【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證以及錯(cuò)誤的檢驗(yàn)。同時(shí)也可以進(jìn)行檢查設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)的程序是否滿足設(shè)計(jì)的要求來進(jìn)行的仿真。 Quartus II 簡(jiǎn)介 Quartus II 專門為開發(fā)的軟件 FPGA 提供的集成環(huán)境。 Quartus II 的 設(shè)計(jì)工具支持 的一般有 軟件 VHDL、 軟件 HDL 和圖形的設(shè)計(jì)， 這 些軟件中在 其內(nèi)部有 VHDL、 HDL 邏輯編輯器 對(duì)其設(shè)計(jì)的對(duì)象進(jìn)行編譯 。 Quartus II 可以利用第三方綜合工具進(jìn)行邏輯綜合，也可以利用第三方進(jìn)行仿真。此外 Quartus II 與 MTLAB 和 DSP Builder 結(jié)合，也可以進(jìn)行基于 FPGA 的 DSP 系統(tǒng)開發(fā)。使用 Quartus II 內(nèi)嵌的 SOP 集成環(huán)境，可以開發(fā) NisoII 嵌入式軟核處理器。 9 Quartus II 包括模塊化的編譯器。編譯器包括的功能模塊有分析 /綜合器（ Analysisamp。Synthesis）、適配器（ Fitter）、時(shí)序分析器 (Timing Analyzer)、設(shè)計(jì)輔助模塊 (Design Assistant)等?？梢酝ㄟ^選擇 Start Compliation 來來運(yùn)行所有的編譯器模塊，也可以通過 StartA 單獨(dú)的運(yùn)行每個(gè)獨(dú)立的模塊。換可以通過選擇 Compliler Tool,在此窗口中運(yùn)行相應(yīng)的功能模塊。 Quartus II 編譯器支持的硬件語言有 VHDL、 Verilog、 SystemVerilog 及 AHDL等硬件 語言。它還允許來自第三方的 EDIF、 VQM 文件的輸入，并提供很多EDA 軟件的接口。 Quartus II 軟件支持具有分層次得設(shè)計(jì)工作，它可以 在一個(gè)新的編輯特定的環(huán)境對(duì)不同的輸入以及輸入的設(shè)計(jì)方式進(jìn)行模塊或者模型之間的調(diào)用。這樣設(shè)計(jì)者就可以解決一系列的問題，比如混合的設(shè)計(jì)的輸入，模塊的混合輸入等問題。當(dāng)設(shè)計(jì)者在完成設(shè)計(jì)模塊的輸入之后，QuartusII 軟件的編譯器會(huì)將給出編譯后設(shè)計(jì)輸入的錯(cuò)誤，它會(huì)以報(bào)告的形式呈現(xiàn)。因此 QuartusII 的軟件擁有很好對(duì)于程序設(shè)計(jì)錯(cuò)誤定位工作。 Quartus II 軟件的特點(diǎn) （ 1）基于模塊的設(shè)計(jì)方法，提高 軟件 工作效率。 （ 2）更快集成 IP。 （ 3）在設(shè)計(jì)周期的早期就對(duì) I/O引腳進(jìn)行分配和確認(rèn)。 (4) 存儲(chǔ)器編譯器 。 （ 5）支持 CPLD、 FPGA 和基于 HardCopy 的 ASIC 。 (6) 它可以一種新的指令和引腳的功能進(jìn)行自動(dòng)的設(shè)計(jì)。 Quartus II 軟件的工具 （ 1）設(shè)計(jì)輸入工具。 Quartus II的設(shè)計(jì)輸入工具包括模塊編輯器、文本編輯器和 EDA設(shè)計(jì)輸入工具，利用這些工具可以建立設(shè)計(jì)所需的所有的設(shè)計(jì)文件，軟件源文件和其他的相關(guān)文件。 （ 2）綜合工具 綜合是將 HDL語音、原理圖等設(shè)計(jì)輸入翻譯成與、或、非門， RAM，觸發(fā)器等 10 基本邏輯單元組成的邏輯連接，并根據(jù)目標(biāo)與設(shè)計(jì)要求優(yōu)化所生 成的邏輯連接。 （ 3）布局布線工具 Quartus II軟件中的 Fitter工具可以完成布局布線功能，主要包括分析布局布線結(jié)果、優(yōu)化 布局布線、增量布局布線和通過反表保留分配等功能。 （ 4）時(shí)序分析工具 時(shí)序分析的功能是將設(shè)計(jì)者或者用戶對(duì)程序設(shè)計(jì)分析各種時(shí)序的功能，同時(shí)可以幫助布局布線，引導(dǎo)設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)，來滿足設(shè)計(jì)者對(duì)于設(shè)計(jì)的要求的滿足。 （ 5）仿真工具 設(shè)計(jì)者使用的 Quartus II提供了 Simulator工具對(duì) 設(shè)計(jì)者所 設(shè)計(jì) 得編程程序進(jìn)行的 一系列 的 功能仿真和時(shí)序仿真。功能仿真主要驗(yàn)證 設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)的程序是否符合設(shè)計(jì)要求；時(shí)序仿真包含延時(shí)信息，它能很好的地反映芯片的設(shè)計(jì)工作狀 況。 圖 Quartus II軟件的典型設(shè)計(jì)流程 時(shí)序分析 綜合 布局布線 仿真驗(yàn)證 設(shè)計(jì)輸入 編程和配置 功耗分析 調(diào) 試 更改管理 時(shí)序逼近 11 音樂知識(shí)介紹 音頻的概念 音頻就是人們 正常情況下所能 能夠聽到的所有的聲音都可以稱之為音頻 。 正常人耳的音頻范圍一般約為 16Hz~16kHz。 比如像人 的 說話聲、 各種樂器（鋼琴、吉他、豎笛） 、 唱歌聲、以及 咳嗽聲 等發(fā)出的聲音 把它制作成 CD，這時(shí)候所有的聲音沒有改變 就像原原本本從事物中發(fā)出來的一樣 ，因?yàn)?CD 就是音頻文件的一種 。如果有計(jì)算機(jī)再加上相應(yīng)的音頻卡 —— 就是我們經(jīng)常說的聲卡， 聲音的聲學(xué)特性 像是 音的高低 是 可以用計(jì)算機(jī)硬盤文件的方式 把它們 儲(chǔ)存下來 的；反過來，我們也可以把儲(chǔ)存 在 計(jì)算機(jī) 中 文件的音頻文件用一定的音頻程序播放，還原以前錄下的聲音 。 音頻的格式 CD格式：天籟 一般情況下 在 很多的 播放軟件的 “ 打開文件類型 ” 中，都可以看到 了*.cda格式 。標(biāo)準(zhǔn) CD格式 的頻率 是 ，速 度是 88K/秒， 16位量化位數(shù) ，它的聲音基本上是 屬于 原聲的 。 在音質(zhì)以及音色等基本哈桑保持了原有的原聲。 MP3：流行 MP3指的是 文件 MPEG中的 最為標(biāo)準(zhǔn)的 音頻部分，也就是 大多數(shù)中所指的MPEG音頻層。 MPEG音頻文件的壓縮是一種有損 失 壓縮 即壓縮之后就會(huì)改變?cè)械囊糍|(zhì)和音色 ， 而音質(zhì) 和 CD格式比起來就會(huì)降低。 由于其文件尺寸小，音質(zhì)好 。 MIDI：作曲家最愛 MIDI的含義就是 允許數(shù)字 之間的 合成器和其他 外圍 設(shè)備 之間的 交換數(shù)據(jù)。 MID文件格式由 MIDI繼承而來。 MID文件 它并不是已經(jīng)錄制好的音頻，而是記錄發(fā)聲著聲音的信息，然后存儲(chǔ) 并不是一段錄 制好的聲音，而是記錄聲音的信息，然后在告訴聲卡 有聲卡實(shí)現(xiàn)音樂的一組指令。 WMA：最具實(shí)力 WMA (Windows Media Audio) 格式是來自于微軟的 設(shè)計(jì) ，后臺(tái) 設(shè)計(jì)的 12 工作比較厲害 ，音質(zhì) 以及所發(fā)出的音色都 要強(qiáng)于 MP3格式，更遠(yuǎn)勝于 RA格式 。WMA這種格式在錄制時(shí)可以對(duì)音質(zhì)進(jìn)行調(diào)節(jié)。同一格式，音質(zhì)好的可與 CD媲美 。 VQF：無人問津 雅馬哈公司另一種格式是 *.vqf，它的核心是減少數(shù)據(jù)流量但保持音質(zhì)的方法來達(dá)到更高的壓縮比，可以說技術(shù)上也是很先進(jìn)的，但是由于宣傳不力，這種格式難有用武之地 。 音頻的處理 音頻的數(shù)字化處理 ： （ 1） 根據(jù)音頻信號(hào)的頻譜范圍選定一定的采樣頻率。根據(jù)最基本的香農(nóng)采樣定理，采樣頻率需至少是信號(hào)最高頻率的 2倍以上。 （ 2） 有了采樣頻率， AD 轉(zhuǎn)換器就按照該時(shí)間間隔對(duì)輸入的音頻信號(hào)進(jìn)行采樣、保持、量化編碼。這樣模擬的音頻信號(hào)就變成了純數(shù)字量 。 音頻處理的步驟： 音頻 低通濾波 AD采樣 數(shù)據(jù)處理（差錯(cuò)控制等） 存儲(chǔ)或者傳輸 節(jié)拍 及音符 所謂音樂的節(jié)拍就 是指強(qiáng)拍和弱拍 之間 的組合，常見的 節(jié)拍有 2/4， 3/4，4/4， 6/8 拍， 但是對(duì)于節(jié)拍來說，都是 固定的不變的。