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1、音乐彩灯控制电路1、申请题目：音乐彩灯控制电路采用4X 4矩阵式键盘作为电子琴按键输入，用FPGA设计一个既可以区分不同音高和音阶进行乐曲的弹奏，又可以自动播放乐曲的音乐电路。同时，在播放音乐的同时，点阵板上的 彩灯会随着不同的音乐、 不同的音阶、 音调而出先不同的花型变化。 按键音符可以通过数码 管显示出来。2、项目规划：音乐演奏电路， 既有通过键盘自由弹奏， 又可以播放内存乐曲 （播放的乐曲由设计者自由编 辑，以简谱二进制码方式存放在 ROM 的数据文件中） 。彩灯显示电路，在音乐播放的同时，根据音乐节拍的不同，16 路彩灯进行各种花型的变化，彩灯的亮灭有多种不同的模式，可以根据八个拨码开
2、关来进行设计，进行自由组合搭配。 不同的音乐对应不同的彩灯模式，每种模式执行 16 拍后依次循环改变，当音乐停止时，彩 灯的变化也停止。设置启动、停止控制键，可以结束音乐的播放和彩灯变化。设置选择音乐播放键，共存储了 3 首音乐，可以通过选择键进行选择播放具体不同的音乐。设置了彩灯变化选择按钮， 有普通彩灯和动感彩灯两种方式进行选择， 可以通过按键进行选 择。设计采用音乐引入控制彩灯变化方式。用4X 4矩阵式键盘作为按键输入， 16X 16的LED点阵板作为彩灯输出。 可以通过按键选择弹奏乐曲和播放乐曲两种模式。 点阵板上彩灯的变 化随着乐曲的不同而进行不同的变化。在播放过程中可以按键进行系统
3、的停止和启动运行。 同时也可以通过扬声器将音乐播放出来。3、实现方案：问题 1：乐曲的发声原理组成乐曲的 2 个基本要素是每个音符的发声频率值和它持续的时间，可以利用程序控 制 FPGA 某个引脚输出一定频率的矩形波，便可以得到某个音符的音调，也可以再接上扬 声器之后， 就能发出相应频率的声音。同时， 若能控制每个音符的持续时间，也就控制了乐 曲的节奏， 因此只需要控制输出到引脚的信号频率的高低以及每个信号持续的时间长短，即可实现乐曲的产生。问题 2：音符的获得方法和乐曲节奏的控制 所有不同的频率信号都可以从同一个系统基准频率分频而来，可以通过预置不同频率 的音符信号， 通过系统基准频率值计算
4、得到分频系数， 提供给之后的节奏使用。 每个音符持 续的时间是乐曲能连续播放的另一个要素。设全音符的持续时间为1s,则2分音符的持续时间为0.5s, 4分音符的持续时间为 0.25s。如果采用1MHz的频率作为系统基准频率，则需要对1MHz信号进行250000次分频，得到4Hz信号作为一个4分音符的频率。对于其他 占用时间较长的节拍，则只需要将该音符连续输出相应遍数即可。问题3： 16路彩灯控制原理根据系统设计要求，整个模块分为控制彩灯节奏的输入信号和16个输出信号，分别用于控制十六路彩灯。利用状态机实现了 7种花型的变化，同时利用六十六位常数的设计，可方便地设置和修改花型。解决方案：1乐曲播
5、放功能设计根据乐曲发声的基本原理，乐曲播放模块的设计思路是通过1MHz时钟分频获得音符节拍频率，通过查音符频率表获得音符分频系数，作为音频分频模块分频的依据，将1MHz时钟频率分频获得合适的音符频率，输出至音频播放模块。节拍控制分频模块主要用于产生乐曲节拍，控制乐曲播放的节奏，1MHz的系统频率经过 250000次分频，可以得到 4分音符持续时间的频率。乐曲长度计数器在节拍控制频率信号的作用下进行乐曲音符的顺序计 数。乐曲模块中存放的是各个乐曲音符的分频值。音符分频器根据乐曲模块中存储的各个音符的分频系数来完成对 1MHz系统频率的分频，输出相应的音频信号。2乐曲弹奏功能设计根据乐曲弹奏的工作
6、原理，乐曲弹奏主要由键盘扫描模块、分频置数模块、音符分频 器、输出模块构成。其中，键盘扫描模块的设计思路是在系统时钟控制下循环给出键盘扫描 信号，然后根据扫描信号和对应的键盘响应信号确定键盘按键位置，再将相应的值送到下一个处理模块。这里采用列扫描方式，由FPGA输出键盘的列输入信号，采集键盘的行输出信号。键盘扫描模块可以采用状态机的设计方法，用四个状态完成对键盘的四列扫描，确定每一列的输入；第五个状态用于键值处理状态，根据扫描结果判断按键是音符输入还是高低音的选择，以及长时间无按键时停止音频输出，对长时间按同一键按一次键处理等。3.彩灯电路功能设计系统的工作原理是，通过时序控制电路根据输入信号
7、产生符合一定要求的、供显示控制电路使用的控制时钟信号，而显示控制电路则根据时序控制电路输入的控制时钟信号，输出六种花型循环变化的、控制十六路彩灯工作的控制信号，这些控制信号加上驱动电路一起控制彩灯工作。4、系统结构：系统结构框图：乐曲播放模块彩灯显示电路FPGA弹奏模块模块功能描述:根据设计要求，要求系统既可以播放乐曲，又可以弹奏乐曲，同时彩灯的变化都是随着 音乐的变化而显现不同的花型，可以通过设置一个功能选择键将两者分开。其中乐曲播放模块应包含节拍控制分频模块、音符频率输出模块、乐曲存储模块；乐曲弹奏模块应包含键盘 扫描模块、音符频率输出模块。还有一个彩灯显示模块。乐曲播放模块音频输岀乐曲播
