verilogHDL的电子琴设计

河海大学计算机与信息学院（常州）课程设计报告题目电子琴设计专业/学号电科/**********授课班号278605学生姓名马东林指导教师单鸣雷完成时间2014/01/07河海大学本科课程设计报告课程设计（报告）任务书（理工科类）Ⅰ、课程设计（报告）题目：电子琴设计Ⅱ、课程设计（论文）工作内容用FPGA器件驱动蜂鸣器演奏“茉莉花”片段。

一首乐曲包含三个要素：乐曲声音频率，发音时间的长短，停顿的时间。

按照图1乐谱，设计相应电路控制speaker信号的方波频率，某一频率持续时间长短，各频率间间隔大小，就可以推动蜂鸣器演奏乐曲。

图1 茉莉花简谱一、课程设计目标1、培养综合运用知识和独立开展实践创新的能力；2、培养学生独立编写verilog hdl 程序的能力，加深对课本知识的理解。

二、研究方法及手段应用1、将任务分成若干模块，查阅相关论文资料，分模块调试和完成任务；2、两人一组合作分工完成程序的编写和调试。

三、课程设计预期效果1、完成实验环境搭建；2、完成程序的编写和调试；3、能在实验平台上顺利演示效果用蜂鸣器播放一首音乐，并可以按键弹奏；4、锻炼学生的独立分析程序，解决问题的能力以及掌握verilog hdl 的实际应用。

学生姓名：马东林专业年级：电科/2011摘 要乐曲演奏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。

实现方法有许多种，在众多的实现方法中，以纯硬件完成乐曲演奏，随着FPGA 集成度的提高，价格下降，EDA 设计工具更新换代，功能日益普及与流行，使这种方案的应用越来越多。

FPGA 预装了很多已构造好的参数化库单元LPM 器件，通过引入支持LPM 的EDA 软件工具，设计者可以设计出结构独立而且硅片的使用效率非常高的产品。

本设计由现场可编程门矩阵（FPGA ）作为控制芯片，通过VreilogHDL 硬件描述语言设计，运用自顶而下的设计思想，按功能逐层分割实现层次化的设计。

总体设计方案为先用分频电路产生不同频率方波；再利用利用数控分频器实现speaker 输出信号频率的选择，某一频率持续时间长短，各频率间间隔大小，其中方波的频率决定了音调的高低。

【关键词】FPGA 分频 方波 乐曲演奏ABSTRACTPlaying music is widely used in automatic answering device, cell tones, PBX and intelligent instrumentation equipment. There are many the improvement of FPGA integration, lower prices, EDA design tool replacement, the increasing popularity of functional and popular, so the application of this approach increasingly more. FPGA preloaded with many already constructed parameterized library unit LPM devices supported by the introduction of LPM's EDA software tools, designers can design a structure independent and efficient use of silicon products is very high. The design of field programmable gate array (FPGA) as a control chip, description language design, the use of top-down design ideas through VreilogHDL hardware, divided by function layer by layer to achieve hierarchical design. The overall design of the first to produce a square wave with a different frequency divider circuit; recycling use NC divider to achieve speaker output signal frequency selection, Square wave The music playing第一章 系统设计第一节 课题目标及总体方案基于现场可编程逻辑门阵列FPGA ，通过EDA 技术，采用VerilogHDL 硬件描述语言实现乐曲演奏电路设计。

程序设计思想为：1、用分频电路产生不同频率方波；2、利用计数器实现speaker 信号频率选择，某一频率持续时间长短，各频率间间隔大小。

其框图如图2。

本设计由现场可编程门矩阵（FPGA ）作为控制芯片，通过VreilogHDL 硬件描述语言设计，运用自顶而下的设计思想，按功能逐层分割实现层次化的设计。

总体设计方案为（1）用分频电路产生不同频率方波；（2）利用计数器实现speaker 信号频率的选择，某一频率持续时间长短，各频率间间隔大小。

下面介绍主要模块的功能及作用。

蜂鸣器数码管图2 系统组成第二节 应用工具简介一、 EDA 技术介绍EDA 是电子设计自动化(Electronic Design Automation)的缩写,在20世纪90年代初从计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助测试(CAT)和计算机辅助工程(CAE)的概念发展而来。

EDA 技术是在电子CAD 技术基础上发展起来的计算机软件系统，是指以计算机为工作平台，融合了应用电子技术、计算机技术、信息处理及智能化技术的最新成果，进行电子产品的自动设计[1]。

EDA技术就是以计算机为工具，设计者在EDA软件平台上，用硬件描述语言HDL完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。

