【文章內(nèi)容簡(jiǎn)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(chǔ)容量。 MIDI 音樂的基本原理為：組成樂曲的每一個(gè)音符的頻率值及其持續(xù)的時(shí)間是樂曲能連續(xù)演奏的兩個(gè)基本數(shù)據(jù)，因此只要控制輸出到揚(yáng)聲器的激勵(lì)信號(hào)頻率的高低和每一個(gè)頻率信號(hào)的持續(xù)時(shí)間，就可以使揚(yáng)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(jì)原理圖。 模塊設(shè)計(jì) 音樂編碼器模塊設(shè)計(jì) 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(zhǔn)，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(shí)在樂譜中，一般最短的音符多為 1/16 音符，因此為了達(dá)到四首歌曲的統(tǒng)一，我們將 1/16 音符設(shè)置為計(jì)數(shù)器的一個(gè)計(jì)數(shù)，對(duì)應(yīng)的 1/4 音符則是四個(gè)計(jì)數(shù)。為了節(jié)省內(nèi)部資源，我們 廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院 EDA 課程設(shè)計(jì) 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(gè)小節(jié)有 4 拍，而高潮部分共有 8 個(gè)小節(jié)，所以在計(jì)數(shù)器的范圍上我們?cè)O(shè)定為 0~127，即 128 位的計(jì)數(shù)器即可。另外，在設(shè)計(jì)中為了讓歌曲循環(huán)播放，計(jì)數(shù)器設(shè)定計(jì)滿自動(dòng)清零計(jì)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(dòng)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(hào)作用下，按樂曲中音符持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)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(duì)應(yīng)音符儲(chǔ)存在內(nèi)部即可。 音調(diào)發(fā)生模塊設(shè)計(jì) 此模塊包括預(yù)置數(shù)產(chǎn)生電路和頻率發(fā)生器。預(yù)置數(shù)產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)采用查找表形式，按照音符的頻率要求產(chǎn)生相應(yīng)的預(yù)置數(shù) [13]。根據(jù)可變模值計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)原理及音符的分頻系數(shù)，可計(jì)算出樂曲中各音符的預(yù)置數(shù)，如表 所示。 表 音符的分頻數(shù)和預(yù)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(xué)電氣工程學(xué)院 EDA 課程設(shè)計(jì) 在音符的選擇上，選擇了最廣泛應(yīng)用的 16 個(gè)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(jì)數(shù)器 實(shí)現(xiàn)。由于系統(tǒng)要求產(chǎn)生出的信號(hào)頻率較高，因此選用 2MHz高頻脈沖作為可變模值計(jì)數(shù)器的技計(jì)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(jì)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(duì)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(jìn)制計(jì)數(shù)器已能滿足分頻要求。在表中可以看到不同音階對(duì)應(yīng)的不同初始值。對(duì)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(jì)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(gè)重要的音符。對(duì)于休止符，只要將分頻系數(shù)設(shè)為 0，揚(yáng)聲器就不會(huì)發(fā)聲了。 廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院 EDA 課程設(shè)計(jì) 頂層模塊設(shè)計(jì) 頂層模塊的設(shè)計(jì)可以采用原理圖設(shè)計(jì)或者 VHDL設(shè)計(jì)，我們直接采用 VHDL語(yǔ)言進(jìn)行頂層模塊設(shè)計(jì)，將上述所提到的所有模塊，利用 ponent 語(yǔ)句進(jìn)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(jì)出了一個(gè)完整的 MIDI 音樂播放芯片，只需再連入外圍電路即可進(jìn)行演示。 時(shí)鐘電 路 在本次設(shè)計(jì)中，除了要提供給 CPLD 的 4MHz 晶振時(shí)鐘以外，還要產(chǎn)生 4Hz時(shí)鐘接入音樂節(jié)奏時(shí)鐘。這兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào)都是利用板載 50MHz晶振分頻后提供的。 音樂節(jié)奏時(shí)鐘 在上一章節(jié)中提到，我們以 1/16 音符為最小計(jì)數(shù)單元，而這個(gè)音符所占用的時(shí)間理論值為 ，所以我們?cè)谕獠拷尤?4Hz的時(shí)鐘信號(hào)給計(jì)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(hào)很微弱，不能直接去驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，因此需要一個(gè)音頻放大電路對(duì)輸出的音頻信號(hào)進(jìn)行放大，然后再去驅(qū)動(dòng)揚(yáng)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(fù)載上，輸出信號(hào)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(jì)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(huì)稍顯單調(diào)，有些歌曲在用 MIDI 放出廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院 EDA 課程設(shè)計(jì) 來的時(shí)候，會(huì)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(shí)。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(jì)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(duì)該芯片進(jìn)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(jì)軟件，具有最全面的開發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)無與倫比的性能表現(xiàn)。 本次設(shè)計(jì)采用 VHDL語(yǔ)言編程設(shè)計(jì)。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(xiàng)目，直接在該軟件中進(jìn)行編譯及仿真，編譯的同時(shí)，可以顯示出當(dāng)前芯片容量是否夠用，如果不夠用，則需要對(duì)程序進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，直到容量達(dá)到芯片標(biāo)準(zhǔn)為止。所有準(zhǔn)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(cè)試 WIN7 無法識(shí)別 USB BLASTER。所以只有通過 XP 虛擬機(jī)來完成這一步，但是可以在 WIN7下進(jìn)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(gè)系統(tǒng)。而仿 真調(diào)試則主要針對(duì)音符預(yù)置數(shù)模塊，揚(yáng)聲器發(fā)生及分頻模塊和音符儲(chǔ)存模塊進(jìn)行調(diào)試。 由于我們這個(gè)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(shí)際的頻率進(jìn)行等比例的放大。這樣可以方便我們的計(jì)算與觀察。廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院 EDA 課程設(shè)計(jì) 音符儲(chǔ)存模塊仿真 廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院 EDA 課程設(shè)計(jì) 音符預(yù)置數(shù)模塊仿真 廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院 EDA 課程設(shè)計(jì) 分頻器模塊仿真 XP 虛擬機(jī)下程序下載成功圖 頂層模塊 RTL 圖 結(jié)論 通過對(duì)芯片內(nèi)部的編程設(shè)計(jì)，加上必要的 外圍電路，構(gòu)成了這個(gè) 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