基于FPGA的音乐流水灯控制系统的设计
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参考文献
［１］ 赵新民．智能仪器设计基础［Ｍ］．哈尔滨：哈尔滨工业 大学出版社，１９９９．
［２］ 刘选忠，杨拴科．实用电源技术手册一模块式电源分册 ［Ｍ］．沈阳：辽宁科学技术出版社，１９９９．
［３］刘和平，严利平，张学锋．ＴＭｓ３２０ＬＦ２４０ｘ ＤｓＰ结构、
原理及应用［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版 社，２００２．
［８］杨振江．Ａ／Ｄ，Ｄ／Ａ转换器接口技术［Ｍ］．西安：西安 电子科技大学出版社，１９９６．
［９］李朝青．单片机原理及接口技术［Ｍ］．北京：北京航空 航天大学出版社，１９９８．
音乐播放就是通过外部的８ Ｈｚ时钟驱动，内部 以计数器进行计数、产生地址，送到ＲＯＭ单元中作 为存储器地址，将对应地址的数据——音阶索引值 输出。
在本设计中，每个音的发出由另一个８ Ｈｚ的时 钟信号来控制。乐谱中的４分音符由４个时钟信号来 驱动。．每个时钟下，其对应的音阶输出以索引值的形 式存储在ＲＯＭ中。文中ＲＯＭ的地址线为１０位，数
收稿日期：２０１０．０５．１０ 作者简介：陶小苗（１９８５一），女，硕士研究生。研究方向： 电路与系统。
以ＬｃＤ来显示音阶的高低长短，不懂乐理知识的人 便可以直观的看到不同音调对应的音阶。
总体设计要求如下： （１）分频主要是通过一个可控分频器实现的。采 用时钟的频率越高，分频系数越大，分频后的音阶频 率就越准确。但同时由于分频系数大使用的计数单元 增加，从而耗费更多的硬件逻辑单元，因此可以采取 一个较为适中的时钟频率１２ ＭＨｚ。 （２）经过分频后的信号是一个脉宽极窄的时钟信 号，必须对其进行脉冲宽度调整，增大占空比，才能 有效地驱动蜂鸣器。在脉冲宽度调整时会对此信号再 次二分频，所以在计算时，以乐音音阶的二倍频率去 求取在特定时钟信号下的分频系数，以便在调整占空 比后得到正确的音阶频率。 （３）乐曲的频率变化多端，对应的分频系数也不 断变化，因此需要将播放的乐曲的分频系数事先存放 在ＲＯＭ中便于读取。如果将分频系数直接作为存储 码存放在寄存器中，势必会占有更大的容量。因此在 这里选取索引值来作为存储码以减小容量。 （４）开发平台上的ＬＥＤ灯数量有限，可以选用有 规律的闪烁，例如从左到右依次点亮、渐亮、渐灭 等；也可以用灯闪烁的多少来表示频率的大小。本设 计选用第二种。 图１为音乐流水灯控制系统的总统原理框图。可
表ｌ音阶索引表
图ｌ原理框图
２模块设计
２．１ 乐曲播放控制模块 乐曲播放控制模块的主要功能是在一定的时钟信
号驱动下将事先存储在ＲＯＭ里的乐谱所对应的索引 值依次输出，控制分频，并产生相应的分频信号频 率，以此来控制蜂鸣器的发声。 ２．１．１音阶分频器的设计
为了能够在播放乐曲的同时显示当前音阶，用 ＬＥＤ的位数来指示当前音阶的高低音。程序中的音阶 分频系数通过索引值来进行选取，即在音乐播放过程 中由乐谱存储电路传递来的当前音阶的索引值。 ２．１．２音阶频率产生的设计
万方数据
