【文章內容簡介】 系數應綜合考慮加以選擇，從而保證音樂不會走調。如在 48MHz 時鐘下，中音 1（對應的頻率值是 ）的分頻系數應該為： 48000000/(2*)=45867，這樣只需對系統(tǒng)時鐘進行 45867 次分頻即可得到所要的中音 M1（分頻系數計算公式為 /2D F K? ，由于 /2FK之后，會使分頻系數 D 變小，所以功能模塊中語句： beep_r=!beep_r，使得輸出取反， / 2 _K F co u n t en d? ，消除了前面除以 2K 的影響）。至于其他音符，可以同樣求出對應的分頻系數。在程序中設置一個狀態(tài)機，每 250ms 改變一個狀態(tài)（即一個節(jié)拍），組成樂曲的每個音符的頻率值（音調）相對應于狀態(tài)機的每一個狀態(tài)。只要讓狀態(tài)機的狀態(tài)按順序轉換，就可以自動演奏播放音樂了。《友誼地久天長》樂曲的簡譜 見 附錄 5 所示，（注： N 一拍； N 兩拍； N四拍； N八拍； N 為音譜）。 宜賓職業(yè)技術學院電子信息與控制工程系 基于 CPLD 的 MIDI 音樂播放器設計 9 音 樂 節(jié) 奏 時鐘彩 燈 閃 爍 節(jié)奏 時 鐘音 調 發(fā) 生 器中 央 控 制 器彩 燈 閃 爍 控制 器彩 燈蜂 鳴 器光 電 傳 感 器基 準 時 鐘C P L D數 碼 管數 碼 管顯 示 控制 器 圖 CPLD 內部芯片 設計原理 有限狀態(tài)機 有限狀態(tài)機 FSM 思想廣泛應用于硬件控制電路設計，也是軟件上常用的一種處理方法 (軟件上稱為 FMM有限消息機 )。它把復雜的控制邏輯分解成有限個穩(wěn)定狀態(tài)，在每個狀態(tài)上判斷事件，變連續(xù)處理為離散數字處理，符合計算機的工作特點。同時，因為有限狀態(tài)機具有有限個狀態(tài)，所以可以在實際的工程上實現(xiàn)。但這并不意味著其只能進行有限次的處理，相反，有限狀態(tài)機是閉環(huán)系統(tǒng)，有限無窮，可以用有限的狀態(tài)，處理無窮的事務。 有限 狀態(tài) 機是指輸出取決于過去輸入部分和當前輸入部分的 時序邏輯電路 。一般來說，除了輸入部分和輸出部分外，有限 狀態(tài) 機還含有一組具有 “記憶 ”功能的 寄存器 ，這些寄存器的功能是記憶有限狀態(tài)機的內部狀態(tài)，它們常被稱為狀態(tài)寄存器。在有限 狀態(tài)機中，狀態(tài) 寄存器 的的下一個狀態(tài)不僅與輸入信號有關，而且還與該寄存器的當前狀態(tài)有關，因此 有限狀態(tài)機又可以認為是組合邏輯和寄存器邏輯的一種組合。其中， 寄存器邏輯的功能是存儲有限 狀態(tài) 機的內部狀態(tài)；而組合邏輯又可以分為次態(tài)邏輯和輸出邏輯兩部分，次態(tài)邏輯的功能是確定有限狀態(tài)機的下一個狀態(tài)，輸出邏輯的功能是確定有限狀態(tài)機的輸出。 有限狀態(tài)機的工 作原理如圖 所示，發(fā)生事件 (event)后，根據當前狀態(tài) (cur_state)，決定執(zhí)行的動作 (action)，并設置下一個狀態(tài) (nxt_state)。 宜賓職業(yè)技術學院電子信息與控制工程系 基于 CPLD 的 MIDI 音樂播放器設計 10 發(fā) 生 事 件 e v e n t當 前 狀 態(tài)c u r _ s t a t e執(zhí) 行 動 作 a c t i o n設 置 下 一 狀 態(tài)n x t _ s t a t e 圖 有限狀態(tài)機工作原理 狀態(tài)機的現(xiàn)態(tài)（當前狀態(tài)）和次態(tài)（下一狀態(tài)），分別表示現(xiàn)在演奏的音調和將要演奏的音調，而每個音調持續(xù)的時間都是 TIME 變量的整數倍。在程序中， TIME 的值在時鐘 50MHz 頻率下，設定為 250ms。 中央控制 器設計 中央控制器 包括節(jié)拍控制電路和音符產生電路。 