基于fpga的简单音乐电路设计

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1、第9章基于FPGA的简单音乐电路设计F　要求理解运用VHDL硬件描述语言和QuartusII开发工具进行音乐电路设计的方法&　知识点●理解音乐电路总体方案设计方法●理解音乐电路各模块设计方法U　重点和难点●理解音乐电路各模块设计方法引言音乐电路广泛用于自动答录装置、手机铃声、集团电话及智能仪器仪表设备中。随着CPLD/FPGA集成度的提高，价格下降，EDA设计工具更新换代，功能日益强大，以CPLD/FPGA实现乐曲演奏电路会越来越多。本章将引导学生应用VHDL语言设计一个音乐电路。9．1工作任务的陈述与背景一、工作任务的陈述使用层次化设计

2、方法，设计并用FPGA实现一个能循环播放乐曲的音乐电路。二、工作任务的背景据有关媒体介绍，中国的第一颗人造卫星东方红一号卫星，于1965年开始研制，1970年4月24日进入太空轨道，该星重量超过了苏、美、法、日等前4个国家第一颗卫星重量的总和,在某些技术方面超过上述4个国家第一颗卫星的水平,开创了中国航天史的新纪元。　东方红一号重173公斤,设计寿命为14天,实际寿命达到20天,1970年5月14日停止发送信号。关键技术包括《东方红》乐音装置、短波天线遥测系统等4项。其中电子乐音发生器是全星的核心部分,它通过20兆赫兹短波发射系统反复向地

3、面播送“东方红”乐曲的前八小节，全中国人民乃至全世界的人民通过收音机都能听得到。完成研制东方红乐音装置任务的是中国科学院自动化所的一个小组。他们首先考虑，用什么样的方法来模拟出“东方红”乐曲。当时有三种方案提上了台面，一种是八音盒方案，它采用机械齿轮播放音乐；另一种就是把音乐录在磁带机上，但是当时中国还没有小磁带机，都是笨重的大磁带机，不可能装上卫星升空；因此第三种方案自然就是电子音乐，这也是后来被广泛接受的一种方案。 根据上级要求，只需让卫星播放《东方红》前八个小节的旋律。小组决定在四十秒内连续播放两遍这八个小节，然后发射机就切换成遥测

4、信号，用一个发射机就可以实现交替传送乐曲和遥测信号的目的。这是国内早期最知名，影响最大的一个音乐电路。在国内缺乏集成电路，没有微处理器的那个时代，东方红乐音装置全部用晶体管分立元件做成。有人粗略统计，整个乐音装置全部共用了110多个晶体三极管（绝大多数是3DG6)，大约150个二极管（都是2AP10），其他都是电阻电容。现在，音乐电路广泛用于自动答录装置、手机铃声、集团电话及智能仪器仪表设备中。作为一个电子系统的一个模块，音乐电路的实现方法有以下几种:（1）购买专用音乐电路片。特点是价格便宜，多用于玩具，无法更改乐曲,也无法编程。（2）录

5、音重放电路，如ISD系列录放电路。可通过麦克风人工录音，分段放音，成本稍高。（3）利用微处理器来实现乐曲演奏,需要占用微处理器的资源较多(要占用D/A和定时器等)，大多数情况无法采用这种方法。（4）以CPLD/FPGA实现乐曲演奏，也就是本任务要求使用的方法。用这种方法实现音乐电路，现在单独价格较高。但随着CPLD/FPGA集成度的提高，价格下降，EDA设计工具更新换代，功能日益强大，操作方便实用，以及IPcore概念日益普及与流行，使这种方案的应用领域会越来越多。它的突出优点是：第一，仅占用FPGA中很少的资源，因此增加的系统整体成本较

6、低，甚至不增加成本。这是因为某个产品选定某型号FPGA芯片，产品的其它部分只用了其中一部分资源，还有相当一部分资源闲置没用；第二，更改乐曲非常方便；第三，可作为IPcore实现设计重用。9．2完成工作任务的引导一、资讯1．明确任务作为初步的开发设计，为了简化设计，本任务设计的音乐电路可只考虑音的最重要的两个方面：“音的高低”和“音的长短”，即音高和音长，忽略音的力度和音色。要求音乐电路最少能连续循环演奏一首歌曲或一首歌曲的一部分，在此基础上可再做进一步的扩展。由于不考虑音色，考虑到充分利用FPGA的数字电路资源，可用一个可控分频电路模块产

7、生演奏音乐所需的每个音，而各个音演奏的顺序和持续的时间即音长可根据乐谱用一个控制电路模块来控制。电路输入是两路时钟信号：一路作为可控分频电路模块的输入时钟，经可控分频电路模块分频后，得到各种所需的乐音信号。一路作为控制电路模块的输入时钟，用来产生节拍。这两路时钟信号的频率根据具体的实验条件和所选歌曲可有所不同。电路的输出有：一路一线是乐音信号输出，用来驱动外接喇叭或蜂鸣器演奏音乐。一路一线用来驱动外接的一个LED，演奏高音时发光。一路四线用来驱动外接的数码管显示演奏的音符简谱符号。2．查阅资料到图书馆、互联网查找有关资料。前人发表的有关音

8、乐电路的文章主要散见在学术期刊和有关网页上。可用乐曲演奏电路、音乐发生器等关键词查找。另外，要理解这些文章所介绍的原理，还要具有音乐简谱、乐音频率的有关知识，如果缺乏，可再查找有关音乐简谱、乐