【正文】 用VHDL輸入設(shè)計(jì)法或原理圖輸入設(shè)計(jì)法都可。在節(jié)拍產(chǎn)生模塊輸出的計(jì)數(shù)值變化范圍不大并且音符產(chǎn)生模塊的輸出數(shù)值不需靈活改變時(shí)，可用VHDL語句直接來描述音符產(chǎn)生模塊即可。2． 控制電路模塊設(shè)計(jì)方案的選擇控制電路模塊的核心部分——節(jié)拍產(chǎn)生模塊是一個(gè)計(jì)數(shù)器，可采用通常的方法設(shè)計(jì)。本任務(wù)可采取用較高頻率（比如12MHz）的輸入時(shí)鐘，這樣分頻比就比較大，故對于初學(xué)者，作為初步解決方案，可采用偶數(shù)分頻比近似代替奇數(shù)分頻比的方法，把整數(shù)分頻電路變成偶數(shù)（2N）分頻電路，用先做N非等占空比分頻，再做2分頻這種較簡單的方法來設(shè)計(jì)。對于偶數(shù)（2N）的等占空比分頻，可先做N非等占空比分頻，再做2分頻即可，比較簡單。（2）偶數(shù)分頻、整數(shù)分頻方案的選擇常見的分頻電路有偶數(shù)分頻、奇數(shù)分頻和整數(shù)分頻電路，本任務(wù)從原理來看，既有偶數(shù)分頻又有奇數(shù)分頻，故應(yīng)屬于整數(shù)分頻電路。三、決策本音樂電路設(shè)計(jì)重點(diǎn)在可控分頻模塊和控制電路模塊的設(shè)計(jì)，故只討論這兩個(gè)模塊以及頂層模塊的設(shè)計(jì)方案的選擇。分頻系數(shù)、LED數(shù)據(jù)產(chǎn)生模塊則根據(jù)音符產(chǎn)生模塊輸出的音符信息，產(chǎn)生每個(gè)時(shí)刻提供給可控分頻模塊的分頻系數(shù)、提供給外圍數(shù)碼管的用于顯示簡譜音符符號的數(shù)據(jù)和提供給外圍LED的用于顯示高低音的數(shù)據(jù)。例如一首用于演奏“梁?！睒非囊魳冯娐返目刂齐娐返挠?jì)數(shù)器的模是139。具體占據(jù)狀態(tài)的個(gè)數(shù)要根據(jù)每個(gè)音的音長來決定。由于音樂電路是連續(xù)循環(huán)演奏，故控制電路模塊的核心部分——節(jié)拍產(chǎn)生模塊應(yīng)是一個(gè)計(jì)數(shù)器，每個(gè)狀態(tài)持續(xù)的時(shí)間是需演奏的所有的音的音長的最小公因數(shù)，比如是一個(gè)十六分音符時(shí)值，具體時(shí)間長度應(yīng)根據(jù)需演奏歌曲而定。具體要控制可控分頻模塊，還得要把音符信號轉(zhuǎn)換為可控分頻模塊的分頻系數(shù)輸入信號，另外也要根據(jù)音符信號決定提供給外圍數(shù)碼管的用于顯示簡譜音符符號的數(shù)據(jù)和提供給外圍LED的用于顯示高低音的數(shù)據(jù)。另一個(gè)用來根據(jù)歌譜控制可控分頻電路模塊在不同時(shí)間發(fā)出不同的樂音，稱音符產(chǎn)生模塊。故在用數(shù)字電路來模仿時(shí)，還應(yīng)該有一個(gè)控制電路模塊，用來根據(jù)歌譜控制可控分頻電路模塊按照一定節(jié)拍來在不同時(shí)間發(fā)出不同的樂音的。故在用數(shù)字電路來模仿時(shí)，可用一個(gè)可控分頻電路來產(chǎn)生不同頻率時(shí)鐘信號來用來驅(qū)動(dòng)外接喇叭或蜂鳴器演奏音樂。故可用人歌唱作為原型來分析設(shè)計(jì)本任務(wù)的總體方案。本章第三節(jié)，提供了一些與本任務(wù)有關(guān)的資料，請認(rèn)真閱讀。可用樂曲演奏電路、音樂發(fā)生器等關(guān)鍵詞查找。2．查閱資料到圖書館、互聯(lián)網(wǎng)查找有關(guān)資料。一路一線用來驅(qū)動(dòng)外接的一個(gè)LED，演奏高音時(shí)發(fā)光。 