EDA課程設(shè)計(jì)音樂播放器

1、eda課程設(shè)計(jì)音樂播放器一、前言1、課程的目的與任務(wù) eda課程設(shè)計(jì)（注：eda即電子設(shè)計(jì)自動化，electronics design automation）是繼模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)、數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)、電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程后，電氣類、自控類和電子類等專業(yè)學(xué)生在電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)技能方面綜合性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練課程，是電子技術(shù)基礎(chǔ)的一個(gè)部分，其目的和任務(wù)是通過一周的時(shí)間，讓學(xué)生掌握eda的基本方法，熟悉一種eda軟件（maxplus2），并能利用eda軟件設(shè)計(jì)一個(gè)電子技術(shù)綜合問題，并在實(shí)驗(yàn)板上成功下載，為以后進(jìn)行工程實(shí)際問題的研究打下設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。2、課程的基本要求1、 通過課程設(shè)計(jì)使學(xué)生能熟練掌握一種eda軟件（

2、maxplus2）的使用方法，能熟練進(jìn)行設(shè)計(jì)輸入、編譯、管腳分配、下載等過程。2、 通過課程設(shè)計(jì)使學(xué)生能利用eda軟件（maxplus2）進(jìn)行至少一個(gè)電子技術(shù)綜合問題的設(shè)計(jì)（內(nèi)容可由老師指定或自由選擇），設(shè)計(jì)輸入可采用圖形輸入法或ahdl硬件描述語言輸入法。3、 通過課程設(shè)計(jì)使學(xué)生初步具有分析尋找和排除電子電路中常見故障的能力。4、 通過課程設(shè)計(jì)使學(xué)生能獨(dú)立寫出嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?、有理論根?jù)的、實(shí)事求是的、文理通順的字跡端正的課程設(shè)計(jì)報(bào)告。3、與其他課程的聯(lián)系與分工eda課程設(shè)計(jì)中應(yīng)用了模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)、數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)中的基礎(chǔ)知識和基本理論，并且利用了電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中的基本實(shí)驗(yàn)方法，在時(shí)間上的安排上應(yīng)

3、該在這些課程之后。eda課程設(shè)計(jì)的后續(xù)課程是微機(jī)原理等其它專業(yè)課程，eda課程設(shè)計(jì)中對學(xué)生綜合設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)將為這些后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下良好基礎(chǔ)。二、 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求用vhdl語言設(shè)計(jì)樂音的節(jié)拍與音符產(chǎn)生電路；用vhdl語言設(shè)計(jì)分頻系數(shù)、音符顯示數(shù)據(jù)產(chǎn)生電路；用vhdl語言設(shè)計(jì)可控分頻器電路；理解簡易音樂播放器總體設(shè)計(jì)方案。掌握基本的vhdl語言；理解音樂播放電路設(shè)計(jì)方案。掌握用vhdl語言設(shè)計(jì)節(jié)拍與音符產(chǎn)生電路；掌握用vhdl語言設(shè)計(jì)分頻系數(shù)、音符顯示數(shù)據(jù)產(chǎn)生電路；掌握用vhdl語言設(shè)計(jì)可控分頻器電路。設(shè)計(jì)結(jié)果：原理圖與原程序、電路仿真圖、能在實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)上播放悅耳動聽的音樂。三、設(shè)計(jì)原理及總體框

