下一曲”按键，一个时钟周期宽度的高电平脉冲 play Output 高电平表示播放 song_done Output 当播放下一曲时，输出一个时钟周期宽度的高电平复位脉冲reset_play，并复位note_pla

5、yer模块 song_done Input note_player模块的应答信号一个时钟周期宽度的高电平脉冲表示一曲播放结束 song1:0 Output 当前乐曲的序号 结合以上算法流程图和端口定义，mcu模块代码如下：module mcu(clk, reset, play_button, next, play, reset_play, song, song_done );parameter RESET=0, WAIT=1, END=2, NEXT=3, PLAY=4;input reset, play_button,song_done,clk,next;output reg 1:0 son

6、g;output reg play, reset_play;reg state;always ( posedge clk )begin if (reset) begin play<=0; song<=2'b00;reset_play<=1; state<=RESET; end else case (state) RESET: begin reset_play<=0; state<=WAIT; end WAIT: if (song_done) begin state <=END; play<=0; reset_play<=1; end

7、 else if (next) begin state <=NEXT; play<=1; reset_play<=1; song<=song+1; end else if (play_button) begin state <=PLAY; play<=1; reset_play<=0; end else begin state <=WAIT; reset_play<=0; endEND, NEXT, PLAY: begin state <=WAIT; reset_play<=0; end endcaseendendmodule2

8、、 乐曲读取模块song_reader的设计乐曲读取模块song_reader的功能有：（1）根据mcu模块的要求，选择播放乐曲；（2）相应note_player模块请求，从song_rom中逐个取出音符note,duration送给note_player模块播放；（3）判断乐曲是否播放完毕，若播放完毕，则回复mcu模块应答信号。根据设计要求，以下是song_reader模块的结构框图根据设计要求，以下是song_reader模块的端口含义引脚名称 I/O 引脚说明 clk Input 100MH时钟信号 reset Input 复位信号，高电平有效 play Input 来自mcu的控制信号

9、，高电平播放 song1:0 Input 来自mcu的控制信号，当前播放乐曲的序号 note_done Input 来自模块note_player应答信号，一个时钟周期宽度的高电平脉冲表示一个音符播放结束song_done 0utput 给mcu的应答信号，当乐曲播放结束，输出一个时钟周期宽度的高电平脉冲 note5:0 Output 音符标记 duration5:0 Output 音符的持续时间 new_note Output 给note_player的控制信号，一个时钟周期宽度的高电平脉冲表示新的音符需播放 以下是song_reader的算法流程图地址计数器为5位二进制计数器，其中note

10、_done为计数允许输入，状态q为song_rom的低5位地址，song1:0为song_rom高两位地址。当地址计数器出现进位或duration为0时，表示乐曲结束，应输出一个时钟周期宽度的高电平脉冲信号song_done。结束判断模块应调用提供的模块one_pulse，使输出为一个时钟周期宽度的高电平脉冲。结合上图以及模块要求，编写song_reader代码如下：module song_reader(clk,reset,play,song,note_done,song_done,note,duration, new_note ); input clk,reset,play,note_don

11、e; input 1:0 song; output song_done, new_note; output 5:0 note, duration; parameter RESET=0, NEW_NOTE=1, WAIT=2, NEXT_NOTE=4; reg 1:0 STATE; reg new_note; always ( posedge clk ) begin if (reset=1) begin new_note<=0; STATE<=RESET; end else case (STATE)RESET: if (play=1) begin new_note<=1; ST

12、ATE<=NEW_NOTE; end elsebegin new_note<=0; STATE<=RESET; end NEW_NOTE:begin new_note<=0; STATE<=WAIT; end WAIT: if (play=1) if (note_done=1) begin new_note<=0; STATE<=NEXT_NOTE; end else begin new_note<=0; STATE<=WAIT; end else begin new_note<=0; STATE<=RESET; end NEX

13、T_NOTE: begin new_note<=1; STATE<=NEW_NOTE; end endcase end wire 4:0 q; wire co; song_rom song_rom1(.clk(clk),.dout(note,duration),.addr(song,q); addr_counter addr_counter1(.clk(clk),.reset(reset),.note_done(note_done),.q(q),.co(co); end_judging end_judging1(.co(co),.duration(duration),.clk(cl

14、k),.song_done(song_done);（返回给主控制器一个应答信号，即框图中的结束判断模块）endmodule其中模块end_judging的代码如下： module end_judging(co, duration, clk, song_done); parameter N=6; input co; input N-1:0 duration; input clk; output song_done; wire N-1:0 dd; wire qq; assign song_done = qq & dd; assign dd = co | (duration=6'b0

