【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 比，從而生成各音符對(duì)應(yīng)頻率的對(duì)稱方波輸出。這個(gè)過程實(shí)際上進(jìn)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(jì)算可以按照下面的方法進(jìn)行。以中音 1為例，對(duì)應(yīng)的頻率值為 523Hz，它的分頻系數(shù)應(yīng)該為： 至于其他音符，可由上式求出對(duì)應(yīng)的分頻系數(shù)，這樣利用程序可以很輕松地得到相應(yīng)的樂聲 。各 音名對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)的分頻系數(shù) 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。 [3] 方法 一 ：使用加法計(jì)數(shù)器。在計(jì)數(shù)器值小于分頻系數(shù)值時(shí)，保持分頻的時(shí)鐘信號(hào)不變，當(dāng)計(jì)數(shù)器加到分頻系數(shù)值時(shí)，令分頻時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生跳變，同時(shí)將零設(shè)為此時(shí)的計(jì)數(shù)器值，這樣分頻時(shí)鐘信號(hào)就會(huì)再次發(fā)生跳變。但是這種占空比不等于 50%的信號(hào)是無法驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)板上的揚(yáng)聲器發(fā)聲的。 方法 二 ：使用減法計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器的數(shù)值由分頻系數(shù)值向下遞減，在減為零時(shí)跳變并重新賦值，原理與第一種類似。 方法三 ：先對(duì)時(shí)鐘脈沖進(jìn) 行分頻得到 1MHZ的脈沖，然后按照輸入的分頻系數(shù)對(duì) 1MHZ的再次分頻，得到所需的音符頻率，最后在音調(diào)輸出時(shí)再進(jìn)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(hào)，將脈沖展寬，使揚(yáng)聲器有足夠發(fā)生功率。在思索一番后，最終確定了這一個(gè)方案，相比較與以上兩種實(shí)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(hào)。 模塊設(shè)計(jì)方法 6 按鍵 模塊在這個(gè)系統(tǒng)中的作用是每按下實(shí)驗(yàn)板上的一個(gè)鍵，該模塊要相應(yīng)的輸出一個(gè)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(huì)產(chǎn)生一個(gè)特定頻率的信號(hào)，傳送到實(shí)驗(yàn)板上的 揚(yáng)聲器里，并發(fā)出不同頻率的聲音即音符。由于每輸入一個(gè)信號(hào)，就產(chǎn)生一個(gè)特定的輸出信號(hào)，且每種情況均能羅列，再加上情況總數(shù)（電子琴音調(diào)個(gè)數(shù)）不是很大，故我們使case語句來實(shí)現(xiàn)。 頂層模塊設(shè)計(jì)方法 頂層模塊的設(shè)計(jì)就是要設(shè)計(jì)一個(gè)頂層模塊將各模塊進(jìn)行例化連接，再組成一個(gè)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(gè)分頻系數(shù)，而鍵入模塊將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)分頻系數(shù)，因此分頻系數(shù)在整個(gè)系統(tǒng)中將既不輸入也不輸出，在例化時(shí)，我們使用一個(gè)信號(hào)與之相連， 這樣它就能在 模塊間傳遞。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要組成 部 分 本設(shè)計(jì)采 用 VHDL 語言編程設(shè)計(jì)實(shí)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(shí)現(xiàn)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖 所示 ： 圖 23 音樂電子琴的系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖 硬件系統(tǒng)主要 由 FPGA 模塊，顯示模塊，按鍵模塊 以及 揚(yáng)聲器電路 組成 。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)、可靠，而且靈活性高。 第 3 章 硬件設(shè)計(jì) Cyclone II 芯片 簡(jiǎn)介 在 Cyclone I 器件系列非常成功的基礎(chǔ)上 ， Altera 公司 的 Cyclone II 系列擴(kuò)大 了 FPGA 的密度， 最多 可以 達(dá) 到 68416 個(gè)邏輯單元 ， 并且 還 提供 了 622 個(gè)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(tái)積電 90nm、低 K 值電介質(zhì)工藝，這種工藝技術(shù) 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(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)，而 且 在成本上還 可以和 ASIC 進(jìn)行 競(jìng)爭(zhēng)。 