【文章內(nèi)容簡介】 它通過記譜的方式來記錄一段音樂，因此與 wave 音樂相比，它可以極大地減少存儲容量。 MIDI 音樂的基本原理為：組成樂曲的每一個音符的頻率值及其持續(xù)的時間是樂曲能連續(xù)演奏的兩個基本數(shù)據(jù)，因此只要控制輸出到揚聲器的激勵信號頻率的高低和每一個頻率信號的持續(xù)時間，就可以使揚聲器發(fā)生連續(xù)的樂曲。如圖所示，為 CPLD 內(nèi)部芯片設(shè)計原理圖。 模塊設(shè)計 音樂編碼器模塊設(shè)計 此模塊包括節(jié)拍控制電路和音符產(chǎn)生電路。節(jié)拍控制電路以樂曲中最短音符的節(jié)拍為基準，產(chǎn)生樂曲所需要的全部節(jié)拍。 在大部分音樂中，多以 1/4 為一拍，一拍 則為一秒，同時在樂譜中，一般最短的音符多為 1/16 音符，因此為了達到四首歌曲的統(tǒng)一，我們將 1/16 音符設(shè)置為計數(shù)器的一個計數(shù)，對應(yīng)的 1/4 音符則是四個計數(shù)。為了節(jié)省內(nèi)部資源，我們 廣西大學電氣工程學院 EDA 課程設(shè)計 只演奏高潮部分。這樣的話，比如說《濤聲依舊》為 4/4 拍的音樂，即一個小節(jié)有 4 拍，而高潮部分共有 8 個小節(jié)，所以在計數(shù)器的范圍上我們設(shè)定為 0~127，即 128 位的計數(shù)器即可。另外，在設(shè)計中為了讓歌曲循環(huán)播放，計數(shù)器設(shè)定計滿自動清零計數(shù)的功能，這樣，只要不斷電，不關(guān)開關(guān)，歌曲就可以自動循環(huán)播放了。 音符產(chǎn)生電路采用查找表形式 [12]。在節(jié) 拍控制產(chǎn)生電路的接拍信號作用下，按樂曲中音符持續(xù)時間的長短輸出相應(yīng)音符名稱。具體歌曲的音符，只需要通過互聯(lián)網(wǎng)查找后，將對應(yīng)音符儲存在內(nèi)部即可。 音調(diào)發(fā)生模塊設(shè)計 此模塊包括預置數(shù)產(chǎn)生電路和頻率發(fā)生器。預置數(shù)產(chǎn)生電路設(shè)計采用查找表形式，按照音符的頻率要求產(chǎn)生相應(yīng)的預置數(shù) [13]。根據(jù)可變模值計數(shù)器的設(shè)計原理及音符的分頻系數(shù)，可計算出樂曲中各音符的預置數(shù)，如表 所示。 表 音符的分頻數(shù)和預置數(shù) 音名 分頻系數(shù) 初始值 低音 5 5102 3089 低音 6 4545 3646 低音 7 4050 4141 中音 1 3822 4369 中音 2 3405 4786 中音 3 3034 5157 中音 4 2863 5328 中音 5 2551 5640 中音 6 2273 5918 中音 7 2025 6166 高音 1 1911 6280 高音 2 1703 6488 高音 3 1517 6674 高音 4 1432 6759 高音 5 1275 6816 休止符 0 0 8191 廣西大學電氣工程學院 EDA 課程設(shè)計 在音符的選擇上，選擇了最廣泛應(yīng)用的 16 個音。若想編輯音域更廣的音樂，則需要重新設(shè)定初始值。 頻率發(fā)生器由可變模值計數(shù)器 實現(xiàn)。由于系統(tǒng)要求產(chǎn)生出的信號頻率較高，因此選用 2MHz高頻脈沖作為可變模值計數(shù)器的技計數(shù)脈沖。所以，上圖所給出的分頻系數(shù)是用分頻后的 2MHz基礎(chǔ)上計算得出的。各音階頻率及相應(yīng)的分頻如表 所示。 表 音符與頻率對照表 音名 頻率 /Hz 分頻系數(shù) 低音 5 5102 低音 6 440 4545 低音 7 4050 中音 1 3822 中音 2 3405 中音 3 3034 中音 4 2863 中音 5 783． 99 2551 中音 6 880 2273 中音 7 2025 高音 1 1911 高音 2 1703 高音 3 1517 高音 4 1432 高音 5 1275 休止符 0 8191 0 由于音階頻率多為非整數(shù)，而分頻系數(shù)又不能為小數(shù)，故必須將得到的分頻數(shù)四舍五入取整。 由于最大的分頻系數(shù)為 5102，故采用 13位二進制計數(shù)器已能滿足分頻要求。在表中可以看到不同音階對應(yīng)的不同初始值。對于不同的分頻系數(shù)，只要加載不同的 初始值即可。采用加載初始值而不將分頻輸出譯碼反饋，可以有效地減少設(shè)計占用可編程邏輯器件的資源。