樂器演奏電路設(shè)計(jì)說明

1、 . . . 交通大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)報告班 級： 通信工程 專業(yè) 07 級 2 班 （學(xué)號）：實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱： 樂器演奏電路設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目性質(zhì)： 設(shè)計(jì)性 實(shí)驗(yàn)所屬課程： VHDL 實(shí)驗(yàn)室(中心)：指 導(dǎo) 教 師 ： 徐雯娟 實(shí)驗(yàn)完成時間： 2009 年 12 月 13 日14 / 14教師評閱意見： 簽名： 年 月 日實(shí)驗(yàn)成績：一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，了解普通揚(yáng)聲器的工作原理；2，了解QuartusII4.1中提供了宏功能元件庫mega_lpm。3，使用LPM_ROM參數(shù)化存儲模塊。二、實(shí)驗(yàn)容與要求要求能夠演奏出友誼地久天長的曲調(diào)或可另選一段較完整的曲調(diào)。（擴(kuò)展要求：能夠從數(shù)碼管上顯示出當(dāng)前

2、曲調(diào)的簡譜和頻率）SPEAKERCLKTONE SPKSU3NOTE TABSTONEINDEXCLKU1TONE TAB HIGHINDEX CODE TONEU2三、實(shí)驗(yàn)原理1，音符的頻率：可以由上圖中的U3獲得，這是一個數(shù)控分頻器。由其clk 端輸入一具有較高頻率（這里是12MHz）的信號，通過U3分頻后由SPKOUT輸出，U3對clk 輸入信號的分頻比由11位預(yù)置數(shù)Tone10.0決定。SPKOUT的輸出頻率將決定每一音符的音調(diào)，這樣，分頻計(jì)數(shù)器的預(yù)置值Tone10.0與SPKOUT 的輸出頻率，就有了對應(yīng)關(guān)系。2，音符的持續(xù)時間：須根據(jù)樂曲的速度與每個音符的節(jié)拍數(shù)來確定，圖中模塊U2

3、的功能首先是為U3提供決定所發(fā)音符的分頻預(yù)置數(shù)，而此數(shù)在U3輸入口停留的時間即為此音符的節(jié)拍值。模塊U2是樂曲簡譜碼對應(yīng)的分頻預(yù)置數(shù)查表電路，其中設(shè)置了樂曲全部音符所對應(yīng)的分頻預(yù)置數(shù)（一共8個），每一音符的停留時間由音樂節(jié)拍和音調(diào)發(fā)生器模塊U1的clk的輸入頻率決定（如為4Hz）,這8個值的輸出由對應(yīng)于U2的3位輸入值Index2.0確定。3，樂譜的存儲：在U1中設(shè)置了一個7位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器（計(jì)數(shù)最大值為65），作為音符數(shù)據(jù)ROM 的地址發(fā)生器。這個計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)頻率若選為4Hz，即每一計(jì)數(shù)值的停留時間為0.25秒，恰為當(dāng)全音符設(shè)為1秒時，四四拍的4分音符持續(xù)時間。隨著U1中的計(jì)數(shù)器按4Hz的時鐘

4、速率作加法計(jì)數(shù)時，即隨地址值遞增時，音符數(shù)據(jù)ROM 中的音符數(shù)據(jù)將從ROM過ToneIndex2.0端口輸向U2模塊，樂曲就開始連續(xù)自然地演奏起來了。音高頻率對照表（徐老師給定發(fā)的原頻率對照表中頻率偏低）1234567低音261293329349396440493中音523587659698784880988高音1047117513191397156817601975四、實(shí)驗(yàn)儀器、材料1，2MHZ和4HZ的信號源2，ACEX1K EP1K30TC1441芯片3，揚(yáng)聲器五、方案設(shè)計(jì)（設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)需要，綜合性實(shí)驗(yàn)無該項(xiàng)）1，音符的產(chǎn)生：音符的產(chǎn)生是利用數(shù)控分頻器模塊SPKEAR對輸入的時鐘信號CLK