也就是數(shù)每一個(gè)節(jié)拍它的長(zhǎng)度以及位數(shù)都是事先固定好的，一般情況是允許改變的，如果改變節(jié)拍之間的長(zhǎng)度，那么對(duì)于一首歌曲的樂譜來說，它的音質(zhì)就會(huì)發(fā)生變化，即就是發(fā)音不準(zhǔn)。在音樂的寫作過程中，節(jié)拍已經(jīng)被分成均等的單位，而每一個(gè)小的單位通常被稱為一個(gè)小的節(jié)拍，拍子之間的時(shí)間就是每一個(gè)音樂樂譜的時(shí)間值。一首歌曲可以分成若干個(gè)節(jié)拍的組合，這樣對(duì)于一首完整的歌曲它的樂譜以及時(shí)間值就會(huì)不同，然而導(dǎo)致的就會(huì)歌曲的音質(zhì)與音色就不會(huì)不同。所以對(duì)應(yīng)的頻率也會(huì)有所變化。 樂曲的 12 平均率規(guī)定：每 2個(gè)八度音之間的頻率要相差 1倍，比如簡(jiǎn)譜中的中音 2 與高音 2。在 2個(gè)八度音之間， 又可分為 12個(gè)半音。另外，音符 A(簡(jiǎn)譜中的低音 5)的頻率為 392Hz，音符 E到 F之間、 B到 C之間為半音，其余為全 13 音。由此可以計(jì)算出簡(jiǎn)譜中從低音 l 至高音 1 之間每個(gè)音符的頻率。簡(jiǎn)譜音名與頻率對(duì)應(yīng)關(guān)系如表 11 所示： 表 11 簡(jiǎn)譜中的音名與頻率的關(guān)系 音名 頻率 /Hz 音名 頻率 /Hz 音名 頻率 /Hz 低音 1 中音 1 高音 1 低音 2 中音 2 高音 2 低音 3 中音 3 高音 3 低音 4 中音 4 高音 4 低音 5 中音 5 高音 5 低音 6 440 中音 6 880 高音 6 1760 低音 7 中音 7 高音 7 由于 每一首歌曲的 音階頻率 大多數(shù)情況 多為非整數(shù)， 但是對(duì)于分頻的系數(shù)又不能出現(xiàn)小數(shù)，所以對(duì)于分頻的系數(shù)如果出現(xiàn)了小數(shù)點(diǎn)的情況下，我們就會(huì)根據(jù)小數(shù)的大小進(jìn)行四舍五入 。 音符的持續(xù)時(shí)間 須根據(jù)樂曲的速度及每個(gè)音符的節(jié)拍數(shù)來確定。因此，要控制音符的音長(zhǎng)，就必須知道樂曲的速度和每個(gè)音符所對(duì)應(yīng)的節(jié)拍數(shù)。如果將全音符的持續(xù)時(shí)間設(shè)為 1s的話，那么一拍所應(yīng)該持續(xù)的時(shí)間為 秒，則只需要提供一個(gè) 4HZ 的時(shí)鐘頻率即可產(chǎn)生四分音符的時(shí)長(zhǎng)。 至于音長(zhǎng)的控制，在自動(dòng)演奏模塊，每個(gè)樂曲的音符是按地址存放的，播放樂曲時(shí)按 4HZ 的時(shí)鐘頻率依次讀取簡(jiǎn)譜，每個(gè)音符持續(xù)時(shí)間為 秒。如果樂譜中某個(gè)音符為三拍音長(zhǎng)，那又該如何控制呢？其實(shí)只要在 3個(gè)連續(xù)地址存放該音符，這時(shí)就會(huì)發(fā)三個(gè) 秒的音長(zhǎng)，即持續(xù)了三拍的時(shí)間， 通過這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的操作就可以控制音長(zhǎng)了。 14 第二章 系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)的基本要求 設(shè)計(jì)一電子琴，可以實(shí)現(xiàn)通過按鍵控制即當(dāng)下不同的按鍵會(huì)發(fā)出不同的聲音，同時(shí)通過按鍵能演奏一首歌曲。 基于 FPGA的設(shè)計(jì)，在內(nèi)部存儲(chǔ)一首歌曲，并且當(dāng)功能鍵有效時(shí)，就會(huì)自動(dòng)播放這首歌曲。 設(shè)計(jì)的總體方案 根據(jù)系統(tǒng)的 設(shè)計(jì)要求所實(shí)現(xiàn)的兩大功能：手動(dòng)輸入 按鍵 與自動(dòng)演奏，可 將本系統(tǒng) 分成 控制輸入電路 模塊， FPGA 電路 模塊和揚(yáng)聲電路 模塊三部分。系統(tǒng)框圖如圖 所示。