按照乐谱，将音阶对应的索引值连续地存储到 ＲｏＭ中。例如，乐谱上一个４分音符的中音３，在 ＲＯＭ存储器中对应的索引值是１０，并且连续放置４ 次，而一个８分音符５也就是半拍的５，则是将对应 索引值５在ＲＯＭ中连续存放两次。播放时在播放时 钟（８ Ｈｚ）的驱动下，索引值不断地从ＲＯＭ输出。索 引值送到音阶分频模块中，转换为计数初值输出，再 送到音阶分频产生模块中，作为计数初值，产生音阶 频率输出驱动蜂鸣器。这样，就能在蜂鸣器上发出要 播放的乐曲了。确定了乐谱后，即ＲＯＭ的存储内容 后，就可以定制ＲＯＭ，将其初始化文件指定为．ｍｉｆ 文件即可。 ２．２流水灯控制模块设计
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ＦＰＧＡ；ＬＣＤ；ｈａｒｄｗａｒｅ ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ ｌａｎｇｕａｇｅ；ＤＥ２
ＦＰＧＡ是现场可编程门阵列的简称，它既有门阵 列器件的高度集成和通用性，又有可编程逻辑器件用 户可编程的灵活性¨。２ Ｊ。通过ＦＰＧＡ实现音乐流水灯 的控制，实质上就是将不同音阶与特定频率的方波信 号对应起来，以方波信号驱动蜂鸣器发出音乐，再根 据不同音阶来控制流水灯的闪烁。与借助微处理器实 现乐曲演奏相比，以纯硬件方式完成乐曲演奏电路更 直观。ＥＤＡ工具和硬件描述语言发挥了强大功能， 提供了设计可能性。
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ Ｍｕｓｉｃ Ｗａｔｅｒ Ｌａｍｐ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＦＰＧＡ
１＇ａｏ Ｘｉａｏｍｉａｏ，Ｗａｎｇ Ｚｉｔｉｎｇ （Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ肌ｄ Ｉｎ缸１１１ａｔｉｏｎ Ｅｎ百ｎｅｅ—ｎｇ，Ｌａｎｚｈｏｕ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００７０，Ｃｈｉｎａ）
鼋ａ叶技２０１０年第２３卷第ｌｌ期
ＥＪｅｃｔｍｎｉｃ Ｓｃｊ．＆Ｔ备ｃ｝Ｌ／Ｎｏｖ．１５，２０１０
基于ＦＰＧＡ的音乐流水灯控制系统的设计
陶小苗，王紫婷
（兰州交通大学电子与信息工程学院，甘肃兰州７３００７０） 摘要介绍一种基于ＦＰＧＡ的音乐流水灯控制器，采用硬件描述语言对其进行描述，分别实现乐曲的播放和同 步流水灯的闪烁。并构建一个ｓ０Ｐｃ系统，集成ＬｃＤ模块来显示实时音乐的音阶值和频率强度。最后在Ａｌｔｅｒａ公司的 ＦＰＧＡ多媒体开发平台ＤＥ２上进行实现。 关键词ＦＰＧＡ；ＬＣＤ；硬件描述语言；ＤＥ２ 中图分类号ＴＰ３３２．３ 文献标识码Ａ 文章编号１００７—７８２０（２０１０）１１—０８２—０４
万方数据
号输入，可在ＦＰＧＡ内部设计分频器，将其分频到 ８ Ｈｚ再使用，还可以在此基础上更改。另外还可以在 一个ＲＯＭ种存储多首乐曲，通过按键选择播放乐曲。
（下转第８７页）
傅莉：数控ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ流稳压电源设计
３ 结束语
如前所述，虽然方案３比前两者有许多优点，但 方案１、方案２对于完成设计要求并非不可行，而且 在某些方面还具有优势，之所以采用方案４，一个很 重要的考虑是系统使用了单片机，使得进一步的功能 扩展较为方便。
３顶层设计和验证