4、圖產(chǎn)生音樂的兩個(gè)因素是音樂頻率和音樂的持續(xù)時(shí)間，以純硬件完成演奏電路比利用微處理器（cpu）來實(shí)現(xiàn)樂曲演奏要復(fù)雜的多如果不借助于功能強(qiáng)大的eda工具和硬件描述語言，憑借傳統(tǒng)的數(shù)字邏輯技術(shù)，即使最簡單的演奏電路也難以實(shí)現(xiàn)。根據(jù)6.4.1的設(shè)計(jì)要求，樂曲硬件演奏電路系統(tǒng)主要由數(shù)控分頻器和樂曲存儲模塊組成。數(shù)控分頻器對fpga的基準(zhǔn)頻率進(jìn)行分頻，得到與各個(gè)音階對應(yīng)的頻率輸出。樂曲存儲模塊產(chǎn)生節(jié)拍控制和音階選擇信號，即在此模塊中可存放一個(gè)樂曲曲譜真值表，由一個(gè)計(jì)數(shù)器來控制此真值表的輸出，而由計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)時(shí)鐘信號作為樂曲節(jié)拍控制信號。1、音名與頻率的關(guān)系音樂的十二平均率規(guī)定：每兩個(gè)八度音（如簡譜中的中音

5、與高音）之間的頻率相差一倍在兩個(gè)八度音之間，又可分為十二個(gè)半音，每兩個(gè)半音的頻率比為4。另外，音名（簡譜中的低音）的頻率為440hz，音名b到c之間，e到f之間為半音，其余為全音，由此可以計(jì)算出簡譜中從低音1到高音1之間每個(gè)音名的頻率如表1所示.表1 簡譜中的音名與頻率的關(guān)系音名頻率/hz音名頻率/hz音名頻率/hz低音1261.63中音1532.25高音11046.50低音2293.67中音2587.33高音21174.66低音3329.63中音3659.25高音31318.51低音4349.23中音4698.46高音41396.92低音5391.99中音5783.99高音51567.98低

6、音6440中音6880高音61760低音7493.88中音7987.76高音71975.52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。若基準(zhǔn)頻率過低，則由于分頻系數(shù)過小，四舍五入取整后的誤差較大，若基準(zhǔn)頻率過高，雖然誤碼差變小，但分頻結(jié)構(gòu)將變大。實(shí)際的設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮兩方面的因素,在盡量減小頻率誤差的前提下取舍合適的基準(zhǔn)頻率。本例中選取4mhz的基準(zhǔn)頻率，若無4mhz的時(shí)鐘頻率，實(shí)際上,只要各個(gè)音名間的相對品頻率關(guān)系不變，c作1與d作1演奏出的音樂聽起來都不會“走調(diào)”。各音階頻率及相應(yīng)的分頻系數(shù)如表2所示。為了減少輸出的偶次諧波分量，最后輸出到揚(yáng)聲器的波形

7、應(yīng)為對稱方波，因此在到達(dá)揚(yáng)聲器之前，有一個(gè)二分頻的分頻器。表2中的分頻系數(shù)就是從4mhz頻率二分頻得到的2mhz頻率基礎(chǔ)上計(jì)算得出的。表2 各音階頻率對應(yīng)的分頻值音名分頻系數(shù)初始值音名分頻系數(shù)初始值音名分頻系數(shù)初始值低音17644547中音138224369高音119116280低音268101381中音234054786高音212706921低音360672124中音330345157高音315176674低音457272464中音428645327高音414326759低音551023089中音525515640高音512566935低音645453646中音622735918高音6113

8、77054低音740504141中音720256166高音710137178由于最大的分頻系數(shù)為7644，故采用13位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器已能滿足分頻要求。在表2,除給出了分頻比以外，給出了對應(yīng)于各個(gè)音階頻率時(shí)計(jì)數(shù)器不同的初始值，對于樂曲中的休止符，要將分頻系數(shù)設(shè)為0，即初始值為8191即可，此時(shí)揚(yáng)聲器將不會發(fā)聲。對于不同的分頻系數(shù)，加載不同的初始值即可。用加載初始值而不是將分頻輸出譯碼反饋，可以有效地減少本設(shè)計(jì)占用可編程邏輯器件的資源，也是同步計(jì)數(shù)器的一個(gè)常用設(shè)計(jì)技巧。2、控制音長的節(jié)拍發(fā)生器該演奏電路演奏的樂曲是“梁?！逼?，其最小的節(jié)拍為1拍。將1拍的時(shí)長定為0.25秒，則只需要再提供一個(gè)4hz