Altera 最新一代低價(jià)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(fèi)、通訊、視頻處理、測(cè)試 以及 測(cè)量、和其他最終市場(chǎng)提供 了 理想的 解決方案 。 Cyclone II 設(shè)備系列擁有以下的特點(diǎn) : 琴鍵（ 16 個(gè)） FPGA 芯片 音樂控制鍵 MUSIC 預(yù)存儲(chǔ)歌曲 揚(yáng)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(gòu)； ●嵌入式乘法器； ●先進(jìn)的 I/O 口支持； ●靈活的時(shí)鐘管理電路； ●設(shè)備的配置； [4] 按鍵模塊及其功能 獨(dú)立式鍵盤輸入電路的 VHDL 程序設(shè)計(jì)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(diǎn)為輸入 信息譯碼電路的設(shè)計(jì)。如圖所示獨(dú)立式鍵盤電路接口信息 為獨(dú)立的 譯碼電路，譯碼 時(shí) 只對(duì)單鍵輸入進(jìn)行 ，該系統(tǒng)中用到了 16 個(gè)獨(dú)立鍵 。 如圖 31 所示是 獨(dú)立式鍵盤電路圖 ： 圖 31 獨(dú)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(gè) 共陰極七段 LED 顯示器 及 1 個(gè)發(fā)光二極管 組成， 由 七段 LED 顯示測(cè)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(dòng)器 ， 74LS48 的輸入端是四位二進(jìn)制信號(hào)(8421BCD 碼 )， a、 b、 c、 d、 e、 f、 g 是七段譯碼器的輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào) ， 高電平有效 ?？芍苯域?qū)動(dòng)共陰極七段數(shù)碼管 ， 使能端 全部懸空 。 74LS48 簡(jiǎn)圖 32： 圖 32 74LS48 簡(jiǎn)圖 第 4 章 軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的流程 本設(shè)計(jì)采用 Altera 公司的 EDA 軟件系統(tǒng) EP2C8Q208C8 來完成。采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法。圖 41 為其軟件流程圖： 8 41 系統(tǒng)的流程圖 軟件設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法，功能模塊各自獨(dú)立，實(shí)際上在設(shè)計(jì)中將鍵盤輸入和樂曲存儲(chǔ)放在了一個(gè)自動(dòng)演奏模塊中，軟件設(shè)計(jì)的核心部分是數(shù)控分頻器，鍵盤輸入和樂曲儲(chǔ)存都是提供給它相應(yīng)的分頻比。對(duì)輸入的基準(zhǔn)時(shí)鐘進(jìn)行多次分頻，最終輸出的就是想得到的音階的頻率。 設(shè)計(jì)模塊 本系統(tǒng)主要由三個(gè)功能模塊組成： 、 和 。系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)原理圖如圖 42 所示，該系統(tǒng)有 4 個(gè)輸入， 3 個(gè)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(dòng)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(shí)可以選擇自動(dòng)演奏或者鍵盤輸入，如果 auto 為 0，則而由存儲(chǔ)在此模塊中的 2 位二進(jìn)制數(shù)來作為發(fā)聲控制輸入，由此便可自動(dòng)演奏樂曲。此模塊的 VHDL 語言中包括兩個(gè)進(jìn)程，首先是對(duì)基準(zhǔn)脈沖進(jìn)行分頻得到 4Hz 的脈沖，作為第二個(gè)進(jìn)程的時(shí)鐘信號(hào)，它的目的是控制每個(gè)音階之間的停頓時(shí)間，此處便是 1/4=，第二個(gè)進(jìn)程是音樂的存儲(chǔ)，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(dòng)演奏模塊如圖 43 所示： 圖 43 自動(dòng)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(yù)置值。當(dāng) 16 位發(fā)聲控制輸入 index 中的某一位為高電平時(shí)，則對(duì)應(yīng)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(yù)置值，該值作為數(shù)控分頻器的輸入，來對(duì) 的脈沖進(jìn)行分頻，由此得到每個(gè)音階相應(yīng)的頻率，例如輸入 index=0000000