系统的顶层设计就是将各个底层功能模块例化， 在顶层调用，进行正确的连接，构成最后的系统。整 个系统的硬件电路如图３所示。
图３系统硬件电路
至此，一个硬件音乐流水灯电路就完成了。外部 提供两路时钟信号（１２ ＭＨｚ和８ Ｈｚ），再将乐曲输出 端连接到带有驱动装置的蜂鸣器或扬声器上，就可以 欣赏所添加的乐曲了。若硬件设计上只有一路时钟信 甜
万方数据
陶小苗，等：基于ＦＰＧＡ的音乐流水灯控制系统的设计
以看到该系统包含乐曲播放控制模块，流水灯控制模 块和ＬｃＤ显示模块３个模块。其中乐曲播放控制模 块分为乐谱播放控制模块，音阶分频模块和音阶频率 产生模块。
据线宽度为４位。ＲＯＭ里存储的数据即各音节的索 引值，根据乐谱转换的需要，１６个索引值即可满足 乐曲曲谱编写的需求，所以设置了４位数据线。地址 线的宽度主要取决于乐曲的长度。本设计中用到了约 ５２０个４ ｂｉｔ单元，为了留有一定裕度，将数据线宽度 定义为１０位，即１ ０２４个４ ｂｉｔ单元。其中不同的音 阶对应的索引值如表ｌ所示。
ＩＯＷＲ（ｂａｓｅ，２，ｄａｔａ） ＃ｄｅｆｉｎｅ ｌｃｄ ｒ．ｅａｄ ｄａｔａ（ｂａｓｅ）
ＩＯＲＤ（ｂａｓｅ，３） 这样编写是为了和具体的硬件电路相对应，在 ＬＣＤ模块的硬件描述语言中，液晶模块Ｒｗ和ＲＳ的 地址分配如下： ａｓｓｉＰ田ＬＣＤ—Ｒｗ＝ａｄｄｒｅｓｓ【０］ ａｓｓｉｇｎ ＬｃＤ—ＲＳ＝ａｄｄｒｅｓｓ［１］ 其中Ｒｓ信号是命令与数据线，高电平表示目前 数据线上交换的是数据，低电平表示目前数据线上交 换的是命令。液晶模块根据这个信号做出正确的响 应。ＲＷ是电平信号，高电平表示对液晶模块执行读 取操作，低电平表示对液晶模块写入数据或命令。这 样便可以确定各读写操作对应于基地址的偏移量。
音阶频率产生电路在获取上面的音阶索引值对应 的分频系数后，通过可控计数器进行分频。分频电路 中的计数器进行减ｌ计数，计数器的进位信号即为分 频信号。因为此信号的脉冲宽度极小，所以需要调整 占空比才使外部驱动电路提供足够的驱动蜂鸣器的功 率，而具体是对分频信号再进行二分频实现的。 ２．１．３乐谱播放控制模块设计
ＬＣＤ初始化
ＬｃＤ定位到首行首列
写字符“ｊｉａｎ ｐｕ：” 到第一行
色塑笆Ｉ ＬＣＤ显爪换行
图２ ＬＣＤ软件流程图
其中ＬＣＤ初始化包括对ＬＣＤ的功能设置，显示 开关设置和模式设置。ＬＣＤ定位到首行首列是通过对 ＬｃＤ写定位指令，将显示位置确定到第一行第一列。 写字符“ｊｉａｎ ｐｕ”到第一行是通过写数据指令将字符 ｊｉａｎ ｐｕ：和实时变化的乐谱显示在液晶屏的第一行。 低、中、高音分别用Ｌ、Ｍ、Ｈ表示并且加上对应的 音阶值进行显示。ＬＣＤ显示换行是通过定位指令来实 现的。显示音频强度到第二行是用符号“＞”的个数 表示音调的高低，一个表示低音１，两个表示低音２， 依次类推。
［４］王顺棋．稳压电源设计［Ｍ］．北京：国防工业出版 社，１９８３．
［５］ 赵学泉，张国华．电源电路［Ｍ］．北京：电子工业出版 社，１９９５．
［６］ 全国大学生电子设计竞赛组委会．全国大学生电子设计 竞赛获奖作品精选（１９９４一１９９９）［Ｍ］．北京：北京理工 大学出版社，２００３，
［７］何希才，姜余祥．新型稳压电源及其应用［Ｍ］．北京： 国防工业出版社。２００２．