9、的時(shí)鐘頻率即可產(chǎn)生1拍的時(shí)長，演奏的時(shí)間控制通過rom查表的方式來完成。對于占用時(shí)間較長的節(jié)拍，如全音符為4拍（重復(fù)4），2/4音符為2拍（重復(fù)2），1/4音符為1拍（重復(fù)1）。3、總體框圖：(如圖1) 圖1總體框圖說明：notetabs相當(dāng)于一個(gè)計(jì)數(shù)器，通過計(jì)數(shù)自動加1讀music模塊里的值，然后通過muxa選擇模塊選擇music模塊中不同的輸出，tonetaba模塊根據(jù)muxa模塊不同的輸出選擇相應(yīng)的值，speakera模塊根據(jù)tonetaba的輸出對12mhz的時(shí)鐘信號進(jìn)行分頻，從而得到相信的頻率輸出發(fā)出聲音（音調(diào)），從而實(shí)現(xiàn)播放不同的歌曲。四、程序設(shè)計(jì)：1、notetabs模塊：lib

10、rary ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity notetabs isport(clk:in std_logic;counter1 :inout std_logic_vector(7 downto 0);end notetabs;architecture a of notetabs isbeginp1:process (clk,counter1)beginif counter1=183 then counter1 = 00000000;elsif clkevent and clk=1 th

11、en counter1 b=0001; index b=0010; index b=0011; index b=0100; index null;end case;end process;end a;創(chuàng)建符號：（如圖3） 圖33、tonetaba模塊：library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;entity tonetaba isport(index: instd_logic_vector(3 downto 0);code : out std_logic_vector(3 downto 0);high : out std_logic;tone : out

12、std_logic_vector(10 downto 0);end tonetaba;architecture a of tonetaba isbeginsearch:process (index)begincase index iswhen 0000 = tone = 11111111111;code = 0000;high tone = 01100000101;code = 0001;high tone = 01110010000;code = 0010;high tone = 10000001100;code = 0011;high tone = 10010101101;code = 0

13、101;high tone = 10100001010;code = 0110;high tone = 10101011100;code = 0111;high tone = 10110000010;code = 0001;high tone = 10111001000;code = 0010;high tone = 11000000110;code = 0011;high tone = 11001010110;code = 0101;high tone = 11010000100;code = 0110;high tone = 11011000000;code = 0001;high nul

14、l;end case;end process;end a;創(chuàng)建符號：（如圖4） 圖44、speakera模塊：library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity speakera is port( clk : in std_logic; tone : in std_logic_vector(10 downto 0);spks : out std_logic);end speakera;architecture a of speakera issignal preclk : std_log

15、ic;signal fullspks : std_logic;begindivideclk:process (clk)variable count4 : std_logic_vector(3 downto 0);beginpreclk 11 then preclk = 1; count4:=0000;elsif clkevent and clk=1 then count4:=count4+1;end if;end process ;genspks:process (preclk,tone)variable count11 : std_logic_vector(10 downto 0);begi

16、nif preclkevent and preclk=1 then if count11=16#7ff# then count11:=tone;fullspks = 1;else count11:=count11+1;fullspks = 0;end if;end if;end process;delayspks:process (fullspks)variable count2 : std_logic;beginif fullspksevent and fullspks=1 thencount2:=not count2; if count2=1 thenspks = 1;else spks

17、= 0;end if;end if;end process;end a;創(chuàng)建符號：（如圖5） 圖55、music模塊： music1:liangzhu_rom(歌曲名：梁祝) width=4;depth=256;address_radix=dec;data_radix=dec;content begin 00: 3; 01: 3; 02: 3; 03: 3; 04: 5; 05: 5; 06: 5; 07: 6; 08: 8; 09: 8; 10: 8; 11: 9; 12: 6; 13: 8; 14: 5; 15: 5; 16:12; 17:12; 18:12; 19:15; 20:13;