“ 0”表示休止符，在很多音樂中，休止符也是一個重要的音符。對于休止符，只要將分頻系數(shù)設(shè)為 0，揚聲器就不會發(fā)聲了。 廣西大學電氣工程學院 EDA 課程設(shè)計 頂層模塊設(shè)計 頂層模塊的設(shè)計可以采用原理圖設(shè)計或者 VHDL設(shè)計，我們直接采用 VHDL語言進行頂層模塊設(shè)計，將上述所提到的所有模塊，利用 ponent 語句進行集合，然后利用管腳映射的方法，將所有輸入輸出連接在一起，這樣就設(shè)計出了一個完整的 MIDI 音樂播放芯片，只需再連入外圍電路即可進行演示。 時鐘電 路 在本次設(shè)計中，除了要提供給 CPLD 的 4MHz 晶振時鐘以外，還要產(chǎn)生 4Hz時鐘接入音樂節(jié)奏時鐘。這兩個時鐘信號都是利用板載 50MHz晶振分頻后提供的。 音樂節(jié)奏時鐘 在上一章節(jié)中提到，我們以 1/16 音符為最小計數(shù)單元，而這個音符所占用的時間理論值為 ，所以我們在外部接入 4Hz的時鐘信號給計數(shù)器，已滿足正常的音樂播放要求。 音頻功率放大電路 由 CPLD 芯片輸出的音頻信號很微弱，不能直接去驅(qū)動揚聲器，因此需要一個音頻放大電路對輸出的音頻信號進行放大，然后再去驅(qū)動揚聲器。我們采用由集成功率放大器 LM386 組成的音頻功率放大器，如圖 所示。其中 C2 是交流耦合電容，將功率放大器的交流輸出送到負載上，輸出信號通過 Rw 接到 LM386的同相端。 C1 是退耦電容， R1C3 網(wǎng)絡(luò)起到消除高頻自激振蕩作用。 歌曲選擇 本次音樂播放器的設(shè)計在歌曲的選擇上也至關(guān)重要。由于現(xiàn)在 WAVE、 MP3格式音樂的廣泛流行， MIDI 音樂聽起來會稍顯單調(diào)，有些歌曲在用 MIDI 放出廣西大學電氣工程學院 EDA 課程設(shè)計 來的時候，會有一些失真，而且沒有 MP3 格式音樂那么流暢，因此在選歌上要慎重，所以盡量選擇多一些歌曲，通過多次的調(diào)試，調(diào)試出最后放出來效果較好的音樂。 經(jīng)過了 多次調(diào)試，最后確定了《美麗的神話》這首歌，這這首歌旋律明朗，耳熟能詳，便于辨識。而且我很喜歡。 芯片制作及系統(tǒng)調(diào)試 CPLD 程序下載 本次設(shè)計采用的是 Aletra 公司的 MAX II 系列，因此，必須用 Quartus II 軟件系列才能對該芯片進行編譯、仿真、下載等功能。下載模式我們采用 JTAG 線的下載方式。 Altera 的 Quartus II 是業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的 FPGA/CPLD 設(shè)計軟件，具有最全面的開發(fā)環(huán)境，實現(xiàn)無與倫比的性能表現(xiàn)。 本次設(shè)計采用 VHDL語言編程設(shè)計。在 Quartus 軟件中 VHDL文本輸入中，輸入所 有程序，并建立相應(yīng)的工程項目，直接在該軟件中進行編譯及仿真，編譯的同時，可以顯示出當前芯片容量是否夠用，如果不夠用，則需要對程序進行進一步優(yōu)化，直到容量達到芯片標準為止。所有準備就緒后，則通過軟件中的下載功能，通過 JTAG 端口，將程序下載到芯片中。 由于筆記本電腦只有通過 USB BLASTER 下載，而經(jīng)過測試 WIN7 無法識別 USB BLASTER。所以只有通過 XP 虛擬機來完成這一步，但是可以在 WIN7下進行仿真。 系統(tǒng)仿真 把程序下載到芯片內(nèi)部后，將第四章所介紹的外圍電路與 CPLD 連接后，形成整個系統(tǒng)。而仿 真調(diào)試則主要針對音符預置數(shù)模塊，揚聲器發(fā)生及分頻模塊和音符儲存模塊進行調(diào)試。 由于我們這個程序的頻率較大為 4MHz和 4Hz。經(jīng)過仿真發(fā)現(xiàn)由于周期太大仿真的顯示結(jié)果效果不好。 4Hz情況下甚至無法正常仿真。所以我們選擇用一些較大的頻率將我們實際的頻率進行等比例的放大。這樣可以方便我們的計算與觀察。廣西大學電氣工程學院 EDA 課程設(shè)計 音符儲存模塊仿真 廣西大學電氣工程學院 EDA 課程設(shè)計 音符預置數(shù)模塊仿真 廣西大學電氣工程學院 EDA 課程設(shè)計 分頻器模塊仿真 XP 虛擬機下程序下載成功圖 頂層模塊 RTL 圖 結(jié)論 通過對芯片內(nèi)部的編程設(shè)計，加上必要的 外圍電路，構(gòu)成了這個 MIDI 音樂播放器的系統(tǒng)，整體工作量適中。在前人已有的音樂播放器的基礎(chǔ)上，添加四首歌曲