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａ ｍｕｓｉｃ ｗａｔｅｒ ｌａｍｐ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＦＰＧＡ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ａｎｄ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｂｙ ａ ｈａｒｄｗａｒｅ ｄｅｓｃ＾ｐｔｉｏｎ ｌａｎｇｕａｇｅ ｔｏ ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｍｕｓｉｃ ｐｌａｙｉｎｇ ａｎｄ ｓｙｎｃｈＩ．０ｎｏｕｓ ｌａｌｌｌｐ ｎａｓｈｉｎｇ ｒｅｓｐｅｃｔｉＶｅｌｙ． Ａｎ ＳＯＰＣ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｂｕｉｌｔ ａｎｄ ＬＣＤ ｍｏｄｕｌｅ ｉｓ ｉｎｔｅ铲ａｔｅｄ ｔｏ ｓｈｏｗ ｓｃａｌｅ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｒｅａｌ ｔｉｍｅ ｍｕｓｉｃ ａｎｄ ｆ诧ｑｕｅｎｃｙ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｒｅａｌ· ｉｚｅｄ ａｔ Ａｌｔｅｍ’ｓ ＦＰＧＡ ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｐｌａｔｆｏⅡｎ—ＤＥ２ ｂｏａｒｄ．
首先需要在ＳＯＰＣ Ｂｕｉｌｄｅｒ中构建ＳＯＰＣ系统，按 要求依次添加ＮｉｏｓＩＩ处理器，４ ｋＢ的片上ＲＡＭ，ＬＣＤ 模块，４位输入口，给处理器分配复位向量地址和异 常向量地址ｐ１。
ＬＣＤ显示模块用来实现乐谱和音频强度的实时显
８３
陶小苗，等：基于ＦＰＧＡ的音乐流水灯控制系统的设计
示，可以显示１６×２个字符，其软件流程如图２ 所示。
１ 总体设计方案
音乐流水灯主要是点缀公共场合的装饰品，音乐 的播放和流水灯有节奏地闪烁，同时达到听觉和视觉 的完美结合，成为构成其必不可少的条件。要了解如 何产生不同音阶的音乐，首先要对乐音的特性有所了 解。乐音实际上是有固定频率的信号。在乐曲的构成 中，乐音的频率和持续的时间是其构成的要素。音阶 的频率可以通过高频时钟进行分频得到。音频的高低 可以通过外部的ＬＥＤ灯的闪烁来显示，这样在音乐 和流水灯的配合下可以使人产生强烈的节奏感。再辅
在对ＬｃＤ模块进行显示控制时，用到了写控制命 令和写数据命令Ｈ］。这些命令是针对具体配置的硬件
电路而编写的．ｈ头文件。ＬｃＤ模块的头文件如下 ＃ｄｅｆｉｎｅ ｌｃｄ—ｗｒｉｔｅ—ｃｍｄ（ｂａｓｅ，ｄａｔａ）
１０ＷＲ（ｂａｓｅ，０，ｄａｔａ） ＃ｄｅｆｉｎｅ ｌｃｄ—ｒｅａｄ—ｃｍｄ（ｂａｓｅ）
ＩＯＲＤ（ｂａｓｅ，１） ＃ｄｅｎｎｅ ｌｃｄ—ｗｄｔｅ—ｄａｔａ（ｂａｓｅ，ｄａｔａ）
由于此设计是基于ＤＥ２．７０开发板之上的，因此 将对应的音阶输出，应用ＬＥＤ灯来显示流水灯闪烁 效果。根据音调”ｈｉｇｈｔ”的高低设置点亮灯的数量， 当”ｈｉ曲ｔ”为低时播放低音信号，为高时播放中音信 号。如果要用到高音信号可以将”ｈｉ曲ｔ”长度改为２ ｂｉｔ。选取板上的ｏＬＥＤＲ［６．．０］前７盏灯与低音信号 对应，ｏＬＥＤＲ［１３．．７］与中音信号对应。在本设计中， 为了看到明显的流水灯变化，当发出中音音频时低音 显示灯全亮。 ２．３ ＬＣＤ显示模块设计
