【文章內容簡介】 19I / O20I / O21T M S22T D I23T C K24T D O25I/O26I/O27I/O28I/O29I/O30VCCIO31GNDIO32I/O33I/O34I/O35I/O36I/O37I/O38I/O39I/O40I/O41I/O42DEV_OE43DEV_CLRn44VCCIO45GNDIO46I/O47I/O48I/O49I/O50I / O51I / O52I / O53I / O54I / O55I / O56I / O57I / O58V C C I O59G N D I O60I / O61I O C L K62V C C I N T63I O C L K64G N D I N T65I / O66I / O67I / O68I / O69I / O70I / O71I / O72I / O73I / O74I / O75I/O76I/O77I/O78GNDIO79VCCIO80I/O81I/O82I/O83I/O84I/O85I/O86I/O87I/O88I/O89I/O90I/O91I/O92GNDIO93VCCIO94I/O95I/O96I/O97I/O98I/O99I/O100E P M 2 4 0 T 1 0 0M A X II 圖 EPM240T100C 管腳封裝圖及管腳功能說明 總體設計思路 總體設計框圖與 設計 思路 如圖 所示， 是 本 設計的音樂播放器的原理框圖。 其核心模塊為 CPLD 芯片，內部有音調發(fā) 生器、音樂編碼器和彩燈閃爍控制器三 個模塊。 音樂編碼器內儲存著預先設定的四首歌曲的編碼，通過改變音樂選擇開關的狀態(tài)可以決定當前要播放哪首音樂。音樂編碼器控制著音調發(fā)生器和彩燈閃爍控制器，每當音樂節(jié)奏時鐘送給音樂編碼器一個時鐘脈沖時，音樂編碼器就當前要播放的音符的編碼送給音調發(fā)生器和彩燈閃爍控制器。音調發(fā)生器根據(jù)編碼對應的分頻系數(shù)將基準時鐘分頻，得到當前要播放的音符所對應頻率的脈沖，再用這個脈沖去激勵揚聲器，就可以得到這個音符的聲音。彩燈閃爍控制器根據(jù)編碼將當前要播放的音符對應浙江大學城市學院畢業(yè)論文 第 2 章 總體設計概述 7 的彩燈亮滅狀態(tài)送給彩燈 [9]。 核心部分 CPLD 利用 VHDL 語言來完 成，其他部分通過外圍電路實現(xiàn)。 圖 音樂播放器的工作原理圖 CPLD 設計思路 在購買 CPLD 芯片之前，首先對所編寫好的程序在 Quartus II 軟件中進行編譯仿真，在編譯中，軟件會自動計算出整個程序所需要的 CPLD 邏輯單元數(shù)。因此根據(jù)最后編譯的結果，我們選擇了 EPM240 型芯片，其內部邏輯單元數(shù)為 240 個，只要對程序進行一定的優(yōu)化處理，即可以滿足所有的設計要求。 另外，為了使整個設計盡量簡潔，程序中的四首歌全部編寫歌曲的高潮部分，這樣聽起來更加耳熟能詳，同時也能節(jié)省更多的芯片內部資源。 外圍電路 設計思路 雖然在 CPLD 內部有對晶振時鐘分頻的模塊，但是由于歌曲的固有頻率需要較小，內部分頻的話，會占有更多的內部資源，而且不方便每次在程序中對時鐘調試，所以在外部單獨接入兩個時鐘信號，分別提供給音樂時鐘和彩燈閃爍時鐘[10]。 從模擬電路知識中可以知道，采用 555 定時器構成的多諧振蕩器來實現(xiàn)這兩塊電路最佳，能夠滿足我們所需要的小頻率時鐘信號。 在開關的選擇上，有兩種方案，一為采用兩門開關，產(chǎn)生兩位二進制數(shù)組，更四個數(shù)，這樣可以控制音樂播放，這種設計會減少一些芯片內部資源，但是在最后調試 演示歌曲時，每放一首歌一首歌，都要撥動兩個開關，比較麻煩；第二浙江大學城市學院畢業(yè)論文 第 2 章 總體設計概述 8 種方案則為直接接入四門開關，產(chǎn)生四位二進制數(shù)組，每一位對應一首歌曲，這樣設計會利用多一些的內部資源，但演示過程中會更人性化，更方便。鑒于最后編譯的結果，芯片內部資源允許四位二進制數(shù)組的開關程序，所以最后直接選用四位二進制數(shù)組開關。 揚聲器方面 則沒有太多的選擇，只要能夠整個電路系統(tǒng)能夠驅動的揚聲器，都可以用。因此，揚聲器的選擇要等到最后全部系統(tǒng)設計完成后，實地選擇播放效果較好的揚聲器。 另外，由于 CPLD 內部輸出的信號比較弱，因此為了能夠驅動揚聲器 導致發(fā)聲，必須在揚聲器前借一個音頻功率放大電路，同樣，在該電路中接入可滑動變阻器，這樣在后期的調試中，可以通過調節(jié)滑動變阻器，改變放大器的放大倍數(shù)，從而調試出放大出來音色最好的倍數(shù)。 浙江大學城市學院畢業(yè)論文 第 3 章 MIDI 音樂播放器芯片設計 9 第 3 章 MIDI 音樂播放器芯片設計 工作原理 MIDI 音樂是 Windows 下的一種合成音樂，由于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 [11]。如圖 所示，為 CPLD 內部芯片設計原理圖。 圖 芯片原理 模塊設計 音樂編碼器模塊設計 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。 