基于VHDL的自动奏乐器设计与实现Word格式.docx
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电子系统设计自动化。
物理工具用来完成设计中的实际物理问题，如芯片布局、印制电路板布线等；
逻辑工具是基于网表、布尔逻辑、传输时序等概念，首先由原理图编辑器或硬件描述语言进行设计输入，然后利用EDA系统完成综合、仿真、优化等过程，最后生成物理工具可以接受的网表或VHDL，Verilog-HDL的结构化描述。
现在常见的EDA工具有编辑器、仿真器、检查分析工具、优化综合工具等。
本次课程设计是利用EDA设计一个简单的乐曲演奏器，可通过按键输入来控制音响声音，演奏时可以通过按键选择是手动演奏还是自动演奏，手动演奏是通过按键进行简易乐曲的演奏，自动演奏则是演奏已存入的固定乐曲。
1.1自动奏乐器概述
音乐是人们生活中必不可少的元素，音乐给人类带来了无法比拟的艺术享受。
17世纪之前，人们如果要听音乐只有2个途径：
一个是自己演奏，还有一个是找专门以演奏音乐谋生的人演奏。
无论是哪一种途径，都很麻烦。
随着工业革命到来，自动化技术开始发展，直到今天，人们走到任何一个街道上都可以听到各种各样的音乐，这些音乐都是通过机器自动播放的，这种机器就是自动奏乐器。
自动奏乐器无疑给人们的生活带来了很多欢笑和快乐。
所以我们有必要去了解和实现一些简单的自动奏乐器。
1.2本设计任务和主要内容
1．基本要求
自动演奏已存入的固定乐曲。
2．主要性能指标
①播放速度：
每个节拍长定为0.25s。
②音阶种类:
一共有16中音阶，包含最基本8的音谱。
③音阶精度：
利用音乐的十二平均率计算得到各音阶。
3．扩展功能
演奏时可以通过按键选择是手动演奏还是自动演奏，手动演奏是通过按键进行简易乐曲的演奏。
2VHDL简介
2.1VHDL的简介
VHDL是一种用于电路设计的高级语言。
它在80年代的后期出现。
最初是由美国国防部开发出来供美军用来提高设计的可靠性和缩减开发周期的一种使用范围较小的设计语言。
VHDL的英文全写是：
VHSI（VeryHighSpeedIntegratedCircuit）HardwareDescriptionLanguage.翻译成中文就是超高速集成电路硬件描述语言。
因此它的应用主要是应用在数字电路的设计中。
目前，它在中国的应用多数是用在FPGA/CPLD/EPLD的设计中。
当然在一些实力较为雄厚的单位，它也被用来设计ASIC。
VHDL主要用于描述数字系统的结构，行为，功能和接口。
除了含有许多具有硬件特征的语句外，VHDL的语言形式和描述风格与句法是十分类似于一般的计算机高级语言。
VHDL的程序结构特点是将一项工程设计，或称设计实体（可以是一个元件，一个电路模块或一个系统）分成外部（或称可视部分,及端口）和内部（或称不可视部分），既涉及实体的内部功能和算法完成部分。
在对一个设计实体定义了外部界面后，一旦其内部开发完成后，其他的设计就可以直接调用这个实体。
这种将设计实体分成内外部分的概念是VHDL系统设计的基本点。
与其他硬件描述语言相比，VHDL具有以下特点：
（1）功能强大、设计灵活。
VHDL具有功能强大的语言结构，可以用简洁明确的源代码来描述复杂的逻辑控制。
它具有多层次的设计描述功能，层层细化，最后可直接生成电路级描述。
VHDL支持同步电路、异步电路和随机电路的设计，这是其他硬件描述语言虽不能比拟的。
VHDL还支持各种设计方法，既支持自底向上的设计，又支持自顶向下的设计；
既支持模块化设计，又支持层次化设计。
（2）支持广泛、易于修改。
由于VHDL已经成为IEEE标准所规范的硬件描述语言，目前大多数EDA工具几乎都支持VHDL，这为VHDL的进一步推广和广泛应用奠定了基础。
在硬件电路设计过程中，主要的设计文件是用VHDL编写的源代码，因为VHDL易读和结构化，所以易于修改设计。
（3）强大的系统硬件描述能力。
VHDL具有多层次的设计描述功能，既可以描述系统级电路，又可以描述门级电路。
而描述既可以采用行为描述、寄存器传输描述或结构描述，也可以采用三者混合的混合级描述。
另外，VHDL支持惯性延迟和传输延迟，还可以准确地建立硬件电路模型。
VHDL支持预定义的和自定义的数据类型，给硬件描述带来较大的自由度，使设计人员能够方便地创建高层次的系统模型。
（4）独立于器件的设计、与工艺无关。