［１］ 赵新民．智能仪器设计基础［Ｍ］．哈尔滨：哈尔滨工业 大学出版社，１９９９．
［２］ 刘选忠，杨拴科．实用电源技术手册一模块式电源分册 ［Ｍ］．沈阳：辽宁科学技术出版社，１９９９．
［３］刘和平，严利平，张学锋．ＴＭｓ３２０ＬＦ２４０ｘ ＤｓＰ结构、
原理及应用［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版 社，２００２．
［８］杨振江．Ａ／Ｄ，Ｄ／Ａ转换器接口技术［Ｍ］．西安：西安 电子科技大学出版社，１９９６．
［９］李朝青．单片机原理及接口技术［Ｍ］．北京：北京航空 航天大学出版社，１９９８．
音乐播放就是通过外部的８ Ｈｚ时钟驱动，内部 以计数器进行计数、产生地址，送到ＲＯＭ单元中作 为存储器地址，将对应地址的数据——音阶索引值 输出。
在本设计中，每个音的发出由另一个８ Ｈｚ的时 钟信号来控制。乐谱中的４分音符由４个时钟信号来 驱动。．每个时钟下，其对应的音阶输出以索引值的形 式存储在ＲＯＭ中。文中ＲＯＭ的地址线为１０位，数
收稿日期：２０１０．０５．１０ 作者简介：陶小苗（１９８５一），女，硕士研究生。研究方向： 电路与系统。
以ＬｃＤ来显示音阶的高低长短，不懂乐理知识的人 便可以直观的看到不同音调对应的音阶。
总体设计要求如下： （１）分频主要是通过一个可控分频器实现的。采 用时钟的频率越高，分频系数越大，分频后的音阶频 率就越准确。但同时由于分频系数大使用的计数单元 增加，从而耗费更多的硬件逻辑单元，因此可以采取 一个较为适中的时钟频率１２ ＭＨｚ。 （２）经过分频后的信号是一个脉宽极窄的时钟信 号，必须对其进行脉冲宽度调整，增大占空比，才能 有效地驱动蜂鸣器。在脉冲宽度调整时会对此信号再 次二分频，所以在计算时，以乐音音阶的二倍频率去 求取在特定时钟信号下的分频系数，以便在调整占空 比后得到正确的音阶频率。 （３）乐曲的频率变化多端，对应的分频系数也不 断变化，因此需要将播放的乐曲的分频系数事先存放 在ＲＯＭ中便于读取。如果将分频系数直接作为存储 码存放在寄存器中，势必会占有更大的容量。因此在 这里选取索引值来作为存储码以减小容量。 （４）开发平台上的ＬＥＤ灯数量有限，可以选用有 规律的闪烁，例如从左到右依次点亮、渐亮、渐灭 等；也可以用灯闪烁的多少来表示频率的大小。本设 计选用第二种。 图１为音乐流水灯控制系统的总统原理框图。可
表ｌ音阶索引表
图ｌ原理框图
２模块设计
２．１ 乐曲播放控制模块 乐曲播放控制模块的主要功能是在一定的时钟信
号驱动下将事先存储在ＲＯＭ里的乐谱所对应的索引 值依次输出，控制分频，并产生相应的分频信号频 率，以此来控制蜂鸣器的发声。 ２．１．１音阶分频器的设计
为了能够在播放乐曲的同时显示当前音阶，用 ＬＥＤ的位数来指示当前音阶的高低音。程序中的音阶 分频系数通过索引值来进行选取，即在音乐播放过程 中由乐谱存储电路传递来的当前音阶的索引值。 ２．１．２音阶频率产生的设计
万方数据
