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1、实验四 硬件电子琴电路模块设计基础知识一、节拍1、在音乐中，时间被分成均等的基本单位 ，每个单位叫做一个“拍子”或 称一拍。2、拍子的时值是以音符的时值来表示的， 一拍的时值可以是四分音符（即以四分音 符为一拍），也可以是二分音符（以二分 音符为一拍）或八分音符（以八分音符为 一拍）。例2/4,3/4等 3、拍子的时值是一个相对的时间概念比如当乐 曲的规定速度为每分钟 60 拍时， 每拍占用的时间是一秒，半拍是二分之一 秒；当规定速度为每分钟 120 拍时，每拍 的时间是半秒，半拍就是四分之一 秒。在本次实验中，最小的节拍是1/4拍，规定 速度是每拍1秒。可以得到，在我们把音符 按照以1/4拍
2、为单位存放到ROM里，而后以 4HZ频率读取，则可以实现乐曲的节拍。基础知识二、音符与频率 乐曲中不同的音符实质上表示的是不同频 率的声音。 只要产生不同频率的脉冲，再通过喇叭等 播放出来即可。又由于方波容易用定时器 产生，故使用方波脉冲。基础知识 要产生音频脉冲： 1、算出某一音频的脉冲的周期（1/频率） 2、然后将此周期除以2，即为半周期的时间 。 3、利用定时器，计时这个半周期的时间，每 当计时到后，就将输出脉冲的I/O反相。 4、重复计时此半周期的时间再对I/O反相， 就可以在I/O脚上得到此频率的脉冲。 例如，频率为523Hz，其周期为1/523 S=1912uS，因此只要令计数器计
3、时956，在每计数956次时 就将I/O反接，就可得到中音DO（532Hz）。 其计数值N可以根据以下公式得到：2N=Tr/Ti=Fi/Fr （Fi为内部时钟频率，Fr为对应音符频率）（Ti为内部时钟周期，Tr为对应音符周期）音符与频率对应表 可以得到：如果以1MHZ为内部时钟频率， 要发出低7SI音（494HZ），我们需要计数 2024个1MHZ时钟周期，其中，当计数到 2024/2=1012个时钟时，将脉冲翻转一次。 结合前述的节拍，如果要发出低7SI音1拍 ，则只要持续494HZ方波1秒钟即可，如果 按1/4拍单位存放到ROM里，ROM的读出 时钟是4HZ，那低7SI音应该装载几个存储
4、单元？本实验用FPGA实现乐曲的播放原理 分四步 1、将待播放的音乐音符存入ROM 2、以4HZ频率读取ROM 3、根据1MHZ的内部时钟要求，将读出的音 符换算成应计数的数值 4、以1MHZ为内部时钟，实现符合要求的方 波信号。硬件电子琴电路设计方案模块Speaker 模块Speakera中的主要电路是一个数控分 频器，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预置数 ，对端口Clk12MHZ输入的频率进行分频， 之后由Spkout向扬声器输出发声。模块TONE 模块Tone是音阶发生器，当8位发声控制输 入Index中
5、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，作为获得 该音阶的分频预置值；同时由Code输出对 应该音阶简谱的显示数码，如5，并由High 输出指示音阶高8度显示。增加乐曲自动演奏电路 在原设计的基础上，增加一个Notetabs模块用于 产生节拍控制（Index数据存留时间）和音阶选择 信号，即在Notetabs模块放置一个乐曲曲谱真值 表，乐曲曲谱真值表放置于名为Music的ROM模 块中。 由一个计数器来生成读取ROM所需的地址数据， 对ROM以4HZ的频率进行读取，实现控制此真值 表的输出，而由此计数器的计数时钟信号作为乐 曲节拍控制信号，从而可以设计出一个纯硬件的 乐
6、曲自动演奏电路。 需要说明： 由于实验板上，只有50MHZ有源晶振，故将用 50MHZ进行分频实现12.5MHZ的时钟，在后续 模块Speakera.v中再分频得到近似1MHZ时钟， 要求自行设计50MHZ到12.5MHZ的分频模块： div_50_12M.v 系统需要4HZ频率读ROM，于是用50MHZ， 分频得到4HZ频率。要求自行设计50MHZ到4HZ 的分频模块：div_50_4HZ.v 由于这两个分频模块仿真时间较长，故这部分 不要求进行仿真。 1、构建一个工程名为songer的工程由File-New Project Wizard,弹出对话框，设置文件 夹目录，Project名称。注
