【文章內(nèi)容簡介】 比，從而生成各音符對應頻率的對稱方波輸出。這個過程實際上進行了一次二分頻，頻率變?yōu)樵瓉淼亩种患?。 因此，分頻系數(shù)的計算可以按照下面的方法進行。以中音 1為例，對應的頻率值為 523Hz，它的分頻系數(shù)應該為： 至于其他音符，可由上式求出對應的分頻系數(shù)，這樣利用程序可以很輕松地得到相應的樂聲 。各 音名對應的分頻系數(shù)如圖 22 所示： 音名 頻率 /Hz 分頻系數(shù) 音名 頻率 /Hz 分頻系數(shù) 中音 1 523 956 高音 1 1047 478 中音 2 578 865 高音 2 1175 425 中音 3 659 759 高音 3 1319 379 中音 4 698 716 高音 4 1397 358 中音 5 784 668 高音 5 1586 315 中音 6 880 568 高音 6 1760 284 中音 7 988 506 高音 7 1976 253 低音 5 392 1276 低音 6 440 1136 表 22 各音名對應的分頻系數(shù) 音符的持續(xù)時間須根據(jù)樂曲的速度及每個音符的節(jié)拍數(shù)來確定。因此，要控制音符的音長，就必須知道樂曲的速度和每個音符所對應的節(jié)拍數(shù)。如果將全音符的持續(xù)時間設為 1s的話，那么一拍所應該持續(xù)的時間為 秒，則只需要提供一個 4HZ 的時鐘頻率即可產(chǎn)生四分音符的時長。 至于音長的控制，在自動演奏模塊，每個樂曲的音符是按地址存放的，播放樂曲時按4HZ 的時鐘頻率依次讀取簡譜，每個音符持續(xù)時間為 秒。如果樂譜中某個音符為三拍音長，那又該如何控制呢？其實只要在 3 個連續(xù)地址存放該音符，這時 就會發(fā)三個 秒的音長，即持續(xù)了三拍的時間，通過這樣一個簡單的操作就可以控制音長了。 [3] 方法 一 ：使用加法計數(shù)器。在計數(shù)器值小于分頻系數(shù)值時，保持分頻的時鐘信號不變，當計數(shù)器加到分頻系數(shù)值時，令分頻時鐘信號發(fā)生跳變，同時將零設為此時的計數(shù)器值，這樣分頻時鐘信號就會再次發(fā)生跳變。但是這種占空比不等于 50%的信號是無法驅(qū)動實驗板上的揚聲器發(fā)聲的。 方法 二 ：使用減法計數(shù)器，計數(shù)器的數(shù)值由分頻系數(shù)值向下遞減，在減為零時跳變并重新賦值，原理與第一種類似。 方法三 ：先對時鐘脈沖進 行分頻得到 1MHZ的脈沖，然后按照輸入的分頻系數(shù)對 1MHZ的再次分頻，得到所需的音符頻率，最后在音調(diào)輸出時再進行二分頻，將脈沖展開能夠直接得到占空比為 50%的分頻信號，將脈沖展寬，使揚聲器有足夠發(fā)生功率。在思索一番后，最終確定了這一個方案，相比較與以上兩種實現(xiàn)方法，這種方法的好處在于能夠直接得到占空比為 50%的分頻信號。 模塊設計方法 6 按鍵 模塊在這個系統(tǒng)中的作用是每按下實驗板上的一個鍵，該模塊要相應的輸出一個分頻系數(shù)，用程序?qū)⒃摲诸l系數(shù)送到分頻模塊后將會產(chǎn)生一個特定頻率的信號，傳送到實驗板上的 揚聲器里，并發(fā)出不同頻率的聲音即音符。由于每輸入一個信號，就產(chǎn)生一個特定的輸出信號，且每種情況均能羅列，再加上情況總數(shù)（電子琴音調(diào)個數(shù)）不是很大，故我們使case語句來實現(xiàn)。 頂層模塊設計方法 頂層模塊的設計就是要設計一個頂層模塊將各模塊進行例化連接，再組成一個協(xié)同發(fā)揮功能的的整體。我們注意到，分頻模塊需要一個分頻系數(shù)，而鍵入模塊將會產(chǎn)生一個分頻系數(shù)，因此分頻系數(shù)在整個系統(tǒng)中將既不輸入也不輸出，在例化時，我們使用一個信號與之相連， 這樣它就能在 模塊間傳遞。 系統(tǒng)設計的主要組成 部 分 本設計采 用 VHDL 語言編程設計實現(xiàn)，音頻發(fā)生部分、鍵輸入部分和數(shù)碼顯示部分以外，其余全部在一片 FPGA 芯片上實現(xiàn)。其系統(tǒng)結(jié)構如下圖 所示 ： 圖 23 音樂電子琴的系統(tǒng)設計框圖 硬件系統(tǒng)主要 由 FPGA 模塊，顯示模塊，按鍵模塊 以及 揚聲器電路 組成 。系統(tǒng)結(jié)構精簡、可靠，而且靈活性高。 