EDA技术基础设计.doc

EDA技术基础
音乐播放器
设计性实验

电子信息科学及技术

一、任务解析：
以前用51单片机制作了一个可演奏的电子琴，学习了EDA技术之后，感觉FPGA及单片机有许多类似的地方。于是，启发我用FPGA做一个可随意演奏的音乐播放器。设计低、中、高21个音，几乎能够实现一般歌曲的演奏。要实现该功能，就必须考虑到一首歌曲的产生应该考虑的两个因素：音符的产生频率和音的节拍（即声音持续的时间）。只要控制输出到扬声器的激励信号频率的高低和持续的时间，就可以使扬声器发声产生优美的歌曲。

二、 方案论证：
1、 音调的控制：
频率的高低决定了音调的高低。通过查阅资料，得到下面的音符名及频率的关系表：
音符名
频率/hz
音符名
频率/hz
音符名
频率/hz
低音1
262
中音1
523
高音1
1046
低音2
294
中音2
587
高音2
1175
低音3
330
中音3
659
高音3
1318
低音4
349
中音4
698
高音4
1397
低音5
392
中音5
784
高音5
1568
低音6
440
中音6
880
高音6
1760
低音7
494
中音7
988
高音7
1976

分频比预置数的计算：
分频比就是从6Mhz基准频率通过二分频得到的3Mhz频率基础上计算得到的。对于乐曲中的休止符，只需将其分频系数设为0，将分频预置数设为16383即可。例如：低音3的频率为330hz，分频比为3M/330hz=3000000/330=9091,则其分频预置数为：16383-9091=7292。其他的音符对应的分频比和分频比预置数均按此法计算可得到。依次计算出低、中、高3X7=21个音的预置数。
各音阶对应的预置数如下表：
音符名
预置数
音符名
预置数
音符名
预置数
低音1
4933
中音1
10647
高音1
13515
低音2
6179
中音2
11272
高音2
13830
低音3
7292
中音3
11831
高音3
14107
低音4
7787
中音4
12085
高音4
14236
低音5
8730
中音5
12556
高音5
14470
低音6
9565
中音6
12974
高音6
14678
低音7
10310
中音7
13347
高音7
14858

2、 音长的控制：
音符的持续时间必须根据乐曲的速度及每个音符的节拍数来确定。本试验中，设定最短的音符为4分音符，若将全音符的持续时间设为1s的话，则需要提供一个4Hz的时钟频率即可产生4分音符的时间，每1/4个节拍的时间为0.25s，一个完整的节拍为1s。

以上即为音乐播放器的原理框图。控制音调通过设置计数器的预置数来实现，预置不同的数可以使计数器产生不同频率的信号，从而产生不同的音调。控制音长则是通过控制计数器预置数的停留时间来实现的，预置数停留的时间越长，则该音符演奏的时间越长。每个音符的演奏时间都是0.25s的整数倍，对于节拍较长的音符，例如2分音符，占了2/4个节拍，在记谱的时候将其连续记录2次即可。

三、 实验步骤：
1、 分频产生6Mz的基准频率：
module div_clk6mhz(clk24m,clk6m);
input clk24m;
output clk6m;
reg clk6m;
reg cnt;

always @(posedge clk24m)
if(cnt<1)cnt=cnt+1; //（24m/6m=4分频,cnt<[4/2-1=1]即可）
else begin cnt=0;clk6m=!clk6m;end

endmodule
由于此分频电路简单，就不在这里给出仿真波形了。

2、 分频产生4hz的节拍控制频率：
module div_clk4hz(clk24m,clk4);
input clk24m;
output clk4;
reg clk4;
reg [210]cnt;

always @(posedge clk24m)
if(cnt<2999999)cnt=cnt+1;//(24m/4hz=6000000,cnt<[6000000/2-1=2999999]）
else begin cnt=0;clk4=!clk4;end