按照乐谱，将音阶对应的索引值连续地存储到 ＲｏＭ中。例如，乐谱上一个４分音符的中音３，在 ＲＯＭ存储器中对应的索引值是１０，并且连续放置４ 次，而一个８分音符５也就是半拍的５，则是将对应 索引值５在ＲＯＭ中连续存放两次。播放时在播放时 钟（８ Ｈｚ）的驱动下，索引值不断地从ＲＯＭ输出。索 引值送到音阶分频模块中，转换为计数初值输出，再 送到音阶分频产生模块中，作为计数初值，产生音阶 频率输出驱动蜂鸣器。这样，就能在蜂鸣器上发出要 播放的乐曲了。确定了乐谱后，即ＲＯＭ的存储内容 后，就可以定制ＲＯＭ，将其初始化文件指定为．ｍｉｆ 文件即可。 ２．２流水灯控制模块设计
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ＦＰＧＡ；ＬＣＤ；ｈａｒｄｗａｒｅ ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ ｌａｎｇｕａｇｅ；ＤＥ２
ＦＰＧＡ是现场可编程门阵列的简称，它既有门阵 列器件的高度集成和通用性，又有可编程逻辑器件用 户可编程的灵活性¨。２ Ｊ。通过ＦＰＧＡ实现音乐流水灯 的控制，实质上就是将不同音阶与特定频率的方波信 号对应起来，以方波信号驱动蜂鸣器发出音乐，再根 据不同音阶来控制流水灯的闪烁。与借助微处理器实 现乐曲演奏相比，以纯硬件方式完成乐曲演奏电路更 直观。ＥＤＡ工具和硬件描述语言发挥了强大功能， 提供了设计可能性。
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ Ｍｕｓｉｃ Ｗａｔｅｒ Ｌａｍｐ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＦＰＧＡ
１＇ａｏ Ｘｉａｏｍｉａｏ，Ｗａｎｇ Ｚｉｔｉｎｇ （Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ肌ｄ Ｉｎ缸１１１ａｔｉｏｎ Ｅｎ百ｎｅｅ—ｎｇ，Ｌａｎｚｈｏｕ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００７０，Ｃｈｉｎａ）
鼋ａ叶技２０１０年第２３卷第ｌｌ期
ＥＪｅｃｔｍｎｉｃ Ｓｃｊ．＆Ｔ备ｃ｝Ｌ／Ｎｏｖ．１５，２０１０
基于ＦＰＧＡ的音乐流水灯控制系统的设计
陶小苗，王紫婷
（兰州交通大学电子与信息工程学院，甘肃兰州７３００７０） 摘要介绍一种基于ＦＰＧＡ的音乐流水灯控制器，采用硬件描述语言对其进行描述，分别实现乐曲的播放和同 步流水灯的闪烁。并构建一个ｓ０Ｐｃ系统，集成ＬｃＤ模块来显示实时音乐的音阶值和频率强度。最后在Ａｌｔｅｒａ公司的 ＦＰＧＡ多媒体开发平台ＤＥ２上进行实现。 关键词ＦＰＧＡ；ＬＣＤ；硬件描述语言；ＤＥ２ 中图分类号ＴＰ３３２．３ 文献标识码Ａ 文章编号１００７—７８２０（２０１０）１１—０８２—０４
万方数据
号输入，可在ＦＰＧＡ内部设计分频器，将其分频到 ８ Ｈｚ再使用，还可以在此基础上更改。另外还可以在 一个ＲＯＭ种存储多首乐曲，通过按键选择播放乐曲。
（下转第８７页）
傅莉：数控ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ流稳压电源设计
３ 结束语
如前所述，虽然方案３比前两者有许多优点，但 方案１、方案２对于完成设计要求并非不可行，而且 在某些方面还具有优势，之所以采用方案４，一个很 重要的考虑是系统使用了单片机，使得进一步的功能 扩展较为方便。
３顶层设计和验证
系统的顶层设计就是将各个底层功能模块例化， 在顶层调用，进行正确的连接，构成最后的系统。整 个系统的硬件电路如图３所示。