18、21:12; 22:10; 23:12; 24: 9; 25: 9; 26: 9; 27: 9; 28: 9; 29: 9; 30: 9; 31: 0; 32: 9; 33: 9; 34: 9; 35:10; 36: 7; 37: 7; 38: 6; 39: 6; 40: 5; 41: 5; 42: 5; 43: 6; 44: 8; 45: 8; 46: 9; 47: 9; 48: 3; 49: 3; 50: 8; 51: 8; 52: 6; 53: 5; 54: 6; 55: 8; 56: 5; 57: 5; 58: 5; 59: 5; 60: 5; 61: 5; 62: 5; 63: 5;

19、 64:10; 65:10; 66:10; 67:12; 68: 7; 69: 7; 70: 9; 71: 9; 72: 6; 73: 8; 74: 5; 75: 5; 76: 5; 77: 5; 78: 5; 79: 5; 80: 3; 81: 5; 82: 3; 83: 3; 84: 5; 85: 6; 86: 7; 87: 7; 88: 6; 89: 6; 90: 6; 91: 6; 92: 6; 93: 6; 94: 5; 95: 6; 96: 8; 97: 8; 98: 8; 99: 9;100:12;101:12;102:12;103:10;104: 9;105: 9;106:10

20、;107: 9;108: 8;109: 8;110: 6;111: 5;112: 3;113: 3;114: 3;115: 3;116: 8;117: 8;118: 8;119: 8;120: 6;121: 8;122: 6;123: 5;124: 3;125: 5;126: 6;127: 8;128: 5;129: 5;130: 5;131: 5;132: 5;133: 5;134: 5;135: 5;136: 0;137: 0;138: 0;end;創(chuàng)建符號：（如圖6） 圖6music2：shengri_rom(歌曲名：生日快樂)width=4;depth=256;address_radi

21、x=dec;data_radix=dec;content begin 00:13; 01:13; 02:13; 03:13; 04:13; 05:13; 06:13; 07:12; 08:12; 09:10; 10:10; 11:10; 12:10; 13:12; 14:12; 15:12; 16:12; 17:15; 18:15; 19:15; 20:15; 21:13; 22:13; 23:12; 24:12; 25:13; 26:13; 27:13; 28:13; 29:13; 30:13; 31:13; 32:13; 33:10; 34:10; 35:10; 36:10; 37:12;

22、 38:12; 39:13; 40:13; 41:12; 42:12; 43:12; 44:12; 45:10; 46:10; 47:10; 48:10; 49: 8; 50: 8; 51: 6; 52: 6; 53:12; 54:12; 55:10; 56:10; 57: 9; 58: 9; 59: 9; 60: 9; 61: 9; 62: 9; 63: 9; 64: 9; 65: 9; 66: 9; 67: 9; 68: 9; 69: 9; 70: 9; 71:10; 72:10; 73:12; 74:12; 75:12; 76:12; 77:12; 78:12; 79:13; 80:13

23、; 81:10; 82:10; 83:10; 84:10; 85: 9; 86: 9; 87: 9; 88: 9; 89: 8; 90: 8; 91: 8; 92: 8; 93: 8; 94: 8; 95: 8; 96: 8; 97:12; 98:12; 99:12;100:12;101:12;102:12;103:10;104:10;105: 9;106: 9;107: 8;108: 8;109: 6;110: 6;111: 8;112: 8;113: 5;114: 5;115: 5;116: 5;117: 5;118: 5;119: 5;120: 5;121: 5;122: 5;123:

24、5;124: 5;125: 0;126: 0;127: 0;end;創(chuàng)建符號：（如圖7） 圖7music3：yydcb_rom(歌曲名：隱形的翅膀)width=4;depth=256;address_radix=dec;data_radix=dec;content begin00: 10; 01: 10; 02: 12; 03:12; 04:15; 05:15; 06:15; 07:15; 08:15; 09:15; 10:15; 11:15; 12:15; 13:15; 14:15; 15:15; 16:13; 17:13; 18:12; 19:12; 20:13; 21:13; 22:15

