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1、 信息工程学院2014 / 2015学年第 二 学期课程设计报告题 目：基于FPGA的音乐硬件演奏电路设计 课 程 名 称 FPGA系统开发 班 级 学 号 23/15/16 学 生 姓 名 刘嘉颖/李滢/陈领指 导 教 师 王 栋 2015年7月3日课程设计报告任务书学 号136105011537951361010515119113610108151852姓名刘嘉颖/李滢/陈领专业电子信息工程设计题目基于FPGA的音乐硬件演奏电路设计设计技术要求这是一种运用纯硬件实现乐曲播放的电路，比运用微处理器实现乐曲播放更加复杂。它运用了强大功能的EDA工具FPGA和硬件描述语言VHDL。本设计以歌曲妈
2、妈的吻来实现乐曲播放电路的功能。1顺序播放乐曲功能：当电路开始工作时，如果存储器中有多首乐曲，那么演奏电路将从头到尾顺序播放这些乐曲。2循环播放乐曲功能：当演奏完后一首乐曲时，将自动返回到第一首歌曲开始播放，反复不止，直到关闭电源电路停止工作为止。3乐曲简谱显示功能：当演奏电路播放乐曲时，能够将当前播放的音符通过一列发光二极管以二进制的形式予以显示。4乐曲高音显示功能：如果电路正在播放高音音符，那么将有一个发光二极管点亮来显示。5音量大小可调功能：运用EDA实验箱上的数字功率放大器LM386N，对数控分频器输出的音频信号予以处理，输出大小连续可调的音频信号到扬声器。设计要求1本次设计在EDA开
3、发平台QUARTUS II 9.0上利用VHDL语言设计数控分频器电路，利用数控分频的原理设计音乐硬件演奏电路，并定制LPM-ROM存储音乐数据，以“梁祝”和“月亮代表我的心”两首乐曲为例，将音乐数据存储到LPM-ROM，就达到了以纯硬件的手段来实现乐曲的演奏效果。只要修改LPM-ROM所存储的音乐数据，将其换成其他乐曲的音乐数据，再重新定制LPM-ROM，连接到程序中就可以实现其它乐曲的演奏。2认真完成本课程设计报告，确保报告的完整性，按时提交，不得抄袭他人成果。参考文献1 康华光,陈大钦.电子技术基础数字部分（第四版）M.高等教育出版社,1987:45-59.2 潘松.EDA技术实用教程M
4、.北京:科学教育出版社,2006:2-38.3 卢毅编著.VHDL与数字电路设计M.北京.科技大学出版,2001:38-40.4 侯佰亨,顾新编著.VHDL硬件描述语言与实际应用M.西安.西安电子科社,2000:269-280.5 谢自美.电子线路设计（第二版）M.华中科技大学出版社,2000:130-135.6 王金明.数字系统设计与verilog HDL（第四版) M.电子工业出版社,2011:264-270.课程设计报告成绩姓名: 刘嘉颖/李滢/陈领 学号：23/15/16 专业: 电子信息工程 课程设计题目： 基于FPGA音乐硬件演奏系统设计 指导教师评语：成绩：指导教师：年 月 日摘
5、 要数据采集系统是信号与信息处理系统中不可缺少的重要组成部分，同时也是软件无线电系统中的核心模块，在现代雷达系统以及无线基站系统中的应用越来越广泛。其中FPGA作为本系统的控制核心和传输桥梁，发挥了极其重要的作用。通过FPGA不仅完成了系统中全部数字电路部分的设计，并且使系统具有了较高的可适应性、可扩展性和可调试性。FPGA是近年来广泛应用的超大规模、超高速的可编程逻辑器件，由于其具有高集成度、高速、可编程等优点，大大推动了数字系统设计的单片化、自动化，缩短了单片数字系统的设计周期、提高了设计的灵活性和可靠性，在超高速信号处理和实时测控方面有非常广泛的应用。本文对FPGA的数据采集与处理技术进
6、行研究，基于FPGA在数据采样控制和信号处理方面的高性能和单片系统发展的新热点，把FPGA作为整个数据采集与处理系统的控制核心。关键词：FPGA，采集和控制，单片机，电路板，VHDL目 录第一章 绪论11.1引言11.2EDA简介11.3 FPGA简介11.4 VHDL语言简介21.5 Quartus II简介31.6 数据采集技术简介3第二章 总体设计52.1 硬件设计52.1.1 线性电源模块52.1.2 数据采集模块52.1.3 数据输出模块82.1.4 按键控制模块112.2 软件设计122.2.1 ADCINT设计122.2.2 CNT10B设计122.2.3 RAM8设计132.2
7、.4时钟控制设计132.2.5系统顶层设计15第三章 系统软硬件调试16结论18致谢18参考文献19附录20第一章 绪论1.1 引言随着计算机技术的飞速发展和普及，数据采集系统也迅速地得到应用。在生产过程中，应用这一系统可对生产现场的工艺参数进行采集、监视和记录，为提高产品质量、降低成本提供信息和手段。在科学研究中，应用数据采集系统可获得大量的动态信息，是研究瞬间物理过程的有力工具，也是获取科学奥秘的重要手段之一。随着技术的发展，各种各样基于数字化的产品不断推陈出新，给我们的生活带来了极大的好处。数字化之所以能如此得到广泛拓展开来，其主要在于以下两个优点：1、数字处理灵活、方便。在软件无线电领