15、0000); D_FF dff1(.d(dd), .clk(clk), .q(qq);endmodule其中模块counter的代码如下： module addr_counter(clk,q,co,reset,note_done); input clk,reset,note_done; output reg 4:0 q; output co;assign co=note_done&&(&q); always (posedge clk)beginif(reset) begin q<=0; end else begin if(note_done) q<=q+1;

16、 else q<=q; end end endmodule 3、 音符播放模块note_player的设计音符播放模块note_player是本实验的核心模块，它的主要功能有：（1）从送song_reader模块接收所需播放的音符信息note,duration；（2）根据note值找出DDS的相位增量step_size；（3）以48kHz速率从Sine ROM取出正弦样品送给AC97接口模块；（4）当一个音符播放完毕，向song_reader模块索取新的音符。根据note_player模块的任务，进一步划分功能单元，为简化设计，可将产生正弦样品的DDS模块设计一个独立子模块sine_re

17、ader。 note_player控制器负责与song_reader模块接口，读取音符信息，并根据音符信息从Frequency ROM中读取相位增量step_size送给DDS子模块sine_reader。另外，note_player控制器还需要控制音符播放时间。note_player控制器的算法流程如下。在复位或未播放时，控制器处于RESET状态，PLAY为音符播放状态，当一个音符播放结束时，控制器进入DONE状态，PLAY为音符播放状态，当一个音符播放结束时，控制器进入DONE状态，置位done_with_note,向song_reader模块索取新的音符，然后进入LOAD状态，读取新的音

18、符后进入PLAY状态播放下一个音符。note_player模块的结构框图如下： note_player控制器的算法流程图如下：音符定时器为6位二进制计数器，beat、time_clear分别为使能、清0信号，均为高电平有效。定时时间为音符的长短（duration_to_load个beat周期），timer_done为定时结束标志。根据实验要求以下是note_player模块代码：module note_player(clk, reset, play_enable, note_to_load, duration_to_load, done_with_note, load_new_note,bea

19、t, generate_next_sample, sample_out, new_sample_ready);input clk; input reset; / When high we play, when low we don't. input play_enable; / The note to play input 5:0 note_to_load; / The duration of the note to play input 5:0 duration_to_load; / Tells us when we have a new note to load input loa

20、d_new_note; / When we are done with the note this stays high. output done_with_note; /reg done_with_note; / This is our 1/48th second beat input beat; / Tells us when the codec wants a new sample input generate_next_sample; / Our sample output output 15:0 sample_out; / Tells the codec when we've

21、 got a sample output new_sample_ready;wire19:0 step_size; sine_reader sine_reader_inst(.clk(clk), .reset(reset), .step_size(10'd18, 10'd791), .step_size(step_size), .generate_next_sample(generate_next_sample), .new_sample_ready(new_sample_ready), .sample_out(sample_out) ); （note_player控制器一段式

22、描述代码）parameter RESET=0,PLAY=1,LOAD=2,DONE=3;reg 1:0 state;reg done_with_note; reg timer_clear;wire timer_done;reg5:0 note;always ( posedge clk)if (reset) begin state<=RESET; note<=6'b0; done_with_note<=0; timer_clear<=1; end else case (state) RESET,LOAD,DONE: if (play_enable) begin s

23、tate<=RESET; note<=6'b0; done_with_note<=0; timer_clear<=1; end else if(load_new_note)begin state<=PLAY; done_with_note<=0; timer_clear<=0; endelse begin state<=LOAD; note<=note_to_load; done_with_note<=0; timer_clear<=1; end PLAY: if(timer_done) begin state<=

24、DONE; note<=note_to_load;done_with_note<=1; timer_clear<=1; end else if (play_enable) beginstate<=RESET; note<=6'b0; done_with_note<=0; timer_clear<=1; end else if(load_new_note) begin state<=PLAY; done_with_note<=0; timer_clear<=0; end else begin state<=LOAD; no

25、te<=note_to_load; done_with_note<=0; timer_clear<=1; enddefault:begin state<=RESET; note<=6'b0;done_with_note<=0; timer_clear<=1; end endcase frequency_rom frequency_rom_inst(.clk(clk),.dout(step_size),.addr(note); note_timer note_timer(.cin(duration_to_load),.en(beat),.clk(

26、clk),.r(timer_clear),.cout(timer_done);endmodule其中模块note_timer音符定时器代码如下：module note_timer (cout, cin , r, clk, en);parameter n=6;regn-1:0 q;output cout;inputn-1:0 cin;input r, clk, en;assign cout=en&&(q=(cin-1);always (posedge clk)if (r) q=0; else if(en) q =q + 1;else q = q; endmodule子模块sine