第 3 章 硬件設計 Cyclone II 芯片 簡介 在 Cyclone I 器件系列非常成功的基礎上 ， Altera 公司 的 Cyclone II 系列擴大 了 FPGA 的密度， 最多 可以 達 到 68416 個邏輯單元 ， 并且 還 提供 了 622 個可用 的 輸入 /輸出引腳和 比特的嵌入式寄存器。 Cyclone II 器件的制造基于 300mm 晶圓，采用臺積電 90nm、低 K 值電介質(zhì)工藝，這種工藝技術 采用了 低絕緣體過程 ， 確保了快速 性 、 有效性和低成本。 Cyclone II 器件 通過使硅片 的 面積最小化， 所以 可以在單芯片上支持復雜的數(shù)字系統(tǒng)，而 且 在成本上還 可以和 ASIC 進行 競爭。 Altera 最新一代低價位的 FPGA—— cyclone II FPGA 系列，和同類 90nmFPGA 器件相比，它提高了百分之六十的性能和降低了一半 的功耗。 它的 低成本和優(yōu)化特征 使 Cyclone II 系列為 各種各樣的汽車、消費、通訊、視頻處理、測試 以及 測量、和其他最終市場提供 了 理想的 解決方案 。 Cyclone II 設備系列擁有以下的特點 : 琴鍵（ 16 個） FPGA 芯片 音樂控制鍵 MUSIC 預存儲歌曲 揚聲器 發(fā)光二極管 音階顯示 7 ● 4608 到 68416 LEs 的高密度的結(jié)構； ●嵌入式乘法器； ●先進的 I/O 口支持； ●靈活的時鐘管理電路； ●設備的配置； [4] 按鍵模塊及其功能 獨立式鍵盤輸入電路的 VHDL 程序設計主要包括 ： 鍵盤去抖電路、輸入信息譯碼電路和 LED 顯示被按下 等電路 組成 ，其中重點為輸入 信息譯碼電路的設計。如圖所示獨立式鍵盤電路接口信息 為獨立的 譯碼電路，譯碼 時 只對單鍵輸入進行 ，該系統(tǒng)中用到了 16 個獨立鍵 。 如圖 31 所示是 獨立式鍵盤電路圖 ： 圖 31 獨立式鍵盤電路 圖 顯示電路模塊功能 顯示 模塊主要是由 1 塊 74LS48 譯碼 芯片 和 1 個 共陰極七段 LED 顯示器 及 1 個發(fā)光二極管 組成， 由 七段 LED 顯示測量的頻率值，發(fā)光二極管顯示高音的音符。 74LS48 是輸出高電平有效的中規(guī)模集成 BCD 七段顯示譯碼驅(qū)動器 ， 74LS48 的輸入端是四位二進制信號(8421BCD 碼 )， a、 b、 c、 d、 e、 f、 g 是七段譯碼器的輸出驅(qū)動信號 ， 高電平有效 。可直接驅(qū)動共陰極七段數(shù)碼管 ， 使能端 全部懸空 。 74LS48 簡圖 32： 圖 32 74LS48 簡圖 第 4 章 軟件設計 系統(tǒng)的流程 本設計采用 Altera 公司的 EDA 軟件系統(tǒng) EP2C8Q208C8 來完成。采用自頂向下的設計方法。圖 41 為其軟件流程圖： 8 41 系統(tǒng)的流程圖 軟件設計采用結(jié)構化程序設計方法，功能模塊各自獨立，實際上在設計中將鍵盤輸入和樂曲存儲放在了一個自動演奏模塊中，軟件設計的核心部分是數(shù)控分頻器，鍵盤輸入和樂曲儲存都是提供給它相應的分頻比。對輸入的基準時鐘進行多次分頻，最終輸出的就是想得到的音階的頻率。 設計模塊 本系統(tǒng)主要由三個功能模塊組成： 、 和 。系統(tǒng)頂層設計原理圖如圖 42 所示，該系統(tǒng)有 4 個輸入， 3 個輸出端口。 其原理圖如 42： 9 圖 42 音樂電子琴的系統(tǒng)框圖 模塊 自動演奏模塊 的作用是產(chǎn)生 8 位發(fā)聲控制輸入 index， handauto 為 0 或 1 時可以選擇自動演奏或者鍵盤輸入，如果 auto 為 0，則而由存儲在此模塊中的 2 位二進制數(shù)來作為發(fā)聲控制輸入，由此便可自動演奏樂曲。此模塊的 VHDL 語言中包括兩個進程，首先是對基準脈沖進行分頻得到 4Hz 的脈沖，作為第二個進程的時鐘信號，它的目的是控制每個音階之間的停頓時間，此處便是 1/4=，第二個進程是音樂的存儲，可根據(jù)需要編寫不同的樂曲，在這里編寫了四首歌曲 （“世上只有媽媽好”、“兩只老虎”、“小兔子乖乖”、“梁?！保?。 自動演奏模塊如圖 43 所示： 圖 43 自動演奏模塊 音階發(fā)生器模塊 音 階 發(fā)生器的作用是產(chǎn)生獲得音階的分頻預置值。當 16 位發(fā)聲控制輸入 index 中的某一位為高電平時，則對應某一音階的數(shù)值將以端口 tone 輸出，作為獲得該音階的分頻預置值，該值作為數(shù)控分頻器的輸入，來對 的脈沖進行分頻，由此得到每個音階相應的頻率，例如輸入 index=0000000