设计人员用VHDL进行设计时，不需要首先考虑选择完成设计的器件，就可以集中精力进行设计的优化。
当设计描述完成后，可以用多种不同的器件结构来实现其功能。
（5）很强的移植能力，易于共享和复用。
VHDL采用基于库（Library）的设计方法，可以建立各种可再次利用的模块。
这些模块可以预先设计或使用以前设计中的存档模块，将这些模块存放到库中，就可以在以后的设计中进行复用，可以使设计成果在设计人员之间进行交流和共享，减少硬件电路设计。
目前有多种EDA工具支持采用VHDL进行电路综合、仿真以及实现。
一些可编程器件生产商将使用VHDL进行电路设计所需的多种EDA工具集成为统一的开发平台提供给用户，进行针对本公司可编程器件产品的开发，从而使整个设计流程更加简捷和易于使用。
目前比较常见的是Altera公司的MaxPlusII和Xilinx公司的ISE开发平台。
3基于VHDL的自动奏乐器的设计过程
3.1原理描述
3.1.1音名与频率的关系
根据声乐知识，产生音乐的两个因素是音乐频率的持续时间，音乐的十二平均率规定，每两个八音度之间的频率相差一倍，在两个八音度之间，又可分为12个半音。
每两个半音的频率比为4。
另外，音名A（乐谱中的低音6）的频率为440HZ，音名B到C之间，E到F之间为半音，其余为全音。
由此可以计算出乐谱中从低音1到高音1之间每个音名的频率如图2-1-1所示：
音名
频率（Hz）
低音1
261.63
中音1
523.25
高音1
1046.50
低音2
293.67
中音2
587.33
高音2
1174.66
低音3
329.63
中音3
659.25
高音3
1381.51
低音4
349.23
中音4
698.46
高音4
1396.92
低音5
391.99
中音5
783.99
高音5
1567.98
低音6
440
中音6
880
高音6
1760
低音7
439.88
中音7
987.76
高音7
1975.52
图3-1-1简谱中的音名与频率的关系
3.1.2可变分频器
（1）基准频率的选取
各音名所对应的频率可由一频率较高的基准频率进行整数分频得到，所以实际产生各音名频率为近似的整数值。
这是由于音阶频率多为非整数，而分频系数又不能为小数，故必须将得到的分频系数四舍五入取整，若基准频率过低，则由于分频系数过小，四舍五入取整后的误差较大，若基准频率过高，虽然误码差较小，但分频结构将变大，实际的设计应综合考虑两方面的因素，在尽量减小频率差的前提下取舍合适的基准频率。
本次设计选择12MHz作为基准频率。
（2）分频系数A、公用二进制的计数容量N及初始值的选取D
1、分频系数的选取
首先将12MHz的基准频率进行12分频，得到1MHz的基准频率，分频系数A＝1MHz／音名频率，此分频系数可由计数器实现。
但若不加处理语句，其分频后的信号将不是对称方波。
而占空比很小的方波很难使扬声器有效地发出声响。
为得到对称方波，可将分频系数A分解为：
分频系数A=分频系数n×
2。
即先进行分频系数n的分频，得到不对称方波，然后再2分频得到对称方波。
2、公用二进制的计数容量N的选取
n分频可由n进制计数器实现。
n进制计数器可用复位法或置位法实现，由于加载初始值d的置位法可有效地减少设计所占用的可编程逻辑器件资源，因此，此次设计采用置位法。
低音1的分频数n为最大，其值为1275，应取公用二进制计数器的计数容量N大与“最大分频系数n”，故本次设计的公用二进制计数器应该设计为十一位二进制加法计数器，其计数最大容量为2048，计数的最大值N为2047，可满足本次设计中所有音名对音频系数的要求。
3、初始值的选取D
初始值D=计数最大值N-分频系数n
此次设计中应用的各音名对应的分频系数值及初始值如表所示：
音符
初始值
对应音谱
区别高中低音
2047
1
773
2
912
3
1036
4
1116
5
1197
6
1290
7
1372
8
1410
9
1480
10
1542
12
1622
15
1728
图3-1-2各音名对应的分频系数值及初始值
（3）《月光》的音符谱为：
3；
1；
5；
6；
2；
4；
7；
3.1.3节拍发生器原理
该演奏电路的最小节拍为1拍，将一拍的时长定为0.25s，则只需要再提供一个4Hz的时钟频率即可产生一拍的时长。
为了能达到演奏时能循环进行，则需设置一个时长计数器，当乐曲演奏完时，保证能自动从头开始演奏。
3.2乐曲演奏电路各模块设计
本次设计乐曲演奏电路结构方框图如图3-2-1所示：