音頻發(fā)生模塊由分頻器組成，產(chǎn)生 十二 個(gè)頻率（還可擴(kuò)展） ，對(duì)應(yīng) 十二 個(gè)音符，這些頻率經(jīng) 放大后驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器 ，即可發(fā)出 聲音。鍵盤選擇手動(dòng)彈奏模式時(shí)，按下音符鍵后就選擇相應(yīng)的 的頻率輸出， 產(chǎn)生悅耳的 效果；選擇自動(dòng)演奏模式時(shí)， 設(shè)計(jì)者事先在存儲(chǔ)器里 編寫好的音符 按照順序一個(gè)一個(gè)的被讀出 ，就會(huì)對(duì)應(yīng)相應(yīng)的分頻的頻率 ，實(shí)現(xiàn)自動(dòng) 的演奏模式 。 圖 采用 FPGA設(shè)計(jì)的電子琴原理方框圖 控制輸入電路主要是為 使用者所 設(shè)計(jì)的 ,主要的作用是用戶的輸入控制 ，即是實(shí)現(xiàn)電子琴的功能的選擇，它是有功能選擇鍵進(jìn)行控制的，當(dāng)功能鍵低電平有效時(shí)，它選擇的是有用戶有按鍵輸入，進(jìn)行演奏；當(dāng)功 能鍵高電平時(shí)，它選擇的是 選擇自動(dòng)演奏模式時(shí)，存儲(chǔ)器里事先編寫好的音符信息被依次取出，去選通各個(gè)頻率輸出，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)奏樂。 FPGA采用現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件（ FPGA）制作， 設(shè)計(jì)者利用軟件 EDA技術(shù)進(jìn)行對(duì)程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后弄到 FPGA進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的 . 同時(shí) FPGA是本 系統(tǒng)的 設(shè)計(jì)方案的核心內(nèi)容 ,它 主要是 是實(shí)現(xiàn)電子琴功能 的主要控制模塊 .由工程師或者設(shè)計(jì)者事先把程序弄到 FPGA中，通過控制輸入，產(chǎn)生不同的分頻系數(shù)對(duì)應(yīng)相應(yīng)的頻率，來 驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器 ,發(fā)出不同的 音樂 . 控制輸入電路 FPGA 揚(yáng)聲電路 15 揚(yáng)聲電路是 一種電聲轉(zhuǎn)換部件，它將聲音電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲音 。當(dāng) 線圈通電 時(shí) ,其線圈就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng) ,在與磁鐵的磁場(chǎng)相互作用下 ,線圈就會(huì)振動(dòng) ,振動(dòng)就會(huì)發(fā)出聲音 .簡(jiǎn)單來說是通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)內(nèi)的受力作用 . 程序設(shè)計(jì)的流程圖 程序設(shè)計(jì)的流程圖如圖 所示 . 根據(jù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的的兩大功能：手動(dòng)彈奏與自動(dòng)演奏，由于每一個(gè)音頻都會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)固定的頻率值，因此首先是有用戶根據(jù)設(shè)計(jì)的需要進(jìn)行頻率的選擇，按本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求我們會(huì)選擇十二個(gè)按鍵控制十二個(gè)不同的音符，所以對(duì)于設(shè)計(jì)者 圖 程序設(shè)計(jì)流程圖 就會(huì)計(jì)算每一個(gè)頻率的分頻系數(shù)。然后將 所計(jì)算的分頻系數(shù)進(jìn)行預(yù)置，由于設(shè)計(jì)者已經(jīng)將本身的頻率預(yù)置， 當(dāng)用戶選擇不同的音符時(shí)，電子琴就會(huì)對(duì)應(yīng)查到相應(yīng)的分頻系數(shù)，同時(shí)將 這些頻率經(jīng)放大