EDA应用技术 第2版 课件 01-乐曲自动演奏电路设计方案课件

项目5乐曲自动演奏电路设计方案本项目基于FPGA设计乐曲演奏电路，能够自动播放编写好的音乐，通过硬件乐曲自动演奏电路设计，说明VHDL程序描述电路的方法，介绍VHDL程序顺序执行语句的使用方法。教学目标项目5乐曲自动演奏电路设计方案技能目标知识目标素质目标(1)能采用文本输入法，用VHDL程序设计一般复杂的数字系统。(2)能将系统板的晶振频率分为不同的频率。(3)能将实际的数字系统需求转化为数字电子系统硬件语言描述。(4)能基于FPGA在线调试VHDL程序。(5)能用蜂鸣器、数码管、LED灯等元件设计数字系统的输入与输出。(1)熟悉VHDL程序顺序语句的特点。(2)掌握顺序赋值语句用法。(3)熟悉if顺序描述语句的格式与用法。(4)熟悉case顺序描述语句的格式与用法。(1)培养获取新知识、新技能、新方法的能力。(2)培养在设计制作中发现问题、解决问题能力。(3)培养理性思维和科学精神。任务描述项目5乐曲自动演奏电路设计方案在QuartusPrime20.1软件平台上，用文本输入方法设计“康定情歌”乐曲自动演奏电路，“康定情歌”简谱，如图5.1所示。音乐演奏的同时用数码管显示简谱，音的高低用LED灯指示；用ModelSim-Altera2020.1仿真软件仿真检查设计结果；选用FPGA最小系统板、LED灯、数码管、蜂鸣器等硬件资源进行硬件测试。图5.1“康定情歌”简谱设计方案项目5乐曲自动演奏电路设计方案乐曲自动演奏电路，就是按照乐曲的乐谱节拍依次输出对应时间长短的音符的频率。用VHDL程序设计乐曲自动演奏电路，即利用VHDL程序的平行执行特点，设计二路控制电路，一路准确地控制输出的频率，控制音符音的高低；另一路准确地控制音符输出的节拍，控制音符输出时间的长短。1.音符频率的产生项目5乐曲自动演奏电路设计方案从“康定情歌”简谱中可知，该乐曲采用F调演奏，F调简谱的音符与频率的关系如表5.1所示。本设计基准时钟选取5MHz。5MHz频率通过带预置数的13位2进制计数器分频，产生频率随预置数变化的脉冲信号，由于该脉冲信号非等占空比，不具有驱动蜂鸣器的能力，故对此脉冲信号再次进行2分频以推动蜂鸣器发声。项目5乐曲自动演奏电路设计方案根据设计方案可控分频器的分频系数Tone=213-5000000/2f，f值为歌曲音符的频率。根据各音符的频率及计算公式可计算出F调各音符，基准频率为5MHz时的分频系数，如表5.2所示。2.乐曲节拍的控制项目5乐曲自动演奏电路设计方案一般乐曲的节拍是1/4拍的整数倍，若将1拍的时间定为0.8秒，则1/4拍的时长为0.2秒。若是占用时间较长的节拍（1/4拍的整数倍），则只需要将该音符连续输出相应的次数即可。由此可知，计数时钟信号可作为输出音符快慢的控制信号，时钟快时输出节拍速度就快，演奏的速度也就快，时钟慢时输出节拍的速度就慢，演奏的速度自然降低。本设计采用5Hz的时钟信号(周期为0.2秒)来控制乐曲节拍。3.歌曲乐谱的设置项目5乐曲自动演奏电路设计方案歌曲乐谱中各音符所需的节拍有长有短，若某个音符需停留3个时钟节拍，只需连续3次输出相同的分频系数即可。因而，设置演奏歌曲的乐谱，就是根据歌曲乐谱的节拍存储每个音符的分频编码个数。演奏