5、400KHZ進(jìn)行分頻，預(yù)置數(shù)為TONE10.0,然后分頻得出頻率為CLK/2*(2048- TONE10.0),通過控制輸入預(yù)置數(shù)TONE10.0來達(dá)到不同的輸出頻率,以達(dá)到控制揚(yáng)聲器發(fā)出不同的聲音。例如：當(dāng)設(shè)置預(yù)置數(shù)TONE10.0為1538時，輸出SPKEAR頻率為396,為低音5。2，頻率的分頻：由于實(shí)驗(yàn)給定信號源為12MHZ，不滿足數(shù)控分頻器模塊SPKEAR對輸入時鐘信號的要求，遂其進(jìn)行30分頻（PULSE30），產(chǎn)生0.4MHZ的時鐘信號。3，預(yù)置數(shù)的產(chǎn)生：預(yù)置數(shù)TONE10.0由模塊TONE TAB產(chǎn)生。模塊TONE TAB有輸入端口INDEX2.0送入音符，模塊由CASE選擇語句

6、產(chǎn)生與INDEX2.0輸入端口送入的音符相對應(yīng)的預(yù)置數(shù)TONE10.0，也同時產(chǎn)生其音符CODE2.0送入音符顯示模塊DISPCODE，和頻譜頻率frenquence9.0送入頻率顯示模塊DISPFREN。例如：當(dāng)輸入端口INDEX2.0送入000（為低音5對應(yīng)的編碼），有CAES選擇語句產(chǎn)生TONE10.0為1538，frenquence9.0為396 以與CODE2.0為101的輸出。4，音符的存儲：音符的持續(xù)時間須根據(jù)樂曲的速度與每個音符的節(jié)拍數(shù)來確定。由存儲模塊music_rom_data控制，以四分之一節(jié)拍為1個單位在LPM_ROM中進(jìn)行存儲音符的編碼（例如本實(shí)驗(yàn)友誼地久天長中頻譜共

7、涉與了8個音符，使用3個二進(jìn)制數(shù)分別對其編碼進(jìn)行存儲；又有二分之一節(jié)拍數(shù)的音符存儲2個單元，以此類推，直到對整首歌曲的樂譜存儲結(jié)束）。存儲模塊music_rom_data的輸出為數(shù)控分頻器模塊TONETAB的輸入端INDEX2.0。音符與編碼對照表：音符5（低音）123561（高音）6（低音）編碼0000010100111001011101115，音符的輸出驅(qū)動：音符的存儲由計(jì)數(shù)器模塊LPM_COUNTE控制。計(jì)數(shù)器在時鐘CLK4HZ的控制下，沒0.25s送出一個6位數(shù)值q5.0，作為存儲模塊music_rom_data的地址輸入端口。這樣便達(dá)到每個存儲單元以同一頻率進(jìn)行有控制的輸出。6，頻譜

8、顯示模塊DISPCODE和頻率顯示模塊DISPFRENQUENCE有本組另一同學(xué)（袁亮）設(shè)計(jì)。六、實(shí)驗(yàn)過程與原始記錄1，制作存儲模塊music_rom_data.(1)定制LPM_ROM初始化數(shù)據(jù)文件建立.mif格式文件：選擇File>New>Memory Initialization File項(xiàng)，選擇數(shù)據(jù)位為256，數(shù)據(jù)寬度為8，建立.mif格式文件，將歌曲頻譜以編碼的形式，以四分之一節(jié)拍為一單位進(jìn)行存儲。(其實(shí)128位數(shù)據(jù)位已經(jīng)夠本實(shí)驗(yàn)歌曲友誼地久天長使用)形成如下圖的數(shù)據(jù)文件：(2)，定制LPM_ROM元件LPM宏功能模塊設(shè)定選擇ROM_DATA模塊數(shù)據(jù)線和地址線寬度調(diào)入RO

9、M初始化數(shù)據(jù)文件LPM_ROM設(shè)計(jì)完成生成用于例化的LPM_ROM的VHDL文件music_data_rom.vhd：LIBRARY ieee;USE ieee.std_logic_1164.all;LIBRARY lpm;USE lpm.lpm_components.all;ENTITY music_data_rom ISPORT(address: IN STD_LOGIC_VECTOR (5 DOWNTO 0);q: OUT STD_LOGIC_VECTOR (2 DOWNTO 0);END music_data_rom;ARCHITECTURE SYN OF music_data_rom

10、 ISSIGNAL sub_wire0: STD_LOGIC_VECTOR (2 DOWNTO 0);COMPONENT lpm_romGENERIC (intended_device_family: STRING;lpm_width: NATURAL;lpm_widthad: NATURAL;lpm_address_control: STRING;lpm_outdata: STRING;lpm_file: STRING;lpm_type: STRING);PORT (address: IN STD_LOGIC_VECTOR (5 DOWNTO 0);q: OUT STD_LOGIC_VECT

