EDA课程设计乐曲硬件演奏电路的VHDL设计.docx
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EDA课程设计乐曲硬件演奏电路的VHDL设计
EDA课程设计
题目：
乐曲硬件演奏电路的VHDL设计
一、设计题目：
乐曲硬件演奏电路的VHDL设计
二、设计目标：
1）能够播放“梁祝”乐曲。
2）能够通过LED显示音阶。
3）具有“播放/停止”功能，并在此基础上实现“按键演奏”的电子琴功能。
三、设计原理：
1.音乐基础知识
一段简单乐谱由音调和节拍组成，音调表示一个音符唱多高的频率，节拍表示一个音符唱多长的时间。
音符的节拍我们可以举例来说明。
在一张乐谱中，我们经常会看到这样的表达式，如1=C
、1=G
……等等。
以
为例加以说明，它表示乐谱中以四分音符为节拍，每一小结有三拍。
比如：
图1
其中1、2为一拍，3、4、5为一拍，6为一拍共三拍。
1、2的时长为四分音符的一半，即为八分音符长，3、4的时长为八分音符的一半，即为十六分音符长，5的时长为四分音符的一半，即为八分音符长，6的时长为四分音符长。
那么一拍到底该唱多长呢？
一般说来，如果乐曲没有特殊说明，一拍的时长大约为400—500ms。
我们以一拍的时长为400ms为例，则当以四分音符为节拍时，四分音符的时长就为400ms，八分音符的时长就为200ms，十六分音符的时长就为100ms。
2.原理图框图：
图2.框图
3.原理图说明
音乐播放原理说明
音符的频率由数控分频器模块Speakera产生。
ToneTaba模块从NoteTabs模块中输入的音符数据，将对应的分频预置数据传送给Speakera模块，并将音符数据送到LED模块显示音阶。
NoteTabs模块中包含有一个音符数据ROM，里面存有歌曲“梁祝”的全部音调，在此模块中设置了一个8位二进制计数器，作为音符数据ROM的地址发生器。
这个计数器的计数频率为4Hz，即每一个数值的停留时间为0.25秒。
例如：
“梁祝”乐曲的第一个音符为“3”，此音在逻辑中停留了4个时钟节拍，即1秒钟时间，所对应的“3”音符分频预置数为1036，在Speakera的输入端停留了1秒。
随着NoTabs中计数器按4Hz的时钟速率作加法计数时，随着地址的递增，音符数据ROM中的音符数据将从ROM中通过输出端口输入到ToneTaba模块，“梁祝”歌曲就开始连续自然地演奏起来。
键盘演奏原理说明
在模块ToneTaba中设置有八个键盘输入端口，分别对应基音“1”、“2”、“3”、“4”、“5”、“6”、“7”和高音“1”八种音调。
当其中某个按键按下时，ToneTaba模块就将对应音符的分频预置数送到数控分频模块Speakera模块产生相应音调，同送将音符送到LED显示模块显示音节。
四、设计内容
1）取音调节拍模块NoteTabs
图5：
NoteTabs实体图
模块实体由时钟输入信号clk、实现暂停与播放功能的使能输入信号en和音符输出端toneindex组成。
时钟输入端clk接入4Hz信号，即0.25秒作为“梁祝”乐曲的基本时钟节拍。
NoteTabs模块设置有个计数器，作为地址计数器，用于从模块内部的music_rom中取音符数据。
NoteTabs模块仿真图如下：
图4
2）音频预置数及演奏按键模块ToneTaba
图5：
ToneTaba实体图
该模块的实体组成端口由音符数据输入端index、音乐演奏或音乐播放选择输入端口yanzhou_en、八个按键输入端口key_1~key_8、及音阶数据输出端口code、音符分频数据输出端口tone组成。
当端口yanzhou_en置‘1’时，进行按键音乐演奏功能，即将对应按键的的音阶的分频数据送至模块Speakera产生音调；当端口为‘0’时，进行音乐播放功能，即将NoteTabs模块输入的音符数据送至模块Speakera产生音调。
ToneTaba模块仿真图如下：
图6
3）数控分频模块Speakera
图7：
Speakera模块实体图
该模块由时钟输入信号端clk、分频数据输入端tone以及音调频率输出端spks组成。
其clk端输入较高的频率（12MHz）,通过Speakera分频后由spks输出。
模块仿真图如下：
图8
4）软件流程图如下：
图9
五、仿真结果
1.原理图设计：
图10
2.仿真结果图
仿真图1：
音乐播放
图11
仿真图1说明：
音乐演奏或播放选择端yanzhou_en置‘0’，音乐播放、暂停选择键play_pause置‘0’，选择音乐播放功能，其中code端口输出的音符可送入译码器模块显示音阶。
仿真图2：
音乐暂停
图12
仿真图2说明：
音乐演奏或播放选择端yanzhou_en置‘0’，选择音乐播放功能。
当音乐播放、暂停输入端口play_pause置‘1’时，从图12与图11比较可知，其中的图12的音符6因为暂停而被延长，音乐播放被暂停，当play_pause重新置‘0’时，音乐开始继续播放。
仿真图3：
按键演奏音乐
图13
仿真图3说明：
音乐演奏或播放选择端yanzhou_en置‘1’，选择按键音乐演奏功能。
其中端口tone_1到tone_7对应‘1’至‘7’基音，端口tone_11对应高音‘1’。
通过按不同的按键，即可从端口spkout输出不同的频率，即对应不同的音调。
演奏的音阶通过端口code送入译码器即可演示音阶。
六、总结
本设计完整地实现了音乐的播放、按键演奏音乐、音乐播放与暂停功能，已基本符合课程设计的要求。
通过本次课程设计，更熟练了EDA软件的使用，学会了怎么制作LPM_ROM元器件，加深了对VHDL语言的理解，熟练了利用原理图设计电路的方法，体验到了将自己的创意付诸实践的乐趣。
七、附录
1、音调节拍模块NoteTabs（实现了音乐播放与暂停功能）
libraryieee;
useieee.std_logic_1164.all;
useieee.std_logic_unsigned.all;
entitynotetabsis
port（en,clk:
instd_logic;--添加了使能端
toneindex:
outstd_logic_vector（3downto0））;
end;
architecturebehavofnotetabsis
componentmusic_rom
port（
address:
instd_logic_vector（7downto0）;
inclock:
instd_logic;
q:
outstd_logic_vector（3downto0））;
