FPGA实验四

1西南科技大学实验报告课程名称：FPGA上机实验实验名称：硬件电子琴电路设计姓名：杨传坤学号:20115486班级：通信1101指导教师：侯宝林西南科技大学信息工程学院制2实验四硬件电子琴电路设计一：实验目的：习利用数控分频器设计硬件电子琴实验。二：实验原理：主系统由3个模块组成，例1是顶层设计文件，其内部有三个功能模块（如图1所示）：Speakera.v和ToneTaba.v，NoteTabs.v。模块ToneTaba是音阶发生器，当8位发声控制输入Index中某一位为高电平时，则对应某一音阶的数值将从端口Tone输出，作为获得该音阶的分频预置值；同时由Code输出对应该音阶简谱的显示数码，如‘5’，并由High输出指示音阶高8度显示。模块Speakera中的主要电路是一个数控分频器，它由一个初值可预置的加法计数器构成，当模块Speakera由端口Tone获得一个2进制数后，将以此值为计数器的预置数，对端口Clk12MHZ输入的频率进行分频，之后由Spkout向扬声器输出发声。增加一个NoteTabs模块用于产生节拍控制（Index数据存留时间）和音阶选择信号，即在NoteTabs模块放置一个乐曲曲谱真值表，由一个计数器的计数值来控制此真值表的输出，而由此计数器的计数时钟信号作为乐曲节拍控制信号，从而可以设计出一个纯硬件的乐曲自动演奏电路。三：实验步骤（流程图）：开始NoteTabs从rom中读取音符ToneTaba将音符转化为计数值Speakera分频得到音符频率Music.coe存储相应的音符3四：对模块功能的分析：1）：将50Mclk分频为12.5M电路：div_50_12M(clk_50,clk,reset）1:说明和分析：由52M转化为12.5M电路的基本方法在于：50M为12.5M的4倍，即当50M完成4个周期时，12.5M完成一个周期，所以在50M完成2个周期时12.5M的信号上升为高电平，50M完成4个周期时12.5M的信号从高电平变化为低电平。由50M两个周期开始12.5M信号翻转一次就可完成50M到12.5M的分频电路。2:div_50_12M的综合图形：2）：将50Mclk分频为4hz电路：div_50_4HZ(clk_50,clk,reset）1:说明和分析：有50M转化为4Hz的方法同上50M转化为12.5M的方法相同。只是如果直接由50M转化为4HZ的话计数的数值太大，可由50M转化为12.5M，12.5M转化为1M，再由1M转化为4Hz。2:div_50_4HZ的综合图形3）：将音符从rom里面读取出来：NoteTabs(clk_4hz,ToneIndex）41:说明和分析：此电路的功能在于以4Hz的速度将存在于ROM里面的音符按顺序读出来，赋值给ToneIndex输出。2:NoteTabs的综合图形：４）：将音符转化为相应的频率计数值：ToneTaba(Index,Code,High,Tone）1:说明和分析：此电路功能在于将读到的音符转化为相应的计数初值，输出给下一个电路分频作为分频初值，Code和High表示音阶和高低音。Index为相应的音符；Code为表示音阶；High表示高低音；Tone表示音阶频率计数值。2:ToneTaba的综合图形：5）：根据计数值将12.5M分频计数为音符频率Speakera(clk_12M,Tone,speak_clk)1:说明和分析：根据上一电路的计数初值，分频得到相应的音符频率。clk_12M为12.5M的频率；Tone为ToneTaba产生的计数值；Speak_clk为音符的频率。2:Speakera的综合图形：5６）：顶层文件：top_speaker(clk_50M,reset,code,high,speak_out）1:top_speaker综合图形：五：实验结果分析：１）：实验结果的说明：本次实验结果相对较满意，顺利生成．ｂｉｔ文件，在硬件测试的时候扬声器能够唱出悦耳的曲子。２）：但是在对NoteTabs和ToneTaba文件仿真的时候，ToneTaba能够正确的仿真，但是NoteTabs仿真时出现错误，不能完成仿真—对此错误结果，和调试得出结果：是由于NoteTabs文件里面调用了ＩＰ核文件Ｍｕｓｉｃ，仿真时无法对其编译，故产生错误。对此问题，目前尚未解决，正在探索中。３）：对ToneTaba的仿真：＜１＞：激励文件：moduletest_ToneTaba;reg[3:0]Index;wire[3:0]Code;wireHigh;wire[10:0]Tone;ToneTabauut(.Index(Index),.Code(Code),.High(High),.Tone(Tone));6initialbeginIndex=0;#100;#100Index=0;#100Index=1;#100Index=2;#100Index=3;#100Index=5;#100Index=6;#100Index=7;#100Index=8;#100Index=9;#100Index=10;#100Index=12;#100Index=13;#100Index=15;endendmodule＜２＞：仿真波形：说明：由于是在实验室调用Ｍｏｄｅｌｓｉｍ仿真的，在我自己的笔记本上没有Ｍｏｄｅｌｓｉｍ软件，故用的是ＩＳＥ自带的仿真软件。六：实验思考题解答1：电路上应该满足哪些条件，才能用数字器件直接输出的方波驱动扬声器发声？答：１）：输出的频率要在扬声器的工作频率范围；２）：输出的电流要能驱动扬声器的正常工作。2：如果演奏其他乐曲，程序应做哪些方面的改动？答：１）：将存储音符的ＲＯＭ里面得内容改变；２）：将NoteTabs里面得读取数目改变。