8、放模块的设计思路是通过1MHz时钟分频得到音符节拍频率，通过查表方式获取音符节拍频率分频系数，作为音符分频器的依据，将1MHz时钟分频获得合适的音符频率，输出至音频输出。节拍控制分频模块主要用于产生乐曲节拍，控制乐曲的播放节奏。乐曲长度计数器在节拍控制频率信号的作用下进行乐曲音符的顺序计数。乐曲模块中存放的是乐曲各个音符的分频值。音符分频器根据乐曲模块中存储的各个音符的分频系数完成对1MHz系统频率的分频,输出相应的音频信号。乐曲弹奏模块和彩灯显示模块乐曲弹奏和彩灯显示主要有键盘扫描模块、分频系数模块、音符分频器和彩灯显示电路构成。其中，键盘扫描模块的设计思路是在系统时钟控制下循环给出键盘扫瞄
9、信号，然后根据扫描信号和对应键盘响应信号确定键盘按键位置，再将相应键值的段码输出。分频系数模块用于确定输入音符对应的分频数。音符分频器根据分频系数模块提供的分频系数完成对1MHz系统频率的分频，输出相应的频率信号。彩灯显示模块根据输入的信号，对应输出不同花型的彩灯信号。模块接口标注:EP1C3T144C8实验箱的输入输出的实际连线与管脚表输入输出名称芯片引脚号实验箱标注钉子线连接elk60P10无start42P24K16sel57P13K15elr59P11K14out so und58P12无sou nd053P17Led1sou nd154P16Led2sou nd255P15Led3K
10、Bcol031P35COL1KBcol161P9COL2KBcol262P8COL3KBcol332P34COL4KBrow036P30ROW1KBrow135P31ROW2KBrow234P32ROW3KBrow333P33ROW4Seg0120P60Seg1Seg1119P61Seg2Seg2114P62Seg3Seg3113P63Seg4RledO38P28Rl1Rled139P27Rl2Rled240P26Rl3Rled341P25Rl4Rled447P23Rl5Rled548P22Rl6Rled649P21Rl7Rled750P20Rl8Rled837P29Rl9Rled9123P5
11、7Rl10Rled10122P58Rl11Rled11121P59Rl12Rled1273P1Rl13Rled1372P2Rl14Rled1471P3Rl15Rled1570P4Rl16Gled069P5Gl1Gled168P6Gl2Gled267P7Gl3Gled3124P56Gl4Gled4125P55Gl5Gled5126P54Gl6Gled6127P53Gl7Gled7128P52Gl8Gled8129P51Gl9Gled9130P50Gl10Gled10131P49Gl11Gled11132P48Gl12Gled12133P47Gl13Gled13134P46Gl14Gled1413
12、5P45Gl15Gled15139P44Gl16Choose141P43K13Music0142P42K12Music1143P41K11Lr0无无K10Lr15无无K10Lr1无无K9Lr14无无K9Lr2无无K8Lr13无无K8Lr3无无K7Lr12无无K7Lr4无无K6Lr11无:无K6Lr5无无K5Lr10无无K5Lr6无无K4Lr9无无K4Lr7无无K3Lr8无无K35、状态流程图:系统工作状态流程6、各主要模块仿真结果波形各模块的仿真波形，详细注释输入输出功能端口1乐曲播放模块仿真电路设计中，系统时钟 elk采用1MHz的工作频率。为了便于观察仿真的结果，这里将节拍 控制分频模块4
13、分音符的分频数由250000暂时调整为16,循环播放3个音符，且这三个音符的分频系数一次为 2、4、8。仿真波形如下，从图中可以看出，节拍控制分频模块的4分音符频率输出clk_4Hz确为系统基准频率 elk的16分频，且在clk_4Hz信号节拍的控制下， out_sound依次输出为对elk的2分频、4分频和8分频信号。Ri hoJ)a1 i Rv*fluldf ?IH-k tu ：Lfl 虬旳 HInlfHTKil竺竺竺竺一竺竺竺皿 iw L itlE4Ubd e心mrr-：wiirijiiuinrr：KiiRrrrnnnnr7.nnnnrfininnriorrjimrr-niuiiirr-iiin.r7jnnnn.rrrinnn.rvjinnnnn n n_2I3I4S5I61X 1!；11 1 11 1 J-11 111_糾個 曲卩i纯i.p ih 辺.pm