8、域，正在构建个较通用的平台，通过软件来实现现在许多“僵化”硬件平台的功能。这正是基于数字化带来的灵活性。2、数字系统稳定可靠。在早期，较之模拟系统，数字系统的最优点就在于有良好的稳定性。1.2 EDA简介EDA是电子设计自动化（ElectrONic Design AUTOMATION）的缩写，在20世纪90年代初从计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）的概念发展而来的。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HDL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，
9、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。1.3 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。FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable L
10、ogic Block）、输出输入模块IOB（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ASIC电路的中试样片。3）FPGA内部有丰富的触发器和IO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。目前FPGA的品种很多，有XILINX的XC系列、
11、TI公司的TPC系列、ALTERA公司的FIEX系列等。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恢复成白片，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。FP
12、GA有多种配置模式：并行主模式为一片FPGA加一片EPROM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。1.4 VHDL语言简介VHDL 的英文全名是VHSIC Hardware Description Language(VHSIC硬件描述语言)。VHSIC是Very High Speed Integrated Circuit的缩写，是20世纪80年代在美国国防部的资助下始创的，并最终导致了VHDL语言的出现。1987 年底，VHDL被 IEEE 和美国国防部确认为标准硬件描述语言
13、。VHDL主要用于描述数字系统的结构，行为，功能和接口。除了含有许多具有硬件特征的语句外，VHDL的语言形式和描述风格与句法是十分类似于一般的计算机高级语言。VHDL的程序结构特点是将一项工程设计，或称设计实体（可以是一个元件，一个电路模块或一个系统）分成外部（或称可视部分，及端口）和内部（或称不可视部分），既涉及实体的内部功能和算法完成部分。在对一个设计实体定义了外部界面后，一旦其内部开发完成后，其他的设计就可以直接调用这个实体。这种将设计实体分成内外部分的概念是VHDL系统设计的基本点1.5 Quartus II简介Quartus II可以在XP、Linux以及Unix上使用，除了可以使用
14、Tcl脚本完成设计流程外，提供了完善的用户图形界面设计方式。具有运行速度快，界面统一，功能集中，易学易用等特点。Quartus II支持Altera的IP核，包含了LPM/MegaFunction宏功能模块库，使用户可以充分利用成熟的模块，简化了设计的复杂性、加快了设计速度。对第三方EDA工具的良好支持也使用户可以在设计流程的各个阶段使用熟悉的第三方EDA工具。此外，Quartus II 通过和DSP Builder工具与Matlab/Simulink相结合，可以方便地实现各种DSP应用系统；支持Altera的片上可编程系统（SOPC）开发，集系统级设计、嵌入式软件开发、可编程逻辑设计于一体，是一种综合性的开发平台。QuartusII图标Maxplus II 作为Altera的上一代PLD设计软件，由于其出色的易用性而得到了广泛的应用。目前Altera已经停止了对Maxplus II 的更新支持，Quartus II 与之相比不仅仅是支持器件类型的丰富和图形界面的改变。Altera在Quartus II 中包含了许多诸如SignalTap II、Chip Editor和RTL Viewer的设计辅助工具，集成了SOPC和HardCopy设计流程，并且继