endcomponent;
signalcounter:
std_logic_vector（7downto0）;
begin
cnt8:
process（clk,counter,en）
begin
ifen='1'thencounter<=counter;--使能音乐播放与暂停
elsifcounter=138thencounter<="00000000";
elsifclk'eventandclk='1'thencounter<=counter+1;endif;
endprocess;
u1:
music_romportmap（address=>counter,q=>toneindex,inclock=>clk）;
end;
2、音频预置数及演奏按键模块ToneTaba
libraryieee;
useieee.std_logic_1164.all;
entitytonetabais
port（index:
instd_logic_vector（3downto0）;
code:
outstd_logic_vector（3downto0）;
tone:
outstd_logic_vector（10downto0）;
yanzhou_en:
instd_logic;--音乐演奏使能键
key_1,key_2,key_3,key_4,key_5,key_6,key_7,key_8:
instd_logic）;
end;
architecturebehavoftonetabais
signalabc:
std_logic_vector（7downto0）;
signaltemp:
std_logic;
begin
abc<=key_8&key_7&key_6&key_5&key_4&key_3&key_2&key_1;
process（index,abc,yanzhou_en）
begin
temp<='0';
ifyanzhou_en='1'thentemp<='1';endif;
iftemp='1'then
caseabcis--按键对应的基音表
when"00000001"=>tone<="01100000101";code<="0001";
when"00000010"=>tone<="01110010000";code<="0010";
when"00000100"=>tone<="10000001100";code<="0011";
when"00001000"=>tone<="10010101101";code<="0101";
when"00010000"=>tone<="10100001010";code<="0110";
when"00100000"=>tone<="10101011100";code<="0111";
when"01000000"=>tone<="10110000010";code<="0001";
when"10000000"=>tone<="10111001000";code<="0100";
whenothers=>null;
endcase;
else
caseindexis
when"0000"=>tone<="11111111111";code<="0000";--2047
when"0001"=>tone<="01100000101";code<="0001";--773
when"0010"=>tone<="01110010000";code<="0010";--912
when"0011"=>tone<="10000001100";code<="0011";--1036
when"0101"=>tone<="10010101101";code<="0101";--1197
when"0110"=>tone<="10100001010";code<="0110";--1290
when"0111"=>tone<="10101011100";code<="0111";--1372
when"1000"=>tone<="10110000010";code<="0001";--1410
when"1001"=>tone<="10111001000";code<="0010";--1480
when"1010"=>tone<="11000000110";code<="0011";--1542
when"1100"=>tone<="11001010110";code<="0101";--1622
when"1101"=>tone<="11010000100";code<="0110";--1668
when"1111"=>tone<="11011000000";code<="0001";--1728
whenothers=>null;
endcase;
endif;
endprocess;
end;
3、LED音阶显示：
从ToneTaba模块的输出端code[3..0]输入到译码器模块，即可实现LED显示音阶。
LIBRARYIEEE;
USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
ENTITYYMQIS
PORT（AIN4:
INSTD_LOGIC_VECTOR（3DOWNTO0）;
DOUT7:
OUTSTD_LOGIC_VECTOR（6DOWNTO0））;
ENDENTITYYMQ;
ARCHITECTUREARTOFYMQIS
BEGIN
PROCESS（AIN4）IS
BEGIN
CASEAIN4IS
WHEN"0000"=>DOUT7<="0111111";
WHEN"0001"=>DOUT7<="0000110";
WHEN"0010"=>DOUT7<="1011011";
WHEN"0011"=>DOUT7<="1001111";
WHEN"0100"=>DOUT7<="1100110";
WHEN"0101"=>DOUT7<="1101101";
WHEN"0110"=>DOUT7<="1111101";
WHEN"0111"=>DOUT7<="0000111";
WHEN"1000"=>DOUT7<="1111111";
WHEN"1001"=>DOUT7<="1101111";
WHENOTHERS=>DOUT7<="0000000";
ENDCASE;
ENDPROCESS;
ENDARCHITECTUREART;
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