图３系统硬件电路
至此，一个硬件音乐流水灯电路就完成了。外部 提供两路时钟信号（１２ ＭＨｚ和８ Ｈｚ），再将乐曲输出 端连接到带有驱动装置的蜂鸣器或扬声器上，就可以 欣赏所添加的乐曲了。若硬件设计上只有一路时钟信 甜
万方数据
陶小苗，等：基于ＦＰＧＡ的音乐流水灯控制系统的设计
以看到该系统包含乐曲播放控制模块，流水灯控制模 块和ＬｃＤ显示模块３个模块。其中乐曲播放控制模 块分为乐谱播放控制模块，音阶分频模块和音阶频率 产生模块。
据线宽度为４位。ＲＯＭ里存储的数据即各音节的索 引值，根据乐谱转换的需要，１６个索引值即可满足 乐曲曲谱编写的需求，所以设置了４位数据线。地址 线的宽度主要取决于乐曲的长度。本设计中用到了约 ５２０个４ ｂｉｔ单元，为了留有一定裕度，将数据线宽度 定义为１０位，即１ ０２４个４ ｂｉｔ单元。其中不同的音 阶对应的索引值如表ｌ所示。
ＩＯＷＲ（ｂａｓｅ，２，ｄａｔａ） ＃ｄｅｆｉｎｅ ｌｃｄ ｒ．ｅａｄ ｄａｔａ（ｂａｓｅ）
ＩＯＲＤ（ｂａｓｅ，３） 这样编写是为了和具体的硬件电路相对应，在 ＬＣＤ模块的硬件描述语言中，液晶模块Ｒｗ和ＲＳ的 地址分配如下： ａｓｓｉＰ田ＬＣＤ—Ｒｗ＝ａｄｄｒｅｓｓ【０］ ａｓｓｉｇｎ ＬｃＤ—ＲＳ＝ａｄｄｒｅｓｓ［１］ 其中Ｒｓ信号是命令与数据线，高电平表示目前 数据线上交换的是数据，低电平表示目前数据线上交 换的是命令。液晶模块根据这个信号做出正确的响 应。ＲＷ是电平信号，高电平表示对液晶模块执行读 取操作，低电平表示对液晶模块写入数据或命令。这 样便可以确定各读写操作对应于基地址的偏移量。
音阶频率产生电路在获取上面的音阶索引值对应 的分频系数后，通过可控计数器进行分频。分频电路 中的计数器进行减ｌ计数，计数器的进位信号即为分 频信号。因为此信号的脉冲宽度极小，所以需要调整 占空比才使外部驱动电路提供足够的驱动蜂鸣器的功 率，而具体是对分频信号再进行二分频实现的。 ２．１．３乐谱播放控制模块设计
ＬＣＤ初始化
ＬｃＤ定位到首行首列
写字符“ｊｉａｎ ｐｕ：” 到第一行
色塑笆Ｉ ＬＣＤ显爪换行
图２ ＬＣＤ软件流程图
其中ＬＣＤ初始化包括对ＬＣＤ的功能设置，显示 开关设置和模式设置。ＬＣＤ定位到首行首列是通过对 ＬｃＤ写定位指令，将显示位置确定到第一行第一列。 写字符“ｊｉａｎ ｐｕ”到第一行是通过写数据指令将字符 ｊｉａｎ ｐｕ：和实时变化的乐谱显示在液晶屏的第一行。 低、中、高音分别用Ｌ、Ｍ、Ｈ表示并且加上对应的 音阶值进行显示。ＬＣＤ显示换行是通过定位指令来实 现的。显示音频强度到第二行是用符号“＞”的个数 表示音调的高低，一个表示低音１，两个表示低音２， 依次类推。
［４］王顺棋．稳压电源设计［Ｍ］．北京：国防工业出版 社，１９８３．
［５］ 赵学泉，张国华．电源电路［Ｍ］．北京：电子工业出版 社，１９９５．
［６］ 全国大学生电子设计竞赛组委会．全国大学生电子设计 竞赛获奖作品精选（１９９４一１９９９）［Ｍ］．北京：北京理工 大学出版社，２００３，
［７］何希才，姜余祥．新型稳压电源及其应用［Ｍ］．北京： 国防工业出版社。２００２．
