《音乐盒的实现》实验报告

《EDA技术与应用》实验8——课程设计

音乐盒的实现

摘要（简要介绍设计目的，方法及实验完成情况）

现在的很多装饰品上都会用到八音盒，八音盒的种类也越来越多，但是基本原理都是相同的，音乐盒的实现也给我们的生活带来了很多乐趣。

EDA在教学、科研、产品设计与制造等各方面都发挥着巨大的作用。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VHDL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。EDA技术的出现，极大地提高了电路设计的效率和可操作性，减轻了设计者的劳动强度。在教学方面，几乎所有理工科类的高校都开设了EDA课程。主要是让学生了解EDA的基本概念和基本原理、掌握用HDL语言编写规范、掌握逻辑综合的理论和算法、使用EDA工具进行电子电路课程的实验验证并从事简单系统的设计。一般学习电路仿真工具和PLD开发工具，为今后工作打下基础。

本实验是使用verillog HDL设计的一个可以演奏梁祝的音乐盒，程序经过调试和下载后，可在实验箱上实现开始和复位功能。

一设计任务与要求

1.1设计任务

（1）使用Verilog HDL 设计一个可以演奏梁祝的音乐盒；

（2）输入为2 个按键，实现复位和开始；

（3）输出为GW48 实验箱的扬声器；

（4）查阅相关资料，明确音符和频率的对应关系，根据梁祝的乐谱设计Verilog 程序，完成音乐盒的制作。

1.2 设计要求

1、设计正确，方案合理。界面友好，使用方便。程序精炼，结构清晰。

2、有详细的文档。包括设计思路、设计仿真程序、仿真结果及相应的分析与结论。

二系统方案设计

2.1工作原理

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。

2.2 基本设计思想

（1）根据系统的设计要求，系统采用自顶向下的设计方法系统由数控分频器、节拍控制器以及音阶发生器组成。数控分频器对FPGA的基准频率进行分频，得到与各个音阶对应的频率输出。节拍控制器产生节拍控制和音阶选择信号，即在此模块中可存放一个乐曲曲谱真值表，由一个计数器来控制此真值表的输出，而由计数器的计数时钟信号作为乐曲节拍控制信号。由音阶发生器产生音符对应的频率的信号来使扬声器发音。

（2）音乐盒的实现：由实验箱上的扬声器实现

（3）根据层次化设计理论，改程序问题自顶向下可以分为分频模块、节拍控制器模块、音节发生器模块和数控分频器模块，其西戎框图如下图所示：

三具体模块实现

3.11节拍控制器模块 NoteTabs

用于产生节拍控制盒音阶选择信号，即在NoteTabs模块中放置所要演奏的乐曲，由一个计数器的计数值来控制此乐谱的输出，而由此计数器的计数时钟信号作为乐曲节拍控制信号。输出的信号为3个4位2进制数，分别表示高、中、低三个音阶的1~7的音

当12位发声控制输入{high，med，low}中某一位为高电平时，则对应某一音阶的数值将从端口tone输出，作为该音阶的分频初始值。

3.13数控分频器speakera

它由一个初值可预置的加法计数器构成，当模块speakera由端口tone获得一个2进制数后，将以此值为计数器的初始值，对端口Clk12.5MHZ输入的频率进行分频，之后由speaker 向扬声器输出发声。在模块内部需要将时钟再进行分频产生基准频率f0=1MHZ。为得到对称方波，需先进行分频系数n的分频，得到不对称方波，而占空比很小的方波将很难使扬声器有效的发出声响，需再2分频得到对称方波。

3.14分频模块clkdiv

对时钟50MHz进行分频，需要的是12.5MHz给数控分频器模块和4Hz给节拍控制器模块。

。

3.2 总模块

音乐盒的原理图：将各模块的原理图对应的端口连接

四程序调试及局部仿真结果

4.1分频模块仿真结果：

clk为基本时钟输入50MHZ，clr为复位信号，低电平有效，当clr为1时开始工作。分频模块输出分别为12.5MHZ和4HZ。4HZ的周期偏大，无法在界面上显示。