endmodule
此分频电路也很简单，就不在这里给出仿真波形了。

3、 乐曲产生模块：
核心模块就在这里，这里：（1）首先罗列了低、中、高21个音的分频比预置数（还有休止符的预置数16383），通过6Mhz的基准频率，在其上升沿的时候，计数器累加，当计满到16383之后就取反speaker(speaker<=~speaker非阻塞赋值)，产生对应音符的频率，这里和单片机的定时计数器溢出中断差不多。
（2） 产生了21个音调之后，我们要产生流畅的歌曲，还必须根据歌曲的谱子，调用相应音符并且根据节拍控制其持续的时间，例如：若一个音持续4个1/4节拍，则在clk_4hz的上升沿，连续调用4次它的音符就可以了。用counter来计数，计满了（何时计满取决于歌曲长度）就将counter返回为0,这样就可以实现循环演奏了。代码如下：
module song(clk_6mhz,clk_4hz,speaker);
input clk_6mhz,clk_4hz;
output speaker
reg [3:0]high,med,low;
reg [13:0]divider,origin;
reg [7:0]counter;
reg speaker;
wire carry;
assign carry=(divider==16383);
always @(posedge clk_6mhz)
begin if(carry)divider<=origin;
else divider<=divider+1;
end
always @(posedge carry)
begin speaker<=~speaker;end
always @(posedge clk_4hz)
begin
case({high,med,low})
'b000000000001:origin<=4933;
'b000000000010:origin<=6179;
'b000000000011:origin<=7292;
'b000000000100:origin<=7787;
'b000000000101:origin<=8730;
'b000000000110:origin<=9565;
'b000000000111:origin<=10310;
'b000000010000:origin<=10647
'b000000100000:origin<=11272;
'b000000110000:origin<=11831;
'b000001000000:origin<=12085;
'b000001010000:origin<=12556;
'b000001100000:origin<=12974;
'b000001110000:origin<=13347;
'b000100000000:origin<=13515;
'b001000000000:origin<=13830;
'b001100000000:origin<=14107;
'b010000000000:origin<=14236;
'b010100000000:origin<=14470;
'b011000000000:origin<=14678;
'b011100000000:origin<=14858;
'b000000000000:origin<=16383;
endcase
end
always @(posedge clk_4hz)
begin
if(counter==113)counter<=0;
else counter=counter+1;
case(counter)
0: {high,med,low}<='b000000000101;
1: {high,med,low}<='b000000000101;//
2: {high,med,low}<='b000000000110;
3: {high,med,low}<='b000000000110;//
4: {high,med,low}<='b000000000101;
5: {high,med,low}<='b000000000101;//
6: {high,med,low}<='b000100000000;
7: {high,med,low}<='b000100000000;//
8: {high,med,low}<='b000001110000;
9: {high,med,low}<='b000001110000;
10:{high,med,low}<='b000001110000;
11:{high,med,low}<='b000001110000;//
12:{high,med,low}<='b000001010000;
13:{high,med,low}<='b000001010000;//
14:{high,med,low}<='b000001100000;
15:{high,med,low}<='b000001100000;//
16:{high,med,low}<='b000001010000;
17:{high,med,low}<='b000001010000;//
18:{high,med,low}<='b001000000000;
19:{high,med,low}<='b001000000000;//
20:{high,med,low}<='b000100000000;
21:{high,med,low}<='b000100000000;
22:{high,med,low}<='b000100000000;
23:{high,med,low}<='b000100000000;//
24:{high,med,low}<='b000001010000;
25:{high,med,low}<='b000001010000;//
26:{high,med,low}<='b010100000000;
27:{high,med,low}<='b010100000000;//
28:{high,med,low}<='b001100000000;
29:{high,med,low}<='b001100000000;//
30:{high,med,low}<='b000100000000;
31{high,med,low}<='b000100000000;//
32:{high,med,low}<='b000001110000;
33:{high,med,low}<='b000001110000;//
34:{high,med,low}<='b011000000000;
35:{high,med,low}<='b011000000000;//
36:{high,med,low}<='b010000000000;
37:{high,med,low}<='b010000000000;//
38:{high,med,low}<='b001100000000;
39:{high,med,low}<='b001100000000;//
40:{high,med,low}<='b000100000000;
41:{high,med,low}<='b000100000000;//
42:{high,med,low}<='b001000000000;
43:{high,med,low}<='b001000000000;//
44:{high,med,low}<='b000100000000;
45:{high,med,low}<='b000100000000;
46:{high,med,low}<'b000100000000;
47:{high,med,low}<='b000100000000;
48:{high,med,low}<='b000100000000;
49:{high,med,low}<='b000100000000;///////祝你生日快乐，完毕。
50: {high,med,low}<='b000000000011;/////////梁祝，开始
51: {high,med,low}<='b000000000011;
52: {high,med,low}<='b000000000011;
53: {high,med,low}<='b000000000011;
54: {high,med,low}<='b000000000101;
55: {high,med,low}<='b000000000101;
56: {high,med,low}<='b000000000101;
57: {high,med,low}<='b000000000110;
58: {high,med,low}<='b000000010000;
59: {high,med,low}<='b000000010000;
60:{high,med,low}<='b000000010000;
61:{high,med,low}<='b000000100000;
62:{high,med,low}<='b000000000110;
63:{high,med,low}<='b000000010000;
64:{high,med,low}<='b000000000101;
65:{high,med,low}<='b000000000101;
66:{high,med,low}<='b000001010000;
67:{high,med,low}<='b000001010000;
68:{high,med,low}<='b000001010000;
69:{high,med,low}<='b000100000000;
70:{high,med,low}<='b000001100000;
71:{high,med,low}<='b000001010000;
72:{high,med,low}<='b000000110000;
73:{high,med,low}<='b000001010000;
74:{high,med,low}<='b000000100000;
75:{high,med,low}<='b000000100000;
76:{high,med,low}<='b000000100000;
77:{high,med,low}<='b000000100000;
78:{high,med,low}<='b000000100000;
79:{high,med,low}<='b000000100000;
80:{high,med,low}<='b000000100000;
81:{high,med,low}<='b000000100000;
82:{high,med,low}<='b000000100000;
83:{high,med,low}<='b000000100000;
84:{high,med,low}<='b000000100000
85:{high,med,low}<='b000000110000;
86:{high,med,low}<='b000000000111;
87:{high,med,low}<='b000000000111;
88:{high,med,low}<='b000000000110;
89:{high,med,low}<='b000000000110;
90:{high,med,low}<='b000000000101;
91:{high,med,low}<='b000000000101;
92:{high,med,low}<='b000000000101;
93:{high,med,low}<='b000000000110;
94:{high,med,low}<='b000000010000;
95:{high,med,low}<='b000000010000;
96:{high,med,low}<='b000000100000;
97:{high,med,low}<='b000000100000;
98:{high,med,low}<='b000000000011;
99:{high,med,low}<='b000000000011;
100:{high,med,low}<='b000000010000;
101:{high,med,low}<='b000000010000;
102:{high,med,low}<='b000000000110;
103:{high,med,low}<='b000000000101;
104:{high,med,low}<='b000000000110;
105:{high,med,low}<='b000000010000;
106:{high,med,low}<='b000000000101;
107:{high,med,low}<='b000000000101;
108:{high,medlow}<='b000000000101;
109:{high,med,low}<='b000000000101;
110:{high,med,low}<='b000000000101;
111:{high,med,low}<='b000000000101;
112:{high,med,low}<='b000000000101;
113:{high,med,low}<='b000000000101;
endcase
end
endmodule