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 音符設置為計數器的一個計數，對應的 1/4 音符則是四個計數。為了節(jié)省內部資源，我們只演奏一首歌曲。另外，在設計中為了讓歌曲循環(huán)播放，計數器設定計滿自動清零計數的功能，這樣，只要不斷電，不關開關，歌曲就可以自動循環(huán)播放了。 音調發(fā)生器設計 控制好每一個音符的頻率和維持的頻率時間，就可以組成兩個連續(xù)的音 符，從而發(fā)出連續(xù)的樂曲，如表 音符與頻率對照表所示。 表 音符與頻率對照表 音名 頻率 /Hz 分頻系數 低音 5 61225 低音 6 440 54545 中音 1 45867 中音 2 40863 中音 3 36402 中音 5 30612 中音 6 880 27273 高音 1 22956 休止符 0 8191 0 宜賓職業(yè)技術學院電子信息與控制工程系 基于 CPLD 的 MIDI 音樂播放器設計 11 由于音階頻率多為非整數，而分頻系數又不能為小數，故必須將得到的分頻數四舍五入取整。 根據系統(tǒng) 最大 的分頻系數為 61225，故采用 16 位二進制計數器已能滿足分頻要求。在表 中，可以看到不同音階對應的不同初始值。對于不同的分頻系數，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，只要將分頻系數設為 0，蜂鳴器就不會發(fā)聲了，程序代碼如下所示。 parameter L_5 = 1639。d61224, //低音 5 L_6 = 1639。d54545, //低音 6 M_1 = 1639。d45863, //中音 1 M_2 = 1639。d40865, //中音 2 M_3 = 1639。d36402, //中音 3 M_5 = 1639。d30612, //中音 5 M_6 = 1639。d27273, //中音 6 H_1 = 1639。d22956。 //高音 1 parameter TIME=120xx000。 //控制音的長短 (250ms) assign beep=beep_r。 //輸出音樂 光電傳感器設計 光電傳感器根據電路設計，當它檢測到有光時，它內部為低電平，蜂鳴器不會叫，沒有檢測到光時，它內部為高電平，蜂鳴器會叫，程序代碼如下所示。 always@(posedge sys_clk) begin count=count + 139。b1。 //計數器加 1 if(count==count_end) begin count=1639。h0。 //計數器清零 if(ke==139。b0) //如果有光 beep_r=0。 //蜂鳴器不叫 else 宜賓職業(yè)技術學院電子信息與控制工程系 基于 CPLD 的 MIDI 音樂播放器設計 12 beep_r=!beep_r。 //輸出取反 (蜂鳴器叫 ) end end 彩燈閃爍設計 彩燈閃爍主要是控制燈的亮和滅，輸出高低電平信號，就可以直接驅動發(fā)光二極管。在彩燈閃爍程序中，如果設計為不同音名，對應不同的亮滅，那么，閃爍出來的效 果很單調，因此，設計為每次音符一變對應的閃爍也就改變，這樣閃爍出來的效果也有很多種。當音樂演奏時，隨著歌曲的變化，彩燈也因為不同的音符閃動起來，本次程序設計中共設計了 6 個發(fā)光二極管，彩燈邏輯電路如圖 所示。 s y s _ c l k ( G N D )k e ( G N D ) f a [ 5 . . 0 ]6 39。 h 0 0 圖 彩燈閃爍邏輯圖 數碼管顯示設計 數碼管顯示采用 case 語句，芯片內部處理好程序后，送給數碼管顯示電路模塊。當音樂演奏時，隨著 樂 曲聲起，數碼管也會開始顯示時間，本次程序設計中設計了 3 個八段共陽數碼管的代碼，數碼管部分邏輯電路如圖 所示。 圖 數碼管部分邏輯圖 所有程 序代碼見附錄 6，綜合出的部分 RTL 電路圖見附錄 3。 宜賓職業(yè)技術學院電子信息與控制工程系 基于 CPLD 的 MIDI 音樂播放器設計 13 5 產品制作 PCB 設計 使用 Protel 99 SE軟件進行 PCB 設計，繪制原理圖的過程為圖紙設置、添加元件庫、放置元件、元件布局、開始連線、布線調整、電氣規(guī)則檢查，檢查無誤后就可以保存并打印。