這兩路時(shí)鐘信號的頻率根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)條件和所選歌曲可有所不同。電路輸入是兩路時(shí)鐘信號：一路作為可控分頻電路模塊的輸入時(shí)鐘，經(jīng)可控分頻電路模塊分頻后，得到各種所需的樂音信號。要求音樂電路最少能連續(xù)循環(huán)演奏一首歌曲或一首歌曲的一部分，在此基礎(chǔ)上可再做進(jìn)一步的擴(kuò)展。 這是因?yàn)槟硞€(gè)產(chǎn)品選定某型號FPGA 芯片，產(chǎn)品的其它部分只用了其中一部分資源，還有相當(dāng)一部分資源閑置沒用；第二，更改樂曲非常方便；第三，可作為IP core 實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)重用。但隨著CPLD/FPGA 集成度的提高，價(jià)格下降， EDA 設(shè)計(jì)工具更新?lián)Q代，功能日益強(qiáng)大，操作方便實(shí)用 ，以及IP core 概念日益普及與流行，使這種方案的應(yīng)用領(lǐng)域會越來越多。 （4）以CPLD/FPGA實(shí)現(xiàn)樂曲演奏，也就是本任務(wù)要求使用的方法。 可通過麥克風(fēng)人工錄音，分段放音，成本稍高。特點(diǎn)是價(jià)格便宜，多用于玩具， 無法更改樂曲,也無法編程。 現(xiàn)在，音樂電路廣泛用于自動(dòng)答錄裝置、手機(jī)鈴聲、集團(tuán)電話及智能儀器儀表設(shè)備中。在國內(nèi)缺乏集成電路，沒有微處理器的那個(gè)時(shí)代，東方紅樂音裝置全部用晶體管分立元件做成。小組決定在四十秒內(nèi)連續(xù)播放兩遍這八個(gè)小節(jié)，然后發(fā)射機(jī)就切換成遙測信號，用一個(gè)發(fā)射機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)交替?zhèn)魉蜆非瓦b測信號的目的。他們首先考慮，用什么樣的方法來模擬出“東方紅”樂曲。其中電子樂音發(fā)生器是全星的核心部分,它通過20兆赫茲短波發(fā)射系統(tǒng)反復(fù)向地面播送“東方紅”樂曲的前八小節(jié)，全中國人民乃至全世界的人民通過收音機(jī)都能聽得到。　 東方紅一號重173公斤,設(shè)計(jì)壽命為14天,實(shí)際壽命達(dá)到20天,1970年5月14日停止發(fā)送信號。 基于FPGA的簡單音樂電路設(shè)計(jì)方案工作任務(wù)的陳述與背景一、工作任務(wù)的陳述使用層次化設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)并用FPGA實(shí)現(xiàn)一個(gè)能循環(huán)播放樂曲的音樂電路。二、工作任務(wù)的背景據(jù)有關(guān)媒體介紹，中國的第一顆人造衛(wèi)星東方紅一號衛(wèi)星，于1965年開始研制，1970年4月24日進(jìn)入太空軌道，該星重量超過了蘇、美、法、日等前4個(gè)國家第一顆衛(wèi)星重量的總和,在某些技術(shù)方面超過上述4個(gè)國家第一顆衛(wèi)星的水平,開創(chuàng)了中國航天史的新紀(jì)元。關(guān)鍵技術(shù)包括《東方紅》樂音裝置、短波天線遙測系統(tǒng)等4項(xiàng)。 完成研制東方紅樂音裝置任務(wù)的是中國科學(xué)院自動(dòng)化所的一個(gè)小組。當(dāng)時(shí)有三種方案提上了臺面，一種是八音盒方案，它采用機(jī)械齒輪播放音樂；另一種就是把音樂錄在磁帶機(jī)上，但是當(dāng)時(shí)中國還沒有小磁帶機(jī)，都是笨重的大磁帶機(jī)，不可能裝上衛(wèi)星升空；因此第三種方案自然就是電子音樂，這也是后來被廣泛接受的一種方案。