仿真出现的问题：

该程序中节拍控制模块notetabs中的时钟脉冲为4HZ，周期偏大，在界面中不宜显示。所以未进行波形仿真。

4.2引脚图

4.3实验结果描述：

按下复位键让其保持高电平，扬声器开始发声，播放的音乐为《梁祝》的高潮部分。若将复位键置0，则扬声器停止播放音乐。再将复位键置1，则扬声器重新开始播放音乐。

实验中唯一的不足就是没有加入START按键实现“开始”和“暂停”的功能。

五课程设计的心得与体会

这次的课程设计我们用了十天左右的时间，从中我们学到了很多，也对EDA的知识进行了巩固。我们团队是两个人，做的是音乐盒的设计，我们经过选题，查找资料，整理资料写课题报告，然后编写程序，直到实验结果的成功，过程中我们遇到过很多的困难，程序编写中出现过很多错误，但是在我们的细心检查和查找资料后终于解决了。音乐盒的实现，达到了预期的效果，能够实现开始和复位的功能。但是由于能力的不足，这次设计中还存在着一些没有解决的问题，希望老师予以指正。

这次课程的设计让我们队EDA课程有了更深层次的认识，我们收获了很多，体会深刻。本来觉得EDA编程语言比较麻烦，但是解除之后发现它还是有很多方便的地方，尤其是和图形编程结合的特点，让实验看起来很简洁明白。这次课程也让我们对VHDL语言有了更深的了

这次课程也让我们明白理论与实践的结合是十分重要的，只有理论知识根本是不够的，只有把理论知识用于实践，才能更高的把这门课程所学的知识用于服务社会。这次课程中也让我们发现很多的不足，对所学过的知识勒戒的不够深刻，掌握的不够牢固。这次课程也锻炼了我们的独立思考能力和动手能力，这对我们来说是一次很好的锻炼。这是我们第一次独立完成一个课程，自己设计，大家分工合作，一起努力，一起完成。这个过程中也促进我们同学之间的相互沟通，也让我们在自己专业知识的学习过程中，更多的，更好的学习一门知识。

做这个音乐盒的设计中包含了很多个不同功能的程序，让我们学到了一些思考问题的方法，也学到了一些程序中的思路，在我们一点点的把错误的程序改到成功的过程让我们很有成就感。这次试验也激发了我们对EDA课程的兴趣，也对这门课程有了更深的了解，对EDA 设计软件quarters的使用也更加熟练。这门课程给我们最大的收获就是，只要全身心的投入到一件事中去，持之以恒，那么一定会有收获。

总的来说，这次的设计还算成功。虽然这门课程就要结束了，但是我们不能放弃对这门课程的探索。因此在以后的学习过程中，我们会更加努力的学习它。这次课程的设计，也让我们觉得平时所学的知识终于有了实用价值，达到了理论与实际结合的目的，不仅学到了知识，而且锻炼了自己的能力。最后，很衷心的感谢那些对我们有过帮助的老师和同学们。

六参考资料

1.邹其洪.《EDA技术实验教程》.中国电力出版社，2009

2.曹昕燕等.《EDA技术实验与课程设计》.清华大学出版社，2006

3.沈明山.《EDA技术及可编程器件应用实训》.科学出版社.2004

附件

1.分频模块clkdiv的程序如下：

module clkdiv(

input wire clk,

input wire clr,

output wire clk1,

output wire clk2

);

reg [24:0] q;

always @(posedge clk or negedge clr)

begin

if (!clr)

q <= 0;

else

q <= q+1;

end

assign clk1 = q[1];

assign clk2 = q[23];

endmodule

2.节拍控制器模块notetabs程序如下：

module NoteTabs(