图3-2-1乐曲演奏电路结构方框图
3.3乐曲演奏电路的子结构
顶层结构所包含的模块分别有音调发生器（ydfsq）模块、音调编码器（ydbmq）模块、手动\自动选择（bmux）模块及数控分频器（skfpq）模块。
3.3.1音调发生器模块
1、音调发生器模块
在此模块中设置了一个8位二进制计数器（计数最大值为64），这个计数器的计数频率选为4Hz，即每一计数值的停留时间为0.25s，恰好为当全音符设为1s时，四四拍的4分音符的持续时间。
例如，ydfsq在以下的VHDL逻辑描述中，“月光”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，即为1s时间，相应地所对应“3”音符分频预置数为1036在skfpq的输入端停留了1s。
随着notetabs中的计数器按4Hz的时钟频率做加法计数时，乐谱逐次被选取，“月光”乐曲就开始自然连续而且循环地演奏起来。
音调发生器模块VHDL源程序如下:
libraryieee;
useieee.std_logic_1164.all;
--库的声明
entityydfsqis
port（clk:
instd_logic;
toneindex:
outintegerrange0to15）;
end;
architecturebhvofydfsqis
signalcounter:
integerrange0to63;
--读取音符谱中的音符
begin
process（clk,counter）
ifcounter=63then
counter<
=0;
elsifclk’eventandclk=’1’then
=counter+1;
endif;
endprocess;
process（counter）
casecounteris--将读取的音符谱输出
when0to3|60to63=>
toneindex<
=3;
when8to11|240to23=>
=5;
when12to19=>
=6;
when24to27|36to39|48to51=>
=2;
when40to43|52to55=>
=4;
when56to59=>
=7;
when4to7|44to47=>
=1;
whenothers=>
NULL;
endcase;
2、音调发生器模块的仿真图
图3-3-1音调发生器模块的仿真波形图
通过仿真图可以清楚的看到，时钟clk由0开始计数，每计一次数输出toneindex的值随之发生一定的变化，只不过根据乐谱的不同，输出的变化也不尽相同。
例如在本次设计中，自第4个时钟上升沿来临到第7个时钟上升沿，输出toneindex“1”。
于是根据乐谱的不同就输出不同的音符，作为音调编码器的输入。
然后把输出toneindex输入到音调编码器模块，进行下一步编码工作。
于是，由仿真图可以知道本模块输出的即为演奏音乐的音符谱，说明该程序正确，可以生成逻辑器件。
3、音调发生器模块生成的逻辑器件
图3-3-2音调发生器电路模块生成器件
3.3.2音调编码器电路模块
1、音调编码器模块
该编码模块的作用为将输入的音符数据翻译为音乐产生模块的所需要的分频系数，并且显示音符的数字码型和高音阶，通过对照图2-1-2各音名对应的分频系数值及初始值，根据输入得到初始值，从而得到分频系数以便进行分频，得到所需的频率。
音调编码器模块的VHDL源程序：
entityydbmqis
port（index:
inintegerrange0to15;
code:
outintegerrange0to15;
code1:
tone:
outintegerrange0to2047）;
architecturebhvofydbmqis
process（index）
begin--为个音符赋初始值以便进行分频
caseindexis
when0=>
tone<
=2047;
code<
code1<
when1=>
=773;
when2=>
=912;
when3=>
=1036;
when4=>
=1116;
when5=>
=1197;
when6=>
=1290;
when7=>
=1372;
when8=>
=1410;
when9=>
=1480;
when10=>
=1542;
when12=>
=1622;
when15=>
=1728;
end;
2、音调编码器模块的仿真图
图3-3-3音调编码器模块的仿真波形图