根據(jù)上級要求，只需讓衛(wèi)星播放《東方紅》前八個(gè)小節(jié)的旋律。這是國內(nèi)早期最知名，影響最大的一個(gè)音樂電路。有人粗略統(tǒng)計(jì)，整個(gè)樂音裝置全部共用了110多個(gè)晶體三極管（絕大多數(shù)是3DG6)，大約150個(gè)二極管（都是2AP10），其他都是電阻電容。作為一個(gè)電子系統(tǒng)的一個(gè)模塊，音樂電路的實(shí)現(xiàn)方法有以下幾種: （1）購買專用音樂電路片。（2）錄音重放電路，如ISD 系列錄放電路。（3）利用微處理器來實(shí)現(xiàn)樂曲演奏,需要占用微處理器的資源較多(要占用D/ A 和定時(shí)器等) ，大多數(shù)情況無法采用這種方法。用這種方法實(shí)現(xiàn)音樂電路，現(xiàn)在單獨(dú)價(jià)格較高。 它的突出優(yōu)點(diǎn)是：第一，僅占用FPGA 中很少的資源，因此增加的系統(tǒng)整體成本較低，甚至不增加成本。9．2 完成工作任務(wù)的引導(dǎo)一、資訊1．明確任務(wù)作為初步的開發(fā)設(shè)計(jì)，為了簡化設(shè)計(jì)，本任務(wù)設(shè)計(jì)的音樂電路可只考慮音的最重要的兩個(gè)方面：“音的高低”和“音的長短”，即音高和音長，忽略音的力度和音色。 由于不考慮音色，考慮到充分利用FPGA的數(shù)字電路資源，可用一個(gè)可控分頻電路模塊產(chǎn)生演奏音樂所需的每個(gè)音，而各個(gè)音演奏的順序和持續(xù)的時(shí)間即音長可根據(jù)樂譜用一個(gè)控制電路模塊來控制。一路作為控制電路模塊的輸入時(shí)鐘，用來產(chǎn)生節(jié)拍。電路的輸出有：一路一線是樂音信號輸出，用來驅(qū)動(dòng)外接喇叭或蜂鳴器演奏音樂。一路四線用來驅(qū)動(dòng)外接的數(shù)碼管顯示演奏的音符簡譜符號。前人發(fā)表的有關(guān)音樂電路的文章主要散見在學(xué)術(shù)期刊和有關(guān)網(wǎng)頁上。另外，要理解這些文章所介紹的原理，還要具有音樂簡譜、樂音頻率的有關(guān)知識，如果缺乏，可再查找有關(guān)音樂簡譜、樂音頻率的知識。二、計(jì)劃 音樂電路是模仿人歌唱的電路。人通過聲帶振動(dòng)發(fā)出聲音，聲帶振動(dòng)頻率不同發(fā)出不同聲音。 人在歌唱時(shí)，是根據(jù)歌譜，用大腦控制聲帶按照一定節(jié)拍來在不同時(shí)間發(fā)出不同的樂音的。而控制電路模塊應(yīng)該分為兩個(gè)小模塊，一個(gè)用來產(chǎn)生節(jié)拍，稱節(jié)拍產(chǎn)生模塊。 控制電路模塊只是根據(jù)歌譜產(chǎn)生可供控制可控分頻模塊，按照一定節(jié)拍來在不同時(shí)間發(fā)出不同的樂音的音符信號。這就需要另一個(gè)模塊：分頻系數(shù)、LED數(shù)據(jù)產(chǎn)生模塊了。這樣，每個(gè)音持續(xù)的時(shí)間是每個(gè)狀態(tài)持續(xù)的時(shí)間的整數(shù)倍，故占據(jù)整數(shù)倍個(gè)狀態(tài)。 控制電路的計(jì)數(shù)器的模即狀態(tài)數(shù)，可由需演奏歌曲的各個(gè)音所占據(jù)狀態(tài)個(gè)數(shù)累加而得。節(jié)拍產(chǎn)生電路的計(jì)數(shù)器，用來產(chǎn)生節(jié)拍定時(shí)，音符產(chǎn)生模塊則將節(jié)拍產(chǎn)生電路的計(jì)數(shù)器的狀態(tài)翻譯成對應(yīng)的音符，假如需演奏的歌曲中所用到的音符在9到16個(gè)之間，則音符產(chǎn)生模塊的輸出信號應(yīng)有四位，其它情況，依此類推。 