基于fpga的音乐播放器的设计

1引言

1.1关于EDA技术

随着科学技术的进步，电子器件和电子系统设计方法日新月异，电子设计自动化（Electronics Design Automation，EDA）技术正是适应了现代电子产品设计的要求，吸收了多学科最新成果而形成的一门新技术。现如今掌握EDA技术是电子信息类专业的学生、工程技术人员所必备的基本能力和技能。

传统电子电路的设计，首先要对系统进行分析，然后按功能对系统进行划分，接下来就要选择特定芯片，焊接成PCB电路板，最后对成品PCB电路板进行调试。这样的设计没有灵活性可言，搭成的系统需要的芯片种类多且数目大，而且对于电路图的设计和电路板的设计都需要很大的工作量，工作难度也很高。然而，随着可编程器件和EDA技术的发展，传统设计的劣势被克服，采用可编程逻辑器件基于芯片的设计方法，期间的内部逻辑和引脚可以由设计者自行决定，大大提高了设计的灵活性，提高了工作效率；同时，将系统集成在一个芯片上的设计，使系统具有体积小、功耗低、可靠性高等特点。

EDA技术的发展大致经历了三个阶段：20世纪70年代的CAD（计算机辅助设计）阶段、20世纪80年代的CAE（计算机辅助工程）阶段、20世纪90年代后的EDA（电子设计自动化）阶段。以下主要介绍第三个阶段。

EDA技术即电子设计自动化技术，它是以可编程逻辑器件(PLD)为载体，以硬件描述语言(HDL)为主要的描述方式，以EDA软件为主要的开发软件的电子设计过程。它主要采用“自顶向下”的设计方法，设计流程主要包括：设计输入、综合、仿真、适配、下载。EDA技术主要有以下特征：

(1)高层综合的理论和方法取得进展，从而将EDA设计层次由RT级提高到了系统级，并推出了相应的系统级综合优化工具，大大缩短了复杂ASIC的设计周期。

(2)采用硬件描述语言来描述10万门以上的设计，并形成了VHDL和Verilog-HDL两种标准硬件描述语言。

(3)采用平面规划技术对逻辑综合和物理版图设计联合管理，做到在逻辑设计综合早期阶段就考虑到物理设计信息的影响。

(4)可测性综合设计。

(5)为带有嵌入式IP核的ASIC设计提供软、硬件协同设计工具。

(6)建立并行设计工具框架结构的集成化设计环境，以适应当今ASIC规模大而复杂、数字与模拟电路并存、硬件与软件设计并存、产品上市速度快等特点。

总而言之，EDA技术的出现，给电子信息产业带来了革命性的变革。

1.2关于VHDL

VHDL是一种硬件描述语言，它可以对电子电路和系统的行为进行描述，基于这种描述，结合相关的软件工具，可以得到所期望的实际电路与系统。

使用VHDL语言描述的电路，可以进行综合和仿真。然而，值得注意的是，尽管所有VHDL代码都是可仿真的，但并不是所有代码都能综合。

VHDL被广泛使用的基本原因在于它是一种标准语言，是与工具和工艺无关的，从而可以方便地进行移植和重用。VHDL两个最直接的应用领域是可编程逻辑器件(PLD)和专用集成电路(ASIC)，其中可编程逻辑器件包括复杂可编程逻辑器件(CPLD)和现场可编程门阵列(FPGA)。

关于VHDL最后要说明的是：与常规的顺序执行的计算机程序不同，VHDL从根本上讲是并发执行的。在VHDL中，只有在进程(PROCESS)、函数(FUNCTION)和过程(PROCEDURE)内部的语句才是顺序执行的。

1.3EDA工具

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。比较常见的是Altera公司的QuartusⅡ开发平台和Xilinx公司的ISE开发平台。这些平台中使用的综合工具和仿真工具通常由专业的EDA厂商提供。本次设计中所使用的平台正是QuartusⅡ7.2，它是Altera公司提供的一套集成了编译、布局布线和仿真工具在内的综合开发环境。它能完成从代码输入到编译到仿真再到物理实现的全部设计流程。

1.4有关于本次课程设计

本次课程设计要求使用EDA工具，设计实现简易音乐演奏器，理解音名与频率的关系及数控分频原理，经过对整体进行模块化分析、编程、综合、仿真及最终下载，完整实现简易音乐器的播放功能。

我们知道，与利用单片机来实现乐曲演奏相比，以纯硬件完成乐曲演奏电路的逻辑要复杂得多，如果不借助于功能强大的EDA工具与硬件描述语言，仅凭传统的数字逻辑技术，即使最简单的演奏电路也难以实现。

在后面的章节中会详细介绍利用EDA技术实现简易音乐演奏器的过程。

2 设计实现

2.1准备知识

在本次设计中采用了铃声《祝你生日快乐》作为要播放的乐曲，它的旋律如下：

5 5 |

6 5 1|

7 —5 5|6 5 2|1 —5 5|5 3 1|7 6 —|0 0 4 4|3 1 2|1 —

根据声乐知识，组成乐曲的每个音符的发音频率值及其持续的时间是乐曲能连续演奏所需的两个基本要素，获取这两个要素所对应的数值以及通过纯硬件的手段来利用这些数值实现所希望乐曲的演奏效果是本实验的关键。表2-1为简谱中音名与频率的对应关系。

表2-1 简谱音名与频率的关系

频率点及音符与音谱对应定义如表2-2所示。

表2-2音符语音谱定义

2.2乐曲演奏电路的结构示意

本设计由四个模块组成，如图2-3所示。

图2-3 乐曲演奏电路的结构示意

2.3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、手动\自动选择(bmux)模块、音调编码器(ydbmq)模块及数控分频器(skfpq)模块。以下便是对各个子模块的分析。

2.3.1音调发生器模块

1.音调发生器模块的功能

在此模块中设置了一个8位二进制计数器（计数最大值为107），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，《祝你生日快乐》乐曲的第一个音符为“5”，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“1”音符分频预置数为1409在skfpq的输入端停留了1s。随着ydfsq 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，《祝你生日快乐》乐曲就开始自然连续而且循环的演奏起来了。

2.音调发生器模块的VHDL源程序

library ieee;

use ieee.std_logic_1164.all;

entity ydfsq is

port(clk:in std_logic;

clkj:in std_logic_vector(1 downto 0);

rst:in std_logic;

toneindex:out integer range 0 to 14);

end ydfsq;

architecture bhv of ydfsq is

signal counter:integer range 0 to 107;

signal clker:std_logic;

signal count4:integer;