程序附件：modulediv_50_12M(clk_50,clk,reset);inputclk_50;inputreset;7outputclk;reg[1:0]counter;regclk;always@(posedgeclk_50orposedgereset)if(reset)counter=2'b00;elsecounter=counter+1'b1;always@(posedgeclk_50orposedgereset)if(reset)clk=1'b0;elseif((counter==2'b00)||(counter==2'b10))clk=~clk;Endmodulemodulediv_50_4HZ(clk_50,clk,reset);inputclk_50;inputreset;outputclk;regclk;reg[23:0]counter;always@(posedgeclk_50orposedgereset)if(reset)counter=24'b0;elseif(counter24'h0bebc20)counter=1'b1+counter;elsecounter=24'b0;always@(posedgeclk_50orposedgereset)if(reset)clk=1'b0;elseif((counter==24'h5f5e10)||(counter==24'b0))clk=~clk;EndmodulemoduleNoteTabs(clk_4hz,ToneIndex);inputclk_4hz;output[3:0]ToneIndex;reg[7:0]counter;always@(posedgeclk_4hz)begin8if(counter=138)//一共139个音符counter=8'b00000000;elsecounter=counter+1'b1;endMusicu1(.addr(counter),.clk(clk_4hz),.dout(ToneIndex));endmodulemoduleToneTaba(Index,Code,High,Tone);input[3:0]Index;output[3:0]Code;outputHigh;output[10:0]Tone;reg[3:0]Code;regHigh;reg[10:0]Tone;always@(Index)begincase(Index)4'b0000:beginTone=11'b11111111111;Code=4'b0000;High=1'b0;end//20474'b0001:beginTone=11'b01100000101;Code=4'b0001;High=1'b0;end//7734'b0010:beginTone=11'b01110010000;Code=4'b0010;High=1'b0;end//9124'b0011:beginTone=11'b10000001100;Code=4'b0011;High=1'b0;end//10364'b0101:beginTone=11'b10010101101;Code=4'b0101;High=1'b0;end//11974'b0110:beginTone=11'b10100001010;Code=4'b0110;High=1'b0;end//12904'b0111:beginTone=11'b10101011100;Code=4'b0111;High=1'b0;end//13724'b1000:beginTone=11'b10110000010;Code=4'b0001;High=1'b1;end//14104'b1001:beginTone=11'b10111001000;Code=4'b0010;High=1'b1;end//1480;4'b1010:beginTone=11'b11000000110;Code=4'b0011;High=1'b1;end//1542;4'b1100:beginTone=11'b11001010110;Code=4'b0101;High=1'b1;end//1622;4'b1101:beginTone=11'b11010000100;Code=4'b0110;High=1'b1;end//1668;4'b1111:beginTone=11'b11011000000;Code=4'b0001;High=1'b1;end//1728;default:beginTone=11'b11111111111;Code=4'b0000;High=1'b0;end//2047endcaseendEndmodulemoduleSpeakera(clk_12M,Tone,speak_clk);9inputclk_12M;input[10:0]Tone;outputspeak_clk;regPreCLK;regFullSpks;reg[3:0]count4;reg[10:0]count11;regcount2;regspeak_clk;always@(posedgeclk_12M)beginif(count411)beginPreCLK=1'b1;count4=1;endelsebeginPreCLK=1'b0;count4=count4+1'b1;endendalways@(posedgePreCLK)beginif(count11=11'h7ff)begin//(2047-Tone)?count11=Tone;FullSpks=1'b1;endelsebegincount11=count11+1'b1;FullSpks=0;endendalways@(posedgeFullSpks)begincount2=~count2;if(count2==1'b1)speak_clk=1'b1;elsespeak_clk=1'b0;endendmodulemodu