繪制 PCB 圖的過程為更新 PCB、規(guī)劃印制電路板的大小、元件布局、設置布線規(guī)則、開始布線、檢查布線，檢查無誤后就可以保存并打印。 采用萬用板制作電路板，為了焊接美觀選用材質好點的萬用板，按照原理圖裝配元器件， 電路 原理圖見附錄 1，系統(tǒng)板 PCB 圖見附錄 2。 元器件裝配 元器件檢測 主要元器件的檢測如下： 數碼管：用萬用表檢測數碼管，先判定數碼管 DS1 是共陰還是共陽，用萬用表的正極接數碼管 10 腳（即數碼管中間的引腳），負極接剩下的引腳，如果亮了則是共陽數碼管，沒亮則把表筆對調，亮了則是共陰，沒亮就有可能數碼管已壞，判斷出共陰和共陽后就檢測每段的亮度是否正常，其余數碼管測試方法一樣。 發(fā)光二極管：用萬用表檢測 LED 發(fā)光二極管 D1（大頭為正，小頭為負），萬用表的正極接 D1 的正極，負極接 D1 的負極，看 D1 是否發(fā)光，發(fā)光就正常，沒發(fā)光就說明D1 已損壞。 電阻：用萬用表檢測電阻的阻值看是不是所需的 470Ω，也可以通過讀取色環(huán)來判斷電阻的大小，雖然一般電阻都無損壞，但是安全起見還是全部檢測。 CPLD：先看 CPLD 的引腳是否有損壞，在通過寫入相應程序看能不能實現(xiàn)功能，依此來判斷 CPLD 的好壞。 光電傳感器：用萬用表正極接 VCC,負極接光電傳感器 D0 端，這時開關那顆發(fā)光二極管發(fā)光證明此時為低電平（有光），反之則為高電平（無光）。 元器件安裝 先安裝數碼管，要注意數碼管的高度，接著安裝電阻，注意引腳要直，安裝位置可參照電路原理圖，最后安裝發(fā)光二極管。 宜賓職業(yè)技術學院電子信息與控制工程系 基于 CPLD 的 MIDI 音樂播放器設計 14 同 時 元器件安裝時應按照以下原則： （ 1）安裝的順序 ：先低后高，先小后大，先輕后重。 （ 2）元器件的標識 ：電子元器件的標記和色碼部位應朝上，以便于辯認；橫向插件的數值讀法應從左至右，而豎向插件的數值讀法則應從下至上。 （ 3）元器件的間距：在印制板上的元器件之間的距離不能小于 1mm；引線間距要大于 2mm（必要時，引線要套上絕緣套管）。一般元器件應緊密安裝，使元器件貼在印制板上，緊貼的容限在 左右。安裝時要注意元件的位置及走線，防止出現(xiàn)跳線。 元器件焊接 在焊接時， 先把數碼管的一端固定在萬用 板上，再把電阻的兩端固定在板子上，發(fā)光二極管焊接時要再次確認極性，當極性確認無誤后就可以固定在板子上，元器件固定好后要仔細檢查元器件位置有沒有固定錯，沒有就可以 根據 原理圖 連接 各個器件之間 的印制線，為了保證元 器 件的好壞焊接時間不能過長。焊接完成后， 需 要仔細的檢查電路，看看 是否有漏焊、虛焊、短路等現(xiàn)象。 同時 焊接時應按以下步驟： （ 1）準備工作。首先把被焊件、錫絲和烙鐵準備好，處于隨時可焊的狀態(tài)。 （ 2）加熱被焊件。把烙鐵頭放在焊盤和元器件引腳處進行加熱。 （ 3）放上焊錫絲。被焊件進加熱達到一定溫度后，立即將手 中的錫絲觸到被焊件上使之融化。 （ 4）移開焊錫絲。當錫絲融化一定量后（焊料不能太多），迅速移開錫絲。 （ 5）移開電烙鐵。當焊料的擴散范圍到達要求后移開電烙鐵。 當硬件電路焊接完成后，就可以把硬件電路跟 CPLD 相連， 在連接數碼管 電路 時，因為用的是共陽數碼管，所以 需要準確的判斷出數碼管的每段，在連接其它電路時注意不要把電源與地接反即可。 宜賓職業(yè)技術學院電子信息與控制工程系 基于 CPLD 的 MIDI 音樂播放器設計 15 6 系統(tǒng)調試 本次設計采用的是 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。下載模式我們進行 USB Blaster 線的下載方式。 CPLD 程序編譯 當程序編寫完成后即可進行編譯，警告不影響結果 ， 程序編譯 結果 如圖 所示。 圖 程序編譯 結果 CPLD 引腳配置 選擇 PIN_20 為系統(tǒng)時鐘 (sys_clk)引腳，選擇 PIN_1 為蜂鳴器輸