典型的EDA工具中必须包含两个特殊的软件包，即综合器和适配器。

综合器的功能就是将设计者在EDA平台上完成的针对某个系统项目的HDL、原理图或状态图形描述，针对给定的硬件系统组件，进行编译、优化、转换和综合，最终获得我们欲实现功能的描述文件。

综合器在工作前，必须给定所要实现的硬件结构参数，它的功能就是将软件描述与给定的硬件结构用一定的方式联系起来。

也就是说，综合器是软件描述与硬件实现的一座桥梁。

综合过程就是将电路的高级语言描述转换低级的、可与目标器件FPGA/CPLD相映射的网表文件。

在今天，EDA技术已经成为电子设计的普遍工具，无论设计芯片还是设计系统，没有EDA工具的支持，都是难以完成的。

EDA工具已经成为设计师必不可少的武器，起着越来越重要的作用。

从目前的EDA技术来看，其发展趋势是政府重视、使用普及、应用广泛、工具多样、软件功能强大。

EDA技术发展迅猛，完全可以用日新月异来描述。

EDA技术的应用广泛，现在已涉及到各行各业。

EDA水平不断提高，设计工具趋于完美的地步。

语言介绍Verilog HDL是一种硬件描述语言，用于从算法级、门级到开关级的多种抽象设计层次的数字系统建模。

被建模的数字系统对象的复杂性可以介于简单的门和完整的电子数字系统之间。

数字系统能够按层次描述，并可在相同描述中显式地进行时序建模[2]。

作为一种通用化的硬件描述语言，Verilog HDL语言具有下述描述能力：设计的行为特性、设计的数据流特性、设计的结构组成以及包含响应监控和设计验证方面的时延和波形产生机制。

所有这些都使用同一种建模语言。

此外，Verilog HDL 语言提供了编程语言接口，通过该接口可以在模拟、验证期间从设计外部访问设计，包括模拟的具体控制和运行[3]。

Verilog HDL语言不仅定义了语法，而且对每个语法结构都定义了清晰的模拟、仿真语义。

因此，用这种语言编写的模型能够使用Verilog仿真器进行验证。

语言从C编程语言中继承了多种操作符和结构。

Verilog HDL提供了扩展的建模能力，其中许多扩展最初很难理解。

但是，Verilog HDL语言的核心子集非常易于学习和使用，这对大多数建模应用来说已经足够。

当然，完整的硬件描述语句足以对从最复杂的芯片到完整的电子系统进行描述。

Verilog HDL语言已经成为一种标准的硬件描述语言。

它具有以下特点：（1）作为一种多用途的硬件描述语言，它具有很好的易学性和易用性。

（2）Verilog HDL语言允许在同一个模块中进行不同抽象层次的描述。

（3）大多数逻辑综合工具都支持Verilog HDL，使得它成为设计人员的一个很好的选择。

（4）所有的制造厂商都提供了Verilog HDL的工艺库，用以支持仿真。

（5）Verilog HDL的程序语言接口拥有强大的功能，允许用户用C语言对内部数据结构进行描述[3]。

正是以上优点，使得Verilog HDL语言广泛流行。

1、程序设计流程下面是verilog的设计流程图2 Verilog hdl的设计流程图2、基本原理乐曲演奏的原理是这样的：组成乐曲的每个音符的频率值（音调）及其持续的时间（音长）是乐曲能连续演奏所需的两个基本数据，因此只要控制输出到扬声器的激励信号频率的高低和持续的时间，就可以使扬声器发出连续的乐曲声[4]。

2.1音调的控制频率的高低决定了音调的高低。

音乐的十二平均率规定：每两个8度音（如简谱中的中音1与高音1）之间的频率相差一倍。

在两个8度音之间，又可分为12个半音，每两个半音的频率比为12√2。

另外，音名A(简谱中的低音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[4]。

由此可以计算出简谱中从低音1至高音1之间每个音名对应的频率，如表3.11所示：表1 简谱中的音名与频率的关系所有不同频率的信号都是从同一个基准频率分频得到的。

由于音阶频率多为非整数，而分频系数又不能为小数，故必须将计算得到的分频数四舍五入取整。

若基准频率过低，则由于分频比太小，四舍五入取整后的误差较大；若基准频率过高，虽然误差变小，但分频数将变大。

实际的设计综合考虑这两方面的因素，在尽量减小频率误差的前提下取合适的基准频率[4]。

本例中选取500kHz为基准频率。

若无500kHz的基准频率，则可以先分频得到500kHz，或换一个新的基准频率。

实际上，只要各个音名间的相对频率关系不变，演奏出的乐曲听起来都不会"走调"。