因此，音樂電路設(shè)計(jì)總體參考方案如下：Clk4HzClk12MHzLedHigh分頻系數(shù)、LED數(shù)據(jù)產(chǎn)生模 塊可控分頻模 塊節(jié)拍產(chǎn)生模 塊音符產(chǎn)生模 塊SpkOutSegCodeIndexTone圖91 音樂電路設(shè)計(jì)總體參考方案其中的兩個(gè)時(shí)鐘頻率取值，下面再做分析。1． 可控分頻模塊設(shè)計(jì)方案的選擇 （1）等占空比和非等占空比方案選擇可控分頻電路按輸出時(shí)鐘的占空比來分，有等占空比和非等占空比兩類方案，為了得到足夠功率驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，采用等占空比輸出的可控分頻電路方案。非等占空比的偶數(shù)分頻、奇數(shù)分頻電路有統(tǒng)一的設(shè)計(jì)方法并且比較簡單，但等占空比的偶數(shù)分頻、奇數(shù)分頻電路設(shè)計(jì)方法則不相同。對于等占空比的奇數(shù)分頻電路則不能采用這種方法，比較復(fù)雜。作為提高，可采用比較復(fù)雜的真正的整數(shù)分頻電路設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)。音符產(chǎn)生模塊的輸入信號是節(jié)拍產(chǎn)生模塊輸出的計(jì)數(shù)值，輸出信號是表示音符的音符序號。在節(jié)拍產(chǎn)生模塊輸出的計(jì)數(shù)值變化范圍較大或音符產(chǎn)生模塊的輸出數(shù)值需靈活改變時(shí)，可使用LPM_ROM來存儲對應(yīng)于不同計(jì)數(shù)值的音符序號。四、實(shí)施下面用用于演奏“梁?！睒非囊魳冯娐窞槔瑢σ魳冯娐犯髂K的實(shí)施進(jìn)行進(jìn)一步的分析。 1．節(jié)拍產(chǎn)生模塊設(shè)計(jì)分析根據(jù)以上分析，此模塊為一計(jì)數(shù)器，現(xiàn)在需進(jìn)一步?jīng)Q定計(jì)數(shù)器的模及其輸入時(shí)鐘頻率。 樂曲“梁?！钡暮喿V沒有明確標(biāo)出演奏速度，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定一分鐘演奏60拍，因此一拍持續(xù)時(shí)間即四分音符的時(shí)值為一秒。2．音符產(chǎn)生模塊設(shè)計(jì)分析音符產(chǎn)生模塊的功能是將節(jié)拍產(chǎn)生電路的計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值按照樂曲“梁?！钡暮喿V翻譯成對應(yīng)的音符，若用Counter表示計(jì)數(shù)器的狀態(tài)，Index表示音符符號，可把樂曲“梁祝”的簡譜出現(xiàn)的音規(guī)定如下：表91 音符與Index、LED數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系低音中音高音音名123456712345671Index123456789101112131415那么，根據(jù)樂曲“梁?！钡暮喿V可得其真值表如下：表92音符產(chǎn)生模塊真值表Counter：IndexCounter：IndexCounter：IndexCounter：IndexCounter：Index00: 3 。02: 3 。04: 5。06: 5。08: 8。10: 8 。12: 6 。14: 5。16: 12。18: 12。20:13 。22:10 。24: 9。26: 9。28: 9。30: 9 。32: 9 。34: