基于FPGA的音乐硬件演奏电路

1基于FPGA的音乐硬件演奏电路设计李宁（渭南师范学院物理与电气工程学院电气工程及其自动化2010级3班）摘要：本设计是一种基于FPGA的音乐硬件演奏电路，该乐曲演奏电路是通过数控分频器电路控制FPGA芯片的某个引脚输出音符所对应频率的方波，接上扬声器就能发出各音符的音调，并且准确地控制乐曲中每个音符的持续时间，使乐曲能够完整并且连续的播放出来。在此基础上加上数码管，将音符通过数码管显示出来。该设计可用于生活的各个方面，比如手机铃声、mp3等，提高人们的生活质量。关键词：FPGA；音乐硬件演奏电路；VerilogHDL语言设计；QUARTUSII9.0；EDA技术音乐硬件演奏电路已广泛应用于我们生活的各个角落，比如mp3，手机铃声等，为我们的生活带来了乐趣，同时也说明了现在的电子产品越来越发达。因此根据国家专业教学委员会对教育机构的要求，为了培养适应我国21世纪国民经济发展需要的电子设计人才，同时基于国家教委面向21世纪电工电子课程体系改革和电工电子工科教学基地建设两项教学改革研究成果，要求高等学校学生能够自己动手完成简单数字器件的设计。这不但反应了我国当前在电子电路的实验教学体系、内容和方法上的改革思路和教学水平的提高，更重要的是在加强以传统电子设计方法为基础的工程设计训练的同时，使学生能够尽快掌握现代电子设计自动化技术的新方法、新工具和新手段，系统的、科学的培养了学生的实际动手能力、工程设计能力、创新能力，提高了学生的学习与设计兴趣。本次设计在EDA开发平台QUARTUSII9.0上利用verilogHDL语言设计数控分频器电路，采用FPGA驱动小扬声器，利用数控分频的原理设计音乐硬件演奏电路，以“送别”为例，控制输出到扬声器的激励信号的频率的高低和持续的时间，就可以使扬声器发声，同时用数码管实现音符的显示。1EDA技术介绍及其发展1.1EDA技术的介绍EDA是电子设计自动化（ElectronicDesignAutomation）缩写，是90年代初从CAD（计算机辅助设计）、CAM（计算机辅助制造）、CAT（计算机辅助测试）和CAE（计算机辅助工程）的概念发展而来的。EDA技术就是以计算机为工作平台，以EDA软件工具为开发环境，以PLD器件或者ASIC专用集成电路为目标器件设计实现电路系统的一种技术。自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合及优化、布局布线、仿真以及对于特定目标芯片的适配编译和编程下载等工作。21.2EDA技术的发展EDA技术分为三个阶段。（1）七十年代为CAD阶段，人们开始用计算机辅助进行一些模拟和预测、简单版图的绘制、PCB布局布线，取代了手工操作，产生了计算机辅助设计的概念。（2）八十年代为CAE阶段，与CAD相比，除了纯粹的图形绘制功能外，在设计方法学、设计工具集成化方面取得了长足的进步，并且通过电气连接网络表将两者相结合，实现了工程设计。CAE的主要功能是：原理图输入，逻辑仿真，电路分析，自动布局、布线，PCB后分析。（3）九十年代为EDA阶段，EDA技术已经成为电子设计的普遍工具，EDA的使用包括电子系统开发的全过程以及设计所涉及到的各个方面。21世纪后，EDA技术得到更快更好的发展，开始步入了一个新的时代。1.3EDA技术的发展趋势目前的EDA产业正处在一场大变革的前夕，正因为更低成本、更低功耗的要求和产品上市压力，使得IC供应商提供采用0.13μm或以下的千万门级的系统芯片，这就更加迫使EDA供应商提供全新的设计工具和方法。然而，这些新的需求为当代EDA工具和设计方法带来了不少新的挑战与机会。半导体工艺的每一次跃升都促使EDA工具改变自己，以适应工艺的发展；反过来EDA工具的进步又推动设计技术的发展。可以说EDA工具是IC设计产业的背后推手。系统芯片（SOC）正在迅速地进入主流产品的行列。由此引发的“芯片就等于整机”的现象，将对整个电子产业形成重大的冲击。种种迹象表明，整个电子产业正在酝酿着一场深刻的产业重组，这将为许多新兴的企业提供进入这一行业的最佳。2乐曲演奏电路简介及基本原理乐曲演奏广泛用于手机铃声、集团电话及智能仪器仪表设备中。实现方法有许多种，在众多的实现方法中，以纯硬件完成乐曲演奏且随着FPGA集成度的提高，价格下降，EDA设计工具更新换代，功能日益普及与流行，使用这种方案的应用越来越多。PFGA预装了很多已构造好的参数化库单元LPM器件，通过引入支持LPM的EDA软件工具，设计者可以设计出结构独立而且硅片的使用效率非常高的产品。硬件电路的发声原理，每个乐曲都是由一连串的音符所组成的，想要使乐曲发生，就要确定该乐曲所对应的音符，每个音符都对应相应的频率，只要控制FPGA芯片的某个引脚输出音符所对应频率的方波，接上扬声器就能发出各音符的音调。然而想要准确地演奏一首音乐，仅让扬声器发声是不够的，还必须准确3地控制乐曲中每个音符的持续时间，着两者就是乐曲能够连续演奏的两个关键因素。3方案设计与比较3.1设计内容用FPGA器件驱动蜂鸣器演奏“送别”片段，一首乐曲包含三个要素：乐曲声音的频率，发音时间的长短，停顿的时间。按照图1乐谱，设计相应电路控制speaker信号的方波频率，某一频率持续时间长短，各频率间间隔大小，就可以推动蜂鸣器演奏乐曲。图1“送别”片段乐谱3.2设计方案比较方案一:由单片机AT89S52来设计实现乐曲演奏电路。外围电源使用+5V电源供电，时钟由12MHz的晶振产生，通过按键的状态来检测乐曲演奏的状态，中央处理器由AT89S52单片机来完成，乐曲演奏状态由七段数码管来模拟。这种方案结构简单，比较易掌握，各部分电路实现起来野非常容易，在传统的乐曲演奏设计中应用也较为广泛。其原理框图如图2。图2单片机乐曲演奏原理图4方案二：基于现场可编程逻辑门阵列FPGA，通过EDA技术，采用VerilogHDL硬件描述语言实现乐曲演奏电路设计。程序设计思想为：1、用频电路产生不同频率方波；2、利用计数器实现speaker信号频率选择，某一频率持续时间长短，各频率间间隔大小。其框图如图3。图3乐曲演奏电路原理框图3.3方案论证通过方案一、二的比较，可以看出方案一的设计使用的分立元件电路较多，因此会使电路调试困难度增加，且电路的不稳定性也会随之增加；而采用FPGA芯片实现该电路，在整体性上较方案一好，在信号的处理和整个系统的控制中,方案二也能大大缩减电路的体积,提高电路的稳定性并且系统的调试周期也能大大缩短。由于它们完全不同的工作原理，一般来讲，同样的逻辑，基于FPGA设计比基于单片机设计快很多。单片机是基于指令工作的，单片机的时钟驱动着程序一步步的执行。而基于FPGA则是把相应的逻辑“暂时”固化为硬件电路，而后的不响应速度就是电信号从一个管脚到另一个管脚的传播速度，同时电信号也要在芯片内进行一些栅电容的充放电动作，但这些动作都是非常非常快的。3.4方案选择从目前的EDA技术来看，其特点是应用广泛、使用普及、软件功能强大。在ASIC和PLD器件方面，向高密度、超高速、低电压、低功耗方向发展。当今社会人们对低故障、高实时、高可靠、高稳定性能更加青睐，综合本设计的要求以及以上比较的情况，我们选择基于FPGA的乐曲演奏电路的设计方案。4特殊器件的介绍4.1CPLD器件介绍CPLD是ComplexProgrammableLogicDevice的缩写，即复杂可编程逻辑器件。它是有最早的PLD器件发展形成的高密度可编程逻辑器件，它的性能好，使用方便。CPLD是基于与或阵列结构的，多采用EEPROM或FLASH工艺制作，配置数据掉电后不会丢失。用户可根据自己的需要进行逻辑功能的构造。许多公司都开发出了CPLD可编程逻辑器件。比较典型的就是Altera、5Lattice、Xilinx世界三大权威公司的产品。如Altera公司的MAXII器件，就是其极具代表性的一类CPLD器件，是有史以来功耗最低、成本最低的CPLD。MAXIICPLD基于突破性的体系结构，在所有CPLD系列中，其单位I/O引脚的功耗和成本都是最低的。4.2FPGA器件的介绍FPGA(Field－ProgrammableGateArray)可以达到比PLD更高的集成度，它是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展起来的，具有更复杂的布线结构和逻辑实现。PLD器件和FPGA的主要区别在于PLD是通过修改具有固定内连电路得逻辑功能来进行编程，而FPGA是通过修改一根或多根分割宏单元的基本功能块的内连线的布线来进行编程。它一般由可嵌入式阵列块（EAB）、逻辑阵列块（LAB）、快速互联通道(FastTrack)、IO单元（IOE）组成。由于FPGA是基于查找表（LUT）结构的器件，且每个LAB由10个LE组成，一个LE由LUT和寄存器组成，适合于时序逻辑电路的设计。4.3CycloneEP1C12Q240C8器件EP1C12Q240C8采用基于1.5V,130nm及全层铜SRAM工艺其密度增加至20060个逻辑单元（LE）RAM增加至288KB。它不但具有锁相环、SDR、DDR和RAM所需的专用双数据率(DDR)接口，而且具有系统可编程性。其被动型的配置方式是在上电后由计算机通过编译后产生SOF文件，使用专用的下载电缆配置电路。其主动型的配置是在上电后由专门的可编程配置电路自动对EP1C12Q240C8进行配置。5功能模块设计与说明本设计由FPGA(现场可编程门阵列)作为控制芯片，通过VreilogHDL硬件描述语言设计，运用自顶而下的设计思想，按功能逐层分割实现层次化的设计。总体设计方案为（1）用分频电路产生不同频率方波；（2）利用计数器实现speaker信号频率的选择，某一频率持续时间长短，各频率间间隔大小。下面介绍主要模块的功能及作用。5.1稳压电源电路该稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定。该电路可为晶振电路以及扬声器提供+3.3V的稳定电压，驱动器件工作。其原理图如图4所示。6图4稳压电源电路5.2有源晶振电路采用有源晶振作为时钟信号源，它是一个完整的振荡器，其内部除了石英晶体外还有阻容软件和晶体管，有源晶振信号质量好，比较稳定，而且连接方式比较简单。主要是作为电源滤波，通常使用的为一个电容和电感组成的PI型滤波网络，输出端使用一个小阻值电阻过滤信号。串电阻可减小反射波，避免反射波叠加引起过冲，减少谐波以及阻抗匹配，减小回波干扰及导致的信号过冲。其原理图如图5所示。图5有源晶振电路5.3蜂鸣器电路根据蜂鸣器输入信号频率的不同决定了其发声不同的原理，来设计一个由数控分频器控制BUZZER发声的简单实验。数控分频器的预置值由乐曲的音调的7值来决定，从而间接地控制BUZZER得发声频率。其原理图如图6所示。图6蜂鸣器电路5.4七段数码显示电路七段数码管和普通发光二极管的发光原理一样，为了进行直观显示而将普通发光二极管封装在一起，能够进行16进制数字显示；有共阳极和共阴极之分，该设计采用共阴极的连接方式，在控制端输入高点平的时候发光，在输入低电平的时候就不发光。其原理电路图如图7所示。图7七段数码管显示电路86软件实现通过至顶向下（TOP--DOWN）的设计方法，我们对电路的设计要求作了分析，从电路要实现的功能着手，逐层分析电路设计的步骤，再具体到各个模块的设计实现以及各模块实现方案的选择。6.1音调的控制频率的高低决定了音调的高低。由音乐的十二平均率规定可计算出简谱中从低音1至高音1之间每个音名对应的频率如表1所示。表1简谱中音名与频率的关系所有不同频率的信号都是从同一个基准频率分频而得到的。由于音阶频率都为非整数，而分频系数又不能为小数，因此要将计算得到的分频数四舍五入取整。实际的设计应在尽量减小频率误差的前提下取合适的基准频率。该乐曲各音阶频率及相应的分频比如表6-2所示。为了减小输出的偶次谐波分量，最后输出到扬声器的波形应为对称方波。表2中的分频比就是从6MHz频率二分频得到的3MHz频率基础上计算得出来的。从表6-2可以看出，最大的分频系数为11468，故采用14位二进制计