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1、基于FPGA的乐曲演奏电路设计摘要设计丫一种基于FPGA的电子琴，该电子琴由用VHDL硬件描述语言设计的核心部件和适当 的外围电路构成，可从琴键上进行演奏也可自动进行乐曲演奏。基于FPGA（现场可编程门阵列）芯片，利用VHDL语言，介绍了一种通用乐曲演奏电路的设 计，可实现多个八度音阶的乐曲演奏，与简谱的对应关系简单，编程方便，占用资源少, 通用性好，可作为TP core模块引用，构成复杂的SOPC系统.关键词：电子琴；现场可编程门阵列（FPGA）;智力产权核（IP core）；超高速集成 电路硬件描述语言（VHDL）;乐曲AbstractAn electronic piano is desi
2、gned based on FPGA，which consists of core paris that designed by using VHDL hardware description languages，as well as some periphery circuits.The musical perform ance can be donenot only by keys but also with automatic type in the electronic piano.Based on FPGA，by VHDL language，this paper introduces
3、 a universal music circuit design，it can play high，middle and low multiple tonality，simple corresponding relation with simple musical notation，which programs easily using little resource. It can be used universally for IP core in making complicated SOPC system.Key words: electronic piano； Field Prog
4、rammable Gate Array (FPGA) : Intelligence Property core(IP core) ； Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language(VHDL) ； music目录1. 简易电子琴与音乐发生器设计的介绍41.1简易电子琴设计介绍41.2音乐发生器设计介绍42. FPGA功能与使用简介62. 1 FPGA 简介62. 1. 1 FPGA 的产生62. 1.2 FPGA的基木结构72. 1. 3 MAX+PLUSTT72.2硬件描述语言VHDL102.2. 1 VHDL
5、语言的优点102.2.2利用VHDL语言设计数字系统的特点112.2.3 VHDL语言的基木结构132.2.4 VHDL的设计流程153. 简易电子琴设计及程序163.1简易电子琴设计总体框阁163.2模块设计163.2. 1模块QIN设计163.2.2模块FANA设计174. 音乐发生器设计及程序204. 1使用的乐谱204.2音乐发生器设计及程序204.2.1音乐发生器总框图204. 2. 2可变分频器设计204.2.3到计时模块设计315. 健345. 1 觀345.2仿真验证与实现345.2.1电子琴电路的仿真355.2.2音乐发生器仿真356. 妍仑377. 翻寸388. 参考文献3
6、91.简易电子琴与音乐发生器设计的介绍1.1简易电子琴设计介绍电子琴因其操作简单，且能模拟各种传统乐器的音色，而深受消费者喜爱。基于可编程 逻辑器件FPGA(FieldProgrammable Logical Device)芯片，利用VHDL硬件描述语言设计系 统核心部件，再配以适当的外围电路，可从琴键上进行演奏也可自动进行乐曲演奏， 可模拟传统乐器笛、风琴、小号、单簧、双簧等音色。1.2音乐发生器设计介绍音乐发生器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 法有以下几种：购买专用音乐电路片，特点是价格便宜，多用于玩具.无法更改乐曲, 也无法编程；录咅重放电路，如TSD
7、系列录放电路.可通过麦克风人工录咅，分段放 音，成本稍高；利用微处理器来实现乐曲演奏，需要占用微处理器的资源较多（要占 用D/A和定时器等），大多数情况无法采用这种方法；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，功能日益强大，操作方便实用， 以及IP core概念H益普及与流行，使这种方案的应用领域越来越多.它的突出优点是: 第一，仅占用FPGA中很少的资源，因此成本低，其至不增加成本.这是因为某个产品选 定某型号FPGA芯片，只用了其中一部分资源，还有相当一部分资源闲置没用；第二， 更改乐曲非常方便；第三，可作为IP core实现设计重用。乐曲演奏电
8、路的实现，其工作原理是这样的：我们知道，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木要素，问题是如何来获取这两个 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。我们知道，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 2个基本要素，首先让我们来了解音符与频率的关系。乐曲的12平均率规定：每2个八度 音（如简谱中的中音1与高音1）之间的频率相差1倍。在2个八度音之间，又可分为12个半 音，每2个半音的频率比为12人。另外，音符A（简谱中的低音6）的频率为440 Hz，音符B到C之间、E到F之间为半音，其余为全音。由
9、此可以计算出简谱中从低音1至高音1之间 每个音符的频率，如表1所示。表1-1音高频率对照表1234567低音131147165175196221248中音262294330350393441496高音525589661700786882990产生各音符所需的频率可用一分频器实现，由于各音符对应的频率多为非整数，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人取整。若分频器时钟频率过低, 则由于分频系数过小，四舍五人取整后的误差较大；若时钟频率过高，虽然误差变小， 但会增加分频器的分频级数。实际的设计应综合考虑两方面的因素，在尽量减小频率误 差的前提下取合适的时钟频率。木文设计的乐曲发
10、生器选取4MHz的基准频率。若无4 MHz的时钟频率，则可以先分频得到4 MHz或换一个新的基准频率。实际上，只要各个 音符间的相对频率关系不变，演奏出的乐曲听起来都不会“走调”。2. FPGA功能与使用简介2. 1 FPGA 简介FPGA是英文Field Programmable Gate Array的缩写，即现场可编程门阵列，它是在 PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC) 领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器 件门电路数有限的缺点。1. 1 FPGA的产生当今社会是数字社会，数字集成电路应用非常
11、广泛，其发展从电子管、晶体管、小规模 集成SSI、MSI、LSI、VLSI (几万门以上)到超大规模集成电路ULSI和超位集成电路 GSI,其规模儿乎平均每一到两年翻一番。集成电路的发展大大促进了 EDA的发展， 先进的EDA己从传统的“自下而上”的设计方法改变为“自上而下”的设计方法。 ASIC(Application Specific Integrated Circuit)的设计与制造，己不再完全由半导体厂商独 立承扪，系统设计师在实验室里就可以设计出合适的ASIC芯片，并II立即投入实际应 用中，这都得益于可编程遷辑器件PLD (Programmable Logic Device)的出现
12、。现在成 用最广泛的PLD主要是现场可编程门阵列FPGA(Field Programmable Gate Array)、复 杂可编程逻辑器件CPLD(Complex Programmable Logic Device)、可擦除可编程逻辑器 件 EPLD (Erasable Programmable Logic Device)。FPGA器件集成度高、体积小，具冇通过用户编程实现专门应用的功能，特别适合于产品的样机开发和小批量生产。现场可编程门阵列FPGA是一种新型的高密度PLD，采用CMOSSRAM工艺制作，与门阵列PLD不同，其内部由许多独立的可编程逻辑模块(CLB)组成，逻辑块之间可以灵活地
13、相互连接。现场可编程门阵列FGPA的结构一般分为三部分：可编程逻辑块、可编程I/O模块和可编程内部连线。CLB的功能很强，不仅能够实现逻辑函数，还可以配置成RAM等复杂的形式，配置数据存放在片内的 SRAM或者熔丝图上。基于SRAM的FPGA器件工作前需要从芯片外部加载配置数据, 配置后的数据可以存储在片外的EPROM上或者计算机上。现场可编程门阵列FPGA允许电路设计者利用基于计算机的开发平台，经过设计输入、 仿真、测试和校验，直接达到预期的结果。使用FPGA器件可以大大缩短系统的研制周 期，减少资金的投入。更吸引人的是，采用FPGA器件可以将原来的电路板级产品集成 为芯片级产品，从而降低了
14、功耗，提高了可靠性，同时还可以很方便地对设计进行在线 修改。因此，FPGA的出现受到了电子设计师的普遍欢迎，发展十分迅速。2.1.2 FPGA的基本结构FPGA釆用了逻辑单元阵列LCA (Logic Cell Array)这样一个新概念，内部伍括可配置 逻辑模块 CLB (Configurable Logic Block)、输出输入模块 I0B (Input Output Block) 和内部连线(Interconnect)三个部分。FPGA的基本特点主要有：1) 采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。2) FPGA可做其它全定制或半定制ASTC电路的中试样片。
15、3) FPGA内部有丰富的触发器和I / 0引脚。4) FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。5) FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片 内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入 工作状态。掉电后，FPGA恢复成0片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用。 FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。当需要 修改FPGA功能时，只需换一片EPROM即可。这样，同一片FPGA,不同的编程数据，可 以产生不同的电路功能。因此，FPGA的使用非常灵活。FPGA有多种配置模式：并行主模式为一片FPGA加一片EPKOM的方式；主从模式 可以支持一片PROM编程多片FPGA;串行模式可以采用串行PROM编程FPGA;外设模式 可以将FPGA作为微处理器的外设，由微处理器对其编程。1.3 MAX+PLUSI IMAX+