11、OR (2 DOWNTO 0);END COMPONENT;BEGINq <= sub_wire0(2 DOWNTO 0);lpm_rom_component : lpm_romGENERIC MAP (intended_device_family => "ACEX1K",lpm_width => 3,lpm_widthad => 6,lpm_address_control => "UNREGISTERED",lpm_outdata => "UNREGISTERED",lpm_file =>

12、"music_rom_data.mif",lpm_type => "LPM_ROM")PORT MAP (address => address,q => sub_wire0);END SYN;2，制作計(jì)數(shù)器模塊COUNTER實(shí)驗(yàn)步驟如上：生成用于例化的LPM_COUNTER的VHDL文件counter.vhd：LIBRARY ieee;USE ieee.std_logic_1164.all;LIBRARY lpm;USE lpm.all;ENTITY counter ISPORT(clk_en: IN STD_LOGIC ;clock:

13、 IN STD_LOGIC ;q: OUT STD_LOGIC_VECTOR (5 DOWNTO 0);END counter;ARCHITECTURE SYN OF counter ISSIGNAL sub_wire0: STD_LOGIC_VECTOR (5 DOWNTO 0);COMPONENT lpm_counterGENERIC (lpm_direction: STRING;lpm_port_updown: STRING;lpm_type: STRING;lpm_width: NATURAL);PORT (clk_en: IN STD_LOGIC ;clock: IN STD_LOG

14、IC ;q: OUT STD_LOGIC_VECTOR (5 DOWNTO 0);END COMPONENT;BEGINq <= sub_wire0(5 DOWNTO 0);lpm_counter_component : lpm_counterGENERIC MAP (lpm_direction => "UP",lpm_port_updown => "PORT_UNUSED",lpm_type => "LPM_COUNTER",lpm_width => 6)PORT MAP (clk_en => c

15、lk_en,clock => clock,q => sub_wire0);END SYN;3，制作數(shù)控分頻器SPKEAR模塊LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY speaker IS PORT(CLK: IN STD_LOGIC; tone:IN integer range 0 to 2048; spks:out std_logic);END speaker;ARCHITECTURE ONE OF speaker IS SIGNAL FULL: STD_LOGI

16、C; BEGIN P_REG: PROCESS(CLK) VARIABLE CNT8:integer range 0 to 2048; BEGIN IF CLK'EVENT AND CLK='1' THEN IF CNT8=2048 THEN CNT8:=tone; FULL<='1' ELSE CNT8:=CNT8+1; FULL<='0' END IF; END IF; END PROCESS P_REG; P_DIV:PROCESS(FULL) VARIABLE CNT2:STD_LOGIC; BEGIN IF FULL

17、'EVENT AND FULL='1' THEN CNT2:=NOT CNT2; IF CNT2='1' THEN spks<='1' ELSE spks<='0' END IF; END IF; END PROCESS P_DIV;END ONE;4，制作TONE TAB模塊library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity tonetab is port(index: in std_logic_vec

18、tor(2 downto 0); tone : out integer range 0 to 2048; frequence : out integer range 0 to 990; code : out std_logic_vector(2 downto 0); end entity;architecture behave_tonetab of tonetab isbegin process(index) begin case index is when "000"=> frequence<=396;code<="101"tone&

19、lt;=1538; when "001"=> frequence<=523code<="001"tone<=1666; when "010"=> frequence<=587;code<="010"tone<=1708; when "011"=> frequence<=659;code<="011"tone<=1745; when "100"=> frequence<=78

20、4;code<="101"tone<=1794; when "101"=> frequence<=1047;code<="110"tone<=1821; when "110"=> frequence<=1175;code<="001"tone<=1857; when "111"=> frequence<=440;code<="110"tone<=1595; end case

21、; end process;end behave_tonetab;5，制定PULSE30模塊LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;entity pulse30 is port(clk :in std_logic; fout:out std_logic); end;architecture behave_pulse30 of pulse30 is SIGNAL FULL: STD_LOGIC; BEGIN P1: PROCESS(CLK) VARIABLE CNT30:integer ra

22、nge 1 to 30; BEGIN IF CLK'EVENT AND CLK='1' THEN IF CNT30=30 THEN CNT30:=1; FULL<='1' ELSE CNT30:=CNT30+1; FULL<='0' END IF; END IF; END PROCESS P1; P2:PROCESS(FULL) VARIABLE CNT2:STD_LOGIC; BEGIN IF FULL'EVENT AND FULL='1' THEN CNT2:=NOT CNT2; IF CNT2=&