25、; 23:15; 24:10; 25:10; 26: 9; 27: 9; 28: 8; 29: 8; 30: 8; 31: 8; 32: 8; 33: 8; 34: 8; 35:8; 36: 8; 37: 8; 38:15; 39:15; 40:15; 41:15; 42:13; 43:13; 44:12; 45:12; 46:10; 47:10; 48:9; 49:9; 50: 8; 51: 9; 52: 9; 53: 9; 54: 9; 55: 9; 56: 9; 57: 9; 58: 9; 59: 9; 60: 10; 61:10; 62:12; 63:12; 64:15; 65:15;

26、 66:15; 67:15; 68:15; 69:15; 70:15; 71:15; 72:15; 73:15; 74:15; 75:15; 76:13; 77:13; 78:12; 79:12; 80:13; 81:13; 82:15; 83:15; 84:10; 85:10; 86:9; 87:9; 88: 8; 89: 8; 90: 8; 91: 8; 92: 8; 93: 8; 94: 8; 95: 8; 96: 8; 97: 8; 98:15; 99:15;100:15;101:15;102:13;103:13;104:12;105:12;106:10;107:10;108: 9;1

27、09: 9;110: 8;111: 8;112: 8;113: 8;114: 8;115: 8;116: 8;117: 8;118: 8;119: 8;120: 10;121:10;122:12;123:12;124:15;125:15;126:15;127:15;128:15;129:15;130:15;131:15;132:14;133:14;134:14;135:14;136:13;137:13;138:12;139:12;140:13;141:13;142:15;143:15;144:10;145:10;146:9;147:9;148:8;149:8;150:8;151:8;152:8

28、;153:8;154:8;155:8;156:8;157:8;158:15;159:15;160:15;161:15;162:13;163:13;164:12;165:12;166:10;167:10;168:9;169:9;170:9;171:9;172:9;173:9;174:9;175:9;176:8;177:8;178:8;179:8;180:8;181:8;182:8;183:8;end;創(chuàng)建符號：（如圖8） 圖8music4：yijianmei_rom(歌曲名:一剪梅)width=4;depth=256;address_radix=dec;data_radix=dec;conten

29、t begin 00: 6; 01: 6; 02: 6; 03: 6; 04:10; 05:10; 06:10; 07:10; 08:10; 09:10; 10: 9; 11: 8; 12: 7; 13: 7; 14: 8; 15: 8; 16: 7; 17: 7; 18: 5; 19: 5; 20: 6; 21: 6; 22: 6; 23: 6; 24: 6; 25: 6; 26: 6; 27: 6; 28: 6; 29: 6; 30: 6; 31: 6; 32: 6; 33: 9; 34: 6; 35: 6; 36: 6; 37: 7; 38: 7; 39: 7; 40: 7; 41: 7

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31、9; 85:10; 86:10; 87:10; 88:10; 89:10; 90:10; 91: 9; 92:10; 93: 6; 94: 6; 95: 6; 96: 6; 97: 6; 98: 6; 99: 6;100: 6;101: 7;102: 7;103: 7;104: 6;105: 5;106: 5;107: 7;108: 7;109: 0;110: 0;111: 5;112: 3;113: 7;114: 7;115: 8;116: 7;117: 6;118: 6;119: 6;120: 6;121: 6;122: 6;123: 6;124: 6;125: 6;126: 6;127: 6;128: 6;129: 0;130: 0;131: 0;end;創(chuàng)建符號：（如圖9） 圖9五、編譯及仿真仿真軟件使用的是max plus ii，max+plus是altera公司提供的fpga/cpld開發(fā)集成環(huán)境，altera是世界上最