7、意， 1 ）不能将文件 夹放置在软件安 装目录下，应放 在E盘或DATA盘上 2）要求以自己 的学号作为文件 夹名正确选择FPGA目标器件和EDA工具，这次设计的仿 真工具采用Modelsim。 分别输入ToneTaba.v和Speakera.v的 Verilog HDL文本，进行综合和功能仿真， 理解、验证模块功能。仿真激励文件生成 在New Source Wizard界面选择Verilog Test Fixture,然后输入测试文件名 选择要测试的模块 测试文件相关设置完成 后，按Finish，ISE即 给出测试模块的框架 根据框架，考虑测试的 完备性，完善测试模块 分别编写Notetab
8、s .v 、ToneTaba.v和 div_50_12M.v的Verilog HDL测试文件，用 Modelsim进行功能仿真、时序仿真。观察波 形，理解模块实现的功能。 下面讨论如何调用ROM的IPcore实现对音乐 的存储。 IP核生成器的启动方法有两种，一种是在【 Projcet Navigator】中新建Coregen IP类 型的资源(请参考第2章中工程的建立与管理 )；另一种是直接在Windows界面下运行【 开始】【程序】【Xilinx ISE Design Suit 10.1】【ISE】【Accessories】 【CORE Generator】命令。 本次设计采用第一种方法。
9、 首先打开电脑上的记事本，按照COE文件 的格式要求输入梁祝音乐或者自己编 辑的音乐数据，并存盘。COE文件内容MEMORY_INITIALIZATION_RADIX = 10; MEMORY_INITIALIZATION_VECTOR=3 , 3 , 3 , 3, 5, 5, 5,6, 8, 8,8 , 9 , 6 , 8, 5, 5, 12,12,12, 15,13 , 12 , 10 , 12, 9, 9, 9, 9, 9, 9,9 , 0 , 9 , 9, 9, 10, 7, 7, 6, 6,5 , 5 , 5 , 6, 8, 8, 9, 9, 3, 3,8 , 8 , 6 , 5,
10、6, 8, 5, 5, 5, 5,5 , 5 , 5 , 5, 10, 10, 10, 12, 7, 7,9 , 9 , 6 , 8, 5, 5, 5, 5, 5, 5,3 , 5 , 3 , 3, 5, 6, 7, 9, 6, 6,6 , 6 , 6 , 6, 5, 6, 8, 8, 8, 9, 12 ,12 ,12 ,10, 9, 9,10, 9,8, 8,6 , 5 , 3 , 3, 3, 3, 8,8, 8,8, 6 , 8 ,6 , 5, 3, 5, 6,8, 5,5, 5 ,5 , 5 ,5, 5,5,0, 0, 0; 选择IP(CORE Generate NET “Code1“
11、LOC = “F12 “ ; NET “Code1“ LOC = “E12“ ; NET “Code1“ LOC = “E11“ ; NET “Code1“ LOC = “ F11 “ ; NET “High1“ LOC = “E9“ ; NET “reset“ LOC = “D18“|pulldown ; NET “Spkout“ LOC = “D7“ ; 用发光管LD3LD0显示Code3Code0表示琴音简谱 码，发光管LD5显示高8度，Spkout接J4的D7端口）。 当程序下载到Spantan3E板上去后,通过外接扬声器可以 听到乐曲。 思考题 1、电路上应该满足哪些条件，才能用数字 器件直接输出的方波驱动扬声器发声？ 2、如果演奏其他乐曲，程序应做哪些方面 的改动？实验报告用仿真波形和电路原理图，详细叙述硬件电 子琴的工作原理及其3个Verilog HDL文件中 相关语句的功能，叙述硬件实验情况，说明 硬件乐曲演奏电路的设计和实验方案。