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａ ｍｕｓｉｃ ｗａｔｅｒ ｌａｍｐ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＦＰＧＡ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ａｎｄ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｂｙ ａ ｈａｒｄｗａｒｅ ｄｅｓｃ＾ｐｔｉｏｎ ｌａｎｇｕａｇｅ ｔｏ ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｍｕｓｉｃ ｐｌａｙｉｎｇ ａｎｄ ｓｙｎｃｈＩ．０ｎｏｕｓ ｌａｌｌｌｐ ｎａｓｈｉｎｇ ｒｅｓｐｅｃｔｉＶｅｌｙ． Ａｎ ＳＯＰＣ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｂｕｉｌｔ ａｎｄ ＬＣＤ ｍｏｄｕｌｅ ｉｓ ｉｎｔｅ铲ａｔｅｄ ｔｏ ｓｈｏｗ ｓｃａｌｅ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｒｅａｌ ｔｉｍｅ ｍｕｓｉｃ ａｎｄ ｆ诧ｑｕｅｎｃｙ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｒｅａｌ· ｉｚｅｄ ａｔ Ａｌｔｅｍ’ｓ ＦＰＧＡ ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｐｌａｔｆｏⅡｎ—ＤＥ２ ｂｏａｒｄ．
首先需要在ＳＯＰＣ Ｂｕｉｌｄｅｒ中构建ＳＯＰＣ系统，按 要求依次添加ＮｉｏｓＩＩ处理器，４ ｋＢ的片上ＲＡＭ，ＬＣＤ 模块，４位输入口，给处理器分配复位向量地址和异 常向量地址ｐ１。
ＬＣＤ显示模块用来实现乐谱和音频强度的实时显
８３
陶小苗，等：基于ＦＰＧＡ的音乐流水灯控制系统的设计
示，可以显示１６×２个字符，其软件流程如图２ 所示。
１ 总体设计方案
音乐流水灯主要是点缀公共场合的装饰品，音乐 的播放和流水灯有节奏地闪烁，同时达到听觉和视觉 的完美结合，成为构成其必不可少的条件。要了解如 何产生不同音阶的音乐，首先要对乐音的特性有所了 解。乐音实际上是有固定频率的信号。在乐曲的构成 中，乐音的频率和持续的时间是其构成的要素。音阶 的频率可以通过高频时钟进行分频得到。音频的高低 可以通过外部的ＬＥＤ灯的闪烁来显示，这样在音乐 和流水灯的配合下可以使人产生强烈的节奏感。再辅
在对ＬｃＤ模块进行显示控制时，用到了写控制命 令和写数据命令Ｈ］。这些命令是针对具体配置的硬件
电路而编写的．ｈ头文件。ＬｃＤ模块的头文件如下 ＃ｄｅｆｉｎｅ ｌｃｄ—ｗｒｉｔｅ—ｃｍｄ（ｂａｓｅ，ｄａｔａ）
１０ＷＲ（ｂａｓｅ，０，ｄａｔａ） ＃ｄｅｆｉｎｅ ｌｃｄ—ｒｅａｄ—ｃｍｄ（ｂａｓｅ）
ＩＯＲＤ（ｂａｓｅ，１） ＃ｄｅｎｎｅ ｌｃｄ—ｗｄｔｅ—ｄａｔａ（ｂａｓｅ，ｄａｔａ）
由于此设计是基于ＤＥ２．７０开发板之上的，因此 将对应的音阶输出，应用ＬＥＤ灯来显示流水灯闪烁 效果。根据音调”ｈｉｇｈｔ”的高低设置点亮灯的数量， 当”ｈｉ曲ｔ”为低时播放低音信号，为高时播放中音信 号。如果要用到高音信号可以将”ｈｉ曲ｔ”长度改为２ ｂｉｔ。选取板上的ｏＬＥＤＲ［６．．０］前７盏灯与低音信号 对应，ｏＬＥＤＲ［１３．．７］与中音信号对应。在本设计中， 为了看到明显的流水灯变化，当发出中音音频时低音 显示灯全亮。 ２．３ ＬＣＤ显示模块设计