【文章內容簡介】 計數器進行分頻。分頻器電路中“TONE”作為預置數，進行減一計數。圖29音樂符數控分頻模塊原理圖在該VHDL描述程序中，進程“dicideclk”將外部時鐘進行預分頻，即12分頻，因此外部輸入的時鐘信號如果為12MHZ，則經過此分頻后得到1MHZ的信號。因為表22的個音節(jié)的分頻系數是以1MHZ外部時鐘信號為前提的。這樣在移植程序時，可根據硬件條件調整此分頻系數，保證獲得1MHZ時鐘信號系數即可。進程“GENSPKS”的作用是根據預置數的不同，產生2倍音階信號。因為此信號的脈沖寬度極?。?個Preclk周期），所以需要調整占空比才使外部驅動電路提供足夠的驅動蜂鳴器的功率。 4位數據寬度的二選一多路選擇器Mux21c VHDL模塊設計 為了實現自動音樂播放和按鍵輸入電子琴功能切換，本例設置了一個二選一多路選擇器，通過按鍵控制選擇段端按鍵音和存儲音樂的選擇播放。圖210 4位數據寬度的二選一多路選擇器原理圖在該VHDL描述程序中，當不按下key時，相當于低電平0，實現的是按鍵輸入，將k_code輸出到index中。當按下key時，相當于高電平1，實現的是indextone輸出到index中。 VHDL音樂演奏系統(tǒng)仿真與調試（1）波形仿真：將所編寫的音樂節(jié)拍和音調模塊NoteTabs的程序設為工程。進行仿真，仿真結果如圖211所示。圖211 NoteTabs自動樂曲播放模塊的仿真結果（2）模塊功能分析與調試音樂節(jié)拍和音調模塊NoteTabs的功能是控制自動音樂播放，音樂的數據存儲在定制的ROM中，當啟動自動音樂播放時，則將ROM中存儲的對應音節(jié)的索引值輸出出來，再通過索引值得到對應音節(jié)的分頻系數。如圖26 ，存儲次數的多少代表音節(jié)發(fā)聲的長短，所以對應于圖26，仿真正確。（1）波形仿真：將所編寫的分頻預置數查表模塊Tone_tab1的程序設為工程。進行仿真，仿真結果如圖212所示。圖212 Tone_tab1 分頻預置數查表模塊的仿真結果（2）模塊功能分析與調試Tone_tab1 分頻預置數模塊的功能是輸出各個音符所對應的分頻預置數，由上面的仿真波形圖可看到若當index是“0000”，tone輸出為0，即休止符的分頻預置數；當index是“0101”時， tone輸出為1432即低音4的分頻預置數；當index是“1111”時， tone輸出為478即高音1的分頻預置數等等其它狀態(tài)時，tone分別輸出相應音符的分頻預置數，仿真波形圖證明了程序實現了模塊的功能。 Speakera 音樂符數控分頻模塊的仿真（1）波形仿真：將所編寫的音樂符數控分頻模塊Speakera的程序設為工程進行仿真，仿真結果如圖213所示。圖213 Speakera 音樂符數控分頻模塊的仿真結果（2）模塊功能分析與調試Speakera 音樂符數控分頻此模塊的功能是根據初始值Tone的值，對輸入時鐘信號Clk的頻率進行分頻，得到想要的音符的發(fā)聲頻率其時鐘（Clk）端輸入的是在十六進制模塊里對12MHz的信號進行12分頻得到的1MHz，1MHz的信號根據分頻預置數模塊中所提供的計數初值，分別得出相應音符頻率的兩倍值。此時從數控分頻器中出來的輸出信號是脈寬極窄的脈沖式信號，為了有利于驅動揚聲器，需另加一個D觸發(fā)器以均衡其占空比，這時的頻率就變?yōu)樵瓉淼?/2，剛好就是相應音符的頻率。在clk端輸入一具有較高頻率的信號（這里是12MHz）的信號，通過分頻后由cout輸出。這里是對12MHz的信號進行12分頻得到1MHz的信號。1MHz的時鐘脈沖信號是給數控分頻模塊提供時鐘信號。數控分頻模塊中對Clk輸入信號的分頻比由11位預置數tone[10..0]決定。spkout的輸出頻率將決定每一個音符的音調，這樣，分頻計數器的預置tone[10..0]與spkout的輸出頻率就有了對應關系。 4X4矩陣式鍵盤Key_encoder模塊仿真（1）波形仿真：將所編寫的4X4矩陣式鍵盤Key_encoder模塊的程序設為工程，進行仿真，仿真結果如圖214所示。