在此程序中index为音乐节拍产生模块输出的音符数据，经过翻译后将tone输出到数控分频模块为其提供分频系数的初始值，code为数码管显示的字符数，应用模式5，所以直接输出音符的二进制值，code1为高音阶指示信号，当code1为１是说明输出为高音阶的音符。
通过仿真图可以清楚地看到结果。
3、音调编码器模块生成的逻辑器件
图3-3-4音调编码器模块生成的逻辑器件
3.3.3手动\自动选择模块
1、手动\自动选择模块
根据设计的要求，该简易乐曲演奏器能实现手动或自动演奏乐曲的功能。
于是，可通过一个按键cs来进行自动与手动的选择，当cs按下时，乐曲自动演奏，其他情况下均为手动演奏乐曲，即可以通过按下其他的按键（与cs相连的按键除外）来控制不同的音符。
与此同时，还需要一个复位信号rst来控制该演奏器是否工作，当rst为1时，停止演奏，为0时，可以演奏。
以上提到的手动与自动的选择只能在rst为0时有效。
手动\自动选择模块的VHDL源程序：
entitybmuxis
port（d1,d2:
cs,rst:
q:
architecturebhvofbmuxis
begin
process（cs,rst）
ifrst=’1’then--复位时输出为0
q<
else
casecsis
when‘0’=>
q<
=d1;
--选择手动输入
when‘1’=>
=d2;
--选择自动演奏
endif;
2、手动\自动选择模块的仿真图
图3-3-5手动\自动选择模块的仿真波形图
此仿真图中输入cs代表手动\自动演奏的选择端，输入rst代表整体复位端，输入d1、d2分别代表手动和自动演奏的音符，q为输出端，由此仿真图可清楚的看到当rst=1时，不论选择的是手动还是自动，输出都为零，达到了整体复位的功能；
当rst=0且cs=1时，自动演奏乐曲，因为q与d2的值相同；
当rst=0且cs=0时，手动演奏乐曲，因为这时的q与d1的值相同，从而也达到了演奏方式选择的功能。
3、手动\自动选择模块生成的逻辑器件
图3-3-6手动\自动选择模块生成的逻辑器件
3.3.4数控分频器模块
1、数控分频器模块的功能
该模块的clk端输入一个具有较高频率（本实验为12MHz）的信号，通过skfpq分频后由spkout输出。
由于直接从数控分频器中出来的输出信号是脉宽极窄的脉冲信号，为了便于驱动喇叭，需另加一个D触发器均衡其占空比，也即作二分频处理。
skfpq对clk输入信号的分频比由11位预置数tone[10..0]决定。
spkout的输出频率将决定每一音符的音调，这样分频计数器的预置数tone[10..0]与spkout的输出频率就有了对应关系。
例如在ydbmq模块中取tone[10..0]=1116，作为发音符为“3”音的信号频率。
数控分频器模块的VHDL源程序：
entityskfpqis
inintegerrange0to2047;
spks:
outstd_logic）;
architecturebhvofis
signalpreclk:
std_logic;
signalfullspks:
process（clk）
variablecount4:
integerrange0to15;
preclk<
=’0’;
ifcount4>
11then--将基准频率进行12分频
=’1’;
count4:
elsifclk’eventandclk=’1’then
count4:
=count4+1;
process（preclk,tone）
variablecount11:
integerrange0to2047;
ifpreclk’eventandpreclk=’1’then--按分频系数进行分频
ifcount11=2047then
count11:
=tone;
fullspks<
else
=count11+1;
process（fullspks）
variablecount2:
iffullspks’eventandfullspks=’1’then
count2:
=notcount2;
ifcount2=’1’then
spks<
else
2、数控分频器模块的仿真图
图3-3-7数控分频器模块的仿真图
在此仿真图中，输入clk是一个频率较大的时钟信号，输入tone代表着某个音符的分频初始值，输出
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