27、_reader的功能就是利用DDS技术产生正弦样品。在本实验中，系统时钟clk与取样脉冲generate_next_sample为两个不同信号；实验中相位增量为22位，其中小数部分为10位。对于step_size本身为20位二进制数的问题，可通过对其进行2b00,step_size处理使其扩展至22位。sine_reader原理框图：sine_rom的地址和数据处理方法：区域(raw_addr21:20) Sine Rom地址（rom_addr） Sample 00 raw_addr19:10 raw_data15:0 01 当raw_addr20:10=1024时，rom_addr取1023

28、；其余取raw_addr19:10+1 raw_data15:0 10 raw_addr19:10 raw_data15:0+111 当raw_addr20:10=1024时，rom_addr取1023；其余取raw_addr19:10+1 raw_data15:0+1由以上sine_reader原理框图以及sine_rom的地址和数据处理方法可得sine_reader模块代码。module sine_reader( step_size, clk, generate_next_sample, reset, sample_out, new_sample_ready); input 19:0 st

29、ep_size; input clk, generate_next_sample, reset; output 15:0 sample_out; output new_sample_ready; wire 21:0 raw_addr; wire 21:0 sum; wire 9:0 rom_addr; wire 15:0 sample; wire 15:0 raw_data; full_adder #(22) adder(.a(raw_addr), .b(2'b00, step_size), .s(sum), .ci(1'b0), .co(); D_FFRE #(22) dff

30、r1(.d(sum), .en(generate_next_sample), .r(reset), .clk(clk), .q(raw_addr); addr_processor addr_pro(.in_addr(raw_addr20:10), .out_addr(rom_addr); sine_rom sine_rom1(.clk(clk), .dout(raw_data), .addr(rom_addr); data_processor #(16) data_pro(.flag(raw_addr21), .in_data(raw_data), .out_data(sample); D_F

31、FRE #(16) dffr2(.d(sample), .en(generate_next_sample), .r(reset), .clk(clk), .q(sample_out); D_FF dffr3(.d(generate_next_sample), .clk(clk), .q(new_sample_ready);endmodule其中地址处理（addr_processor）模块的代码如下：module addr_processor(in_addr, out_addr); input 10:0 in_addr; output 9:0 out_addr; assign out_addr9

32、:0=(in_addr10)?(in_addr10:0=1024)?1023:(in_addr9:0+1):in_addr9:0;endmodule其中数据处理模块（data_processor）的代码如下：module data_processor (flag, in_data, out_data); parameter N=1; input flag; input N-1:0 in_data; output N-1:0 out_data; assign out_data=(flag)?(in_data+1):in_data;endmodule其中加法器（full_addr）的代码如下：mo

33、dule full_adder(a, b, s, ci, co); parameter N=1; input N-1:0 a, b; input ci; output N-1:0 s; output co; assign co, s=a+b+ci;endmodule此外在music_player模块下还要求编写beat_generator模块代码：module beat_generator(clk,ci,co);parameter N=1000;parameter CounterBits=10;output co;input ci,clk;regCounterBits:1 qout=0;ass

34、ign co=(qout=(N-1)&ci;always(posedge clk)begin if(ci)begin if(qout=(N-1)qout=0;else qout=qout+1;endendendmodule三、主要仪器设备 1.装有ISE、Modelsim SE和ChipScope Pro软件的计算机。 2.XUP Virtex-Pro开发系统一套。 3.耳机一副。四、操作方法和实验步骤 1.编写mcu、song_reader和note_player三个模块的Verilog HDL代码及其测试代码，并用Modelsim仿真。 2.将光盘中的ISE文件夹复制到硬盘中，打开

35、music_player.ise工程文件。添加已设计的mcu、song_reader和note_player三个模块。 3.对工程进行综合、约束、实现，并下载工程文件到XUP Virtex-Pro 开发实验板中。 4.将耳机接入实验开发音频输出插座，操作play、reset、next 三个按键，试听耳机中乐曲并观察实验板上指示灯变化情况，验证设计结果是否正确。五、实验数据记录和处理1.mcu仿真波形从图中可以看出，play_button按下后（play_button=0），待到下一个clk上升沿到来时，play=1，reset_player=0，乐曲开始播放；一首乐曲播放完后（song_done=1），在下一时钟周期reset_player=1，play=0，乐曲复位； 按下一首（next_button=1），则pla