4、 三个模块都完成之后，生成相应的电路原理图，并连接起来，组成一个完整的音乐播放器电路，如下：

5、 完成以上步骤之后，分配引脚到试验箱上的芯片，连接好引脚到扬声器等，并且接好相应的短路帽。然后烧写程序到芯片中去，测试音乐播放器是否可以产生预期已经谱好了曲子的歌曲。经过硬件测试，能够产生《梁祝》和《祝你生日快乐》，在这里我只写了2首简单的歌曲。

四、 实验分析
1、所有不同频率的信号都是从同一个基准频率分频得到。由于音阶频率多为分整数，而分频比又不能为小数，故必须将计算得到的分频数四舍五入取整。如果基准频率过低，则如果分频比太小，四舍五入取整后的误差较大。若基准频率过高，虽然误差小，但分频数将会变大。设计时，综合考虑，在尽量减小频率误差的前提下取合适的基准频率。我在这里就选取了6Mhz的时钟频率。
2、由于最大分频预置数为16383（休止符），2的14次方=16384>16383,故只需取14bit即可，14位的二进制计数器可满足要求。分频比都是从6Mhz频率二分频得到3Mhz频率基础上计算得到。
3、如何分频得到想要的频率？总结了下，如果想由已知频率得到N分频的频率，计数器count<(N/2-1)为分界线，将要得到的频率在分界线处取反即可。
比如：上面要从24Mhz得到4hz的频率，N=24000000/4=6000000,则cnt<(6000000/2-1)即cnt<2999999即可。

五、 实验总结;
其实，音乐播放器用FPGA来实现是很简单的。核心部分就是抓住了乐曲的两个要点：音调的控制和音长的控制。因此，涉及到两个频率，一个用来控制产生相应的音调，一个是用来控制该音调持续的时间（即节拍）。我做的这个简易音乐播放器，硬件电路也很简单。其实，可以做的完善和人性化一点，因为声音不只21个音，还有升半调#和降调b，可以加些按键控制，选中某一首歌曲播放。或者还可以通过按键调整模式，可以有自己弹奏乐曲的模式，和音乐自动播放模式，两种模式进行切换。

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