節(jié)拍控制電路 頻率發(fā)生器 音符產(chǎn)生電路 預置數(shù)產(chǎn)生電路 彩燈控制器 揚聲器 彩燈 音調發(fā)生器 音樂編碼器 基準時鐘 Clk Clk 浙江大學城市學院畢業(yè)論文 第 3 章 MIDI 音樂播放器芯片設計 10 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(shù)器的一個計數(shù) ，對應的 1/4 音符則是四個計數(shù)。為了節(jié)省內部資源，我們只演奏高潮部分。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)器的范圍上我們設定為 0~127，即 128 位的計數(shù)器即可。另外，在設計中為了讓歌曲循環(huán)播放，計數(shù)器設定計滿自動清零計數(shù)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 對應音符儲存在內部即可。 音調發(fā)生模塊設計 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)生電路設計采用查找表形式，按照音符的頻率要求產(chǎn)生相應的預置數(shù) [13]。根據(jù)可變 模值 計數(shù)器的設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 浙江大學城市學院畢業(yè)論文 第 3 章 MIDI 音樂播放器芯片設計 11 在音符的選擇上，選擇了最廣泛應用的 16 個音。若想編輯音域更廣的音樂，則需要重新設定初始值。 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 4MHz 高頻脈沖作為可變模值計數(shù)器的技計數(shù)脈沖。而 為了減少輸出的偶次諧波分量，最后輸出到揚聲器的波形應為對稱方波，因此在到達揚聲器之前，有一個 2 分頻的分頻器 [14]。所以，上圖所給出的分頻系數(shù)是用分頻后的 2MHz 基礎上計算得出的。 各音階頻率及相應的分頻如 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)設為 0，揚聲器就不會發(fā)聲了。 浙江大學城市學院畢業(yè)論文 第 3 章 MIDI 音樂播放器芯片設計 12 彩燈閃爍控制模塊的設計 彩燈閃爍控制電路主要是控制燈的亮和滅，此電路輸出高低電平信號，就可以直接驅動發(fā)光二極管 [15]。在彩模塊，我們設計為不同音符，對應不同的亮滅，這樣，當音樂演奏起來的時候，隨著音符的變化，彩燈也因為不同的音符閃動起來。如 表 所示，為不同的音符對應 的彩燈閃亮情況。本次設計中外圍電路共接入了 9 個發(fā)光二極管。 表 不同音符對應彩燈閃爍表 音名 彩燈閃爍（ 1 為亮 / 0 為滅） 低音 5 100100100 低音 6 010010010 低音 7 001001001 中音 1 000000001 中音 2 000000011 中音 3 000000111 中音 4 000001000 中音 5 000011000 中音 6 000111000 中音 7 001000000 高音 1 011000000 高音 2 111000000 高音 3 000111111 高音 4 111111000 高音 5 111000111 休止符 0 111111111 開關選擇模塊設計 除了上述幾個主要模塊以外，還有一個開關選擇模塊的設計，采用 case 語句，對外部電路輸入的一個字符串進行判斷，芯片內部處理這個字符串，從而判斷選擇的是哪首歌曲的 播放 。 在上一章節(jié)的構思有提到，我們直接采用四門開關進行選擇，因此， case 語句直接對一個四位二進制數(shù)組進行選擇，如 1000 為第一首歌曲 ， 0100 為第二首歌 曲 ， 0010 為第三首歌 曲 ， 0001 為第四 首歌曲 。 浙江大學城市學院畢業(yè)論文 第 3 章 MIDI 音樂播放器芯片設計 13 頂層模 塊設計 頂層模塊的設計可以采用原理圖設計或者 VHDL 設計，我們直接采用 VHDL語言進行頂層模塊設計，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。 歌曲選擇 本次音樂播放器的設計在歌曲的選擇上也至關重要。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，有些歌曲在用 MIDI 放出來的時候，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，通過多次的調試，調試出最后放出來效果較好的音樂。 經(jīng)過了多次調試，最后確定了《美麗的神話》、《濤聲依舊》、《隱形的翅膀》、《我愿意》四首歌，這四首歌旋律明朗，都是耳熟能詳?shù)牧餍懈枨阌诒孀R。 浙江大學城市學院畢業(yè)論文 第 4 章 外圍電路設計 14 第 4 章 外圍電路設計 時鐘電路 在本次設計中，除了要提供給 CPLD 的 4MHz 晶振時鐘以外，還要通過外圍