圖214 4X4矩陣式鍵盤Key_encoder模塊仿真（2）模塊功能分析與調試4X4矩陣式鍵盤實現按下一個鍵對應輸出一個音，k_code中放的是對應音階索引值，例如xy輸入為ED即化為二進制為11101101，輸出為0001；輸入為77即化為二進制為01110111，輸出為1111。仿真結果完全正確。 4位數據寬度的二選一多路選擇器Mux21c模塊仿真(1)波形仿真：將所編寫的4位數據寬度的二選一多路選擇器Mux21c模塊程序設為工程，進行仿真，仿真結果如圖215圖215 4位數據寬度的二選一多路選擇器Mux21c模塊仿真（2）模塊功能分析與調試二選一多路選擇器就是實現自動音樂播放和按鍵輸入的切換，當key為低電平時，輸出的是k_code，當key為高電平時，輸出的是indextone。仿真結果正確。設計結論本文介紹了基于FPGA的音樂演奏系統(tǒng)的設計，設計實現了樂曲自動播放和手動播放的自由切換。本設計經過了整體分析、模塊化分析、整體與模塊的仿真分析這樣三個步驟，描述了其工作原理、設計思路及實現方法，實現了自動演奏以及手動演奏的功能，并在QuartusII 。對于本設計中的樂曲自動演奏部分，采用FPGA設計實現音樂演奏系統(tǒng)具有很強的可行性和可靠性，而且更改樂曲容易，可根據需要修改ROM中的音符數據文件，從而使電路實現任一曲子的播放。這種基于FPGA的音樂硬件演奏電路的設計與實現，不僅通過VHDL層次化和模塊化設計方法，同時采用數控分頻和定制LPMROM的設計思想，更好的優(yōu)化了樂曲演奏數字電路的設計，在此基礎上不必變化頂層文件架構可隨意變更樂曲，有效縮短了產品開發(fā)周期、減少了設計芯片的數量、降低了功耗、提高了設計的靈活性、可靠性和可擴展性。本次設計可以說基本達到了設計要求，但尚有需要改進的地方。隨著樂譜的復雜程度加大，如果依然在音調發(fā)生器的程序中通過時鐘計數來決定音符的輸出，會加大編程的繁雜度。參考文獻[1] 張永格，何乃味 編著?！秵纹瑱CC語言應用技術與實踐》.[M].北京：交通大學出版社，20095。[2] 曹昕燕 ，周鳳臣， 聶春燕 編著.《EDA技術試驗與課程設計》.[M].北京：清華大學出版社 ，20065。[3] 徐志軍， 王金明 ，尹廷輝， 徐光輝，蘇勇 編著.《EDA技術與VHDL設計》. [M].北京：電子工業(yè)出版社，20091。[4] 劉欲曉 ，方強 ，黃宛寧 等編著.《EDA技術與VHDL電路開發(fā)應用實踐》.[M].北京：電子工業(yè)出版社，20094。[5] 朱正偉 主編.《EDA技術及應用》[M].北京：清華大學出版社，[6] 潘松 ，黃繼業(yè) 編著.《EDA技術與VHDL(第2版)》[M]. 北京：清華大學出版社，20071。[7] 趙明富，劉文進 主編.《EDA技術基礎》[M].北京：北京大學出版社，[8] 柳春鋒 主編.《電子設計自動化（EDA）教程》[M]. 北京：北京理工大學出版社，20058。[9] 潘松 ，黃繼業(yè) 編著.《EDA技術實用教程》[M].北京：科學出版社，2005。[10] 趙明富 主編.《EDA技術與實踐》[M].北京：清華大學出版社，200511。[11] 鄒彥 等編著.《EDA技術與數字系統(tǒng)設計》[M].北京：電子工業(yè)出版社，20074附 錄附錄A 頂層模塊VHDL程序:LIBRARY ieee。USE 。 LIBRARY work。ENTITY spiel IS PORT (clk8hz : IN STD_LOGIC。 key : IN STD_LOGIC。 clK12mhz : IN STD_LOGIC。 x1 : IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0)。 y1 : IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0)。 spk_out : OUT STD_LOGIC)。END spiel。ARCHITECTURE bdf_type OF spiel IS COMPONENT notetabs PORT(clk