乐曲硬件演奏电路的设计

时间：2022-10-10 百科知识版权反馈

【摘要】：硬件演奏电路分为三个模块，音乐节拍发生器NoteTabs模块，音符译码电路Tonetaba模块，数控分频模块Speaker。二进制计数器的位数将根据所存放的乐曲简谱的基本节拍数决定。乐曲“梁祝”片段最小节拍数为138，选择计数器的位数为8。其VHDL源程序如例7．37所示。音符的频率由数控分频模块获得，这是一个数控分频电路，由一个初值可变的加法计数器构成，该计数器的模为2047。这就是利用数控分频器自动演奏音乐的原理。

7．8．3　乐曲硬件演奏电路的设计

硬件演奏电路分为三个模块，音乐节拍发生器NoteTabs模块，音符译码电路Tonetaba模块，数控分频模块Speaker。

1)音乐节拍发生器NoteTabs

该模块利用FPGA的片内ROM存放乐曲简谱真值表，有一个二进制计数器为乐曲数据存储其ROM的地址发生器。该计数器的计数频率为4 Hz，随着NoteTabs中的计数器按4 Hz的时钟频率做加法计数，即随地址值递增，乐曲数据存储器ROM中的音符数据从ROM的输出端向音符译码电路Tonetaba输入，所存储乐曲就开始连续自然地演奏起来。二进制计数器的位数将根据所存放的乐曲简谱的基本节拍数决定。乐曲“梁祝”片段最小节拍数为138，选择计数器的位数为8。

(1)定制音符数据存储器music1

利用MegaWizard Plug－In Manager定制音符数据存储器。进入MAX+plus II，在菜单栏中选择“File”→“MegaWizard Plug－In Manager”命令，启动兆功能模块制作向导;选择“Create a new custom megafunction variation”，单击“Next”按钮，在出现的对话框中选择“VHDL”语言方式;双击storage，单击下拉栏中的LPM_ROM，然后在Browse栏中选择存储路径并键入文件名music1。在后续的对话框中选择数据位宽为8，地址位宽为8，完成music1的定制。其VHDL源程序如例7．37所示。

【例7．37】

(2)定制ROM模块的初始化数据文件

用初始化存储器编辑mif文件。打开仿真窗口Simulator，选择“Initialize”菜单中“Initialize Memory”选项，在表格中将“梁祝”片段的音符数据(共138个)以十进制数形式输入表中，如图7．27所示。

图7．27　数据存储器music1的初始化数据文件内容

(3)音乐节拍发生器设计

音乐节拍发生器的源程序见例7．38。

【例7．38】

例7．38的仿真波形如图7．28所示。程序的功能是每到来一个时钟信号，地址值递增1，并将这个地址上所存储的音符数据输出。从图中可以看到，当clk第一个时钟脉冲到达时，输出相应地址上的音符3，地址值递增1;接下来的三个时钟脉冲到来时，输出也是音符3，地址连续递增3次;第4个脉冲来时，输出为音符5，这些都符合模块音符数据文件中的地址/数据表。

图7．28　音乐节拍发生器仿真波形

2)音符译码电路

音符译码电路(音调发生器)实际上是一个查表电路，它提供了每个音符所对应的分频预置数，即给数控分频模块提供计数初值。这里以“梁祝”乐曲为例，列出了在这个乐曲中所用到的13个音符的分频预置数;每一音符的停留时间由音乐节拍发生器模块的时钟(clk)的输入频率决定，在此为4 Hz;这13个值的输出由例7．39的4位输入值Index［3．．0］确定。

【例7．39】

例7．39的仿真波形如图7．29所示。从仿真波形图可以看到，当Index是"0000"，Tone输出为2047，即休止符的分频预置数;当Index是"0101"时，Tone输出为1197，即低音5的分频预置数;当Index是"1001"时，Tone输出为1480，即中音2的分频预置数;当Index为其他状态时，Tone分别输出相应音符的分频预置数。这个仿真波形图证明程序实现了模块的功能。

图7．29　音符译码电路仿真波形

3)数控分频模块设计

音符的频率由数控分频模块获得，这是一个数控分频电路，由一个初值可变的加法计数器构成，该计数器的模为2047。当计数器计满时，计数器产生一个溢出信号，此溢出信号就是用作发音的频率信号。在计数器的输入端给定不同的初值(见表7．2)，就可得到不同音符的发音频率信号。计满时所需要的计数初值由下式可得:

计数初值(Tone)=2047－分频系数

低音时Tone值小，分频系数大，溢出信号周期长，扬声器发出的声音低，Tone随音乐的乐谱变化大，自动控制分频比实现了数控分频，发声信号的频率与音调Tone成正比。这就是利用数控分频器自动演奏音乐的原理。

数控分频模块的时钟端(clk)输入的是对12 MHz的信号进行十六分频得到的750 KHz信号，再根据分频预置数模块中所提供的计数初值，分别得出相应音符频率的两倍值。此时从数控分频器中出来的输出信号是脉宽极窄的脉冲式信号，为了能驱动扬声器，在音调输出时进行二分频，这就是相应音符的频率。数控分频模块中clk输入信号的分频比由11位预置数Tone［10．．0］决定;SpkS的输出频率决定每一个音符的音调，这样，分频计数器的预置值Tone［10．．0］与SpkS的输出频率就有了对应关系。例如在分频预置数模块中取Tone ［10．．0］=1036，将输出音符为“3”的信号频率。程序如例7．40所示。

【例7．40】