23、#39;1' THEN fout<='1' ELSE fout<='0' END IF; END IF; END PROCESS P2;END behave_pulse30;七、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果：當(dāng)en_clock=1時，即clock有效時，試驗(yàn)箱端揚(yáng)聲器演奏出樂曲友誼地久天長的音樂。當(dāng)en_clock=0時，停止演奏。實(shí)驗(yàn)分析：例如二分之一得音符低音5的實(shí)驗(yàn)流程運(yùn)轉(zhuǎn):首先計(jì)數(shù)器COUNTER在時鐘clk4hz的驅(qū)動之下以每個數(shù)據(jù)0.25s的頻率（即每個四分之一節(jié)拍音符持續(xù)的時間）將產(chǎn)生的數(shù)據(jù)000000和000001，并將其依次送入存

24、儲模塊music_rom_data;其對應(yīng)的存儲地址為音符低音5的編碼000，并將其作為輸出送入tonetab模塊中。在tonetab模塊中以case選擇語句，輸出音符頻率frequence=396，音符編碼code=101以與預(yù)置數(shù)tone=1538，依次送入模塊dispfrenquence，dispcode以與speaker中。然后預(yù)置數(shù)tone在模塊speaker中，將時鐘0.4MHZ進(jìn)行CLK/2*(2048- TONE10.0)分頻得到輸出speak為396；由此類推。address=000000>index=000>tone=1538>speak=396（持續(xù)時間

25、0.25s）；address=000001>index=000>tone=1538>speak=396（持續(xù)時間0.25s）；address=000010>index=001>tone=1666>speak=523（持續(xù)時間0.25s）；address=000011>index=001>tone=1666>speak=523（持續(xù)時間0.25s）；address=000100>index=001>tone=1666>speak=523（持續(xù)時間0.25s）；address=000101>index=001>to

26、ne=1666>speak=523（持續(xù)時間0.25s）；八、實(shí)驗(yàn)體會在實(shí)驗(yàn)題目拿到手里的那一刻，還不知意味著什么，只是感覺看著好難，但是也好新奇。心里面有躍躍一試的激動，但是又因?yàn)橹皬膩頉]有設(shè)計(jì)過此類的設(shè)計(jì)項(xiàng)目，也有一些膽顫。于是我專門找了一整塊的時間來研究此道設(shè)計(jì)題，待到抬頭時卻發(fā)現(xiàn)徐老師給的有關(guān)實(shí)驗(yàn)題目和原理的課件上面已經(jīng)將實(shí)驗(yàn)的步驟和方法以與思想，羅列的清晰可現(xiàn)。我想要是再真的做不出來可真是對不起自己的時間，對不起這課件上面的字跡，也浪費(fèi)了徐老師的心思！但在實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的過程中卻遇到了麻煩，（1）首先是制作存儲模塊music_rom_data，因?yàn)橹皼]有遇到過LPM宏功能模塊的使

27、用，還有上課時沒有認(rèn)真聽這方面的講課容（挺不好意思的），所以不知從何下手，從圖書館查找資料也只是對LPM宏模塊本身的理解與應(yīng)用，沒有使用步驟，也不知道應(yīng)該以怎樣德形式將頻譜存入.mif格式文件，這對于實(shí)驗(yàn)就不知要怎樣實(shí)現(xiàn)。周五的晚上于是我對自己說：你什么時候想好實(shí)驗(yàn)的存儲方法就什么時候睡覺，這樣持續(xù)到了2：30，突然恍然大悟，覺醒，于是將音符以編碼的形式將其存儲（好像我有點(diǎn)笨了，呵呵）。（2）然后在進(jìn)行模塊SPEAKER的設(shè)計(jì)時，發(fā)現(xiàn)若以設(shè)計(jì)題目給定的12MHZ進(jìn)行分頻，那預(yù)置數(shù)TONE10.0將為負(fù)數(shù)，于是計(jì)算過后，發(fā)現(xiàn)若進(jìn)行30分頻將時鐘信號調(diào)制為0.4MHZ則可以正常進(jìn)行試驗(yàn)。接下來整個實(shí)驗(yàn)一氣呵成！待到周六本組另外一同學(xué)袁亮將無誤的顯示模塊連接，呵呵，實(shí)驗(yàn)編譯成功！在這了還要感袁亮同學(xué)對我的信任！當(dāng)周日的時候，進(jìn)入了實(shí)驗(yàn)室，心里有點(diǎn)小