一、任务解析:
以前用51单片机制作了一个可演奏的电子琴,学习了EDA技术之后,感觉FPGA与单片机有许多类似的地方。于是,启发我用FPGA做一个可随意演奏的音乐播放器。设计低、中、高21个音,几乎能够实现一般歌曲的演奏。要实现该功能,就必须考虑到一首歌曲的产生应该考虑的两个因素:音符的产生频率和音的节拍(即声音持续的时间)。只要控制输出到扬声器的激励信号频率的高低和持续的时间,就可以使扬声器发声产生优美的歌曲。
二、方案论证:
1、音调的控制:
频率的高低决定了音调的高低。通过查阅资料,得到下面的音符名与频率的关系表:
分频比预置数的计算:
分频比就是从6Mhz基准频率通过二分频得到的3Mhz频率基础上计算得到的。对于乐曲中的休止符,只需将其分频系数设为0,将分频预置数设为16383即可。例如:低音3的频率为330hz,分频比为3M/330hz=3000000/330=9091,则其分频预置数为:16383-9091=7292。其他的音符对应的分频比和分频比预置数均按此法计算可得到。依次计算出低、中、高3X7=21个音的预置数。
各音阶对应的预置数如下表:
2、音长的控制:
音符的持续时间必须根据乐曲的速度及每个音符的节拍数来确定。本试验中,设定最短的音符为4分音符,若将全音符的持续时间设为1s的话,则需要提供一个4Hz的时钟频率即可产生4分音符的时间,每1/4个节拍的时间为0.25s,一个完整的节拍为1s。
以上即为音乐播放器的原理框图。控制音调通过设置计数器的预置数来实现,预置不同的数可以使计数器产生不同频率的信号,从而产生不同的音调。控制音长则是通过控制计数器预置数的停留时间来实现的,预置数停留的时间越长,则该音符演奏的时间越长。每个音符的演奏时间都是0.25s的整数倍,对于节拍较长的音符,例如2分音符,占了2/4个节拍,在记谱的时候将其连续记录2次即可。
三、实验步骤:
1、分频产生6Mz的基准频率:
module div_clk6mhz(clk24m,clk6m);
input clk24m;
output clk6m;
reg clk6m;
reg cnt;
always @(posedge clk24m)
if(cnt<1)cnt=cnt+1; //(24m/6m=4分频,cnt<[4/2-1=1]即可)
else begin cnt=0;clk6m=!clk6m;end
endmodule
由于此分频电路简单,就不在这里给出仿真波形了。
2、分频产生4hz的节拍控制频率:
module div_clk4hz(clk24m,clk4);
input clk24m;
output clk4;
reg clk4;
reg [21:0]cnt;
always @(posedge clk24m)
if(cnt<2999999)cnt=cnt+1;//(24m/4hz=6000000,cnt<[6000000/2-1=2999999])
else begin cnt=0;clk4=!clk4;end
endmodule
此分频电路也很简单,就不在这里给出仿真波形了。
3、乐曲产生模块:
核心模块就在这里,这里:(1)首先罗列了低、中、高21个音的分频比预置数(还有休止符的预置数16383),通过6Mhz的基准频率,在其上升沿的时候,计数器累加,当计满到16383之后就取反speaker(speaker<=~speaker非阻塞赋值),产生对应音符的频率,这里和单片机的定时计数器溢出中断差不多。
(2)产生了21个音调之后,我们要产生流畅的歌曲,还必须根据歌曲的谱子,调用相应音符并且根据节拍控制其持续的时间,例如:若一个音持续4个1/4节拍,则在clk_4hz的上升沿,连续调用4次它的音符就可以了。用counter来计数,计满了(何时计满取决于歌曲长度)就将counter返回为0,这样就可以实现循环演奏了。代码如下:
module song(clk_6mhz,clk_4hz,speaker);
input clk_6mhz,clk_4hz;
output speaker;
reg [3:0]high,med,low;
reg [13:0]divider,origin;
reg [7:0]counter;
reg speaker;
wire carry;
assign carry=(divider==16383);
always @(posedge clk_6mhz)
begin if(carry)divider<=origin;
else divider<=divider+1;
end
always @(posedge carry)
begin speaker<=~speaker;end
always @(posedge clk_4hz)
begin
case({high,med,low})
'b000000000001:origin<=4933;
'b000000000010:origin<=6179;
'b000000000011:origin<=7292;
'b000000000100:origin<=7787;
'b000000000101:origin<=8730;
'b000000000110:origin<=9565;
'b000000000111:origin<=10310;
'b000000010000:origin<=10647;
'b000000100000:origin<=11272;
'b000000110000:origin<=11831;
'b000001000000:origin<=12085;
'b000001010000:origin<=12556;
'b000001100000:origin<=12974;
'b000001110000:origin<=13347;
'b000100000000:origin<=13515;
'b001000000000:origin<=13830;
'b001100000000:origin<=14107;
'b010000000000:origin<=14236;
'b010100000000:origin<=14470;
'b011000000000:origin<=14678;
'b011100000000:origin<=14858;
'b000000000000:origin<=16383;
endcase
end
always @(posedge clk_4hz)
begin
if(counter==113)counter<=0;
else counter=counter+1;
case(counter)
0: {high,med,low}<='b000000000101;
1: {high,med,low}<='b000000000101;//
2: {high,med,low}<='b000000000110;
3: {high,med,low}<='b000000000110;//
4: {high,med,low}<='b000000000101;
5: {high,med,low}<='b000000000101;//
6: {high,med,low}<='b000100000000;
7: {high,med,low}<='b000100000000;//
8: {high,med,low}<='b000001110000;
9: {high,med,low}<='b000001110000;
10:{high,med,low}<='b000001110000;
11:{high,med,low}<='b000001110000;//
12:{high,med,low}<='b000001010000;
13:{high,med,low}<='b000001010000;//
14:{high,med,low}<='b000001100000;
15:{high,med,low}<='b000001100000;//
16:{high,med,low}<='b000001010000;
17:{high,med,low}<='b000001010000;//
18:{high,med,low}<='b001000000000;
19:{high,med,low}<='b001000000000;//
20:{high,med,low}<='b000100000000;
21:{high,med,low}<='b000100000000;
22:{high,med,low}<='b000100000000;
23:{high,med,low}<='b000100000000;//
24:{high,med,low}<='b000001010000;
25:{high,med,low}<='b000001010000;//
26:{high,med,low}<='b010100000000;
27:{high,med,low}<='b010100000000;//
28:{high,med,low}<='b001100000000;
29:{high,med,low}<='b001100000000;//
30:{high,med,low}<='b000100000000;
31:{high,med,low}<='b000100000000;//
32:{high,med,low}<='b000001110000;
33:{high,med,low}<='b000001110000;//
34:{high,med,low}<='b011000000000;
35:{high,med,low}<='b011000000000;//
36:{high,med,low}<='b010000000000;
37:{high,med,low}<='b010000000000;//
38:{high,med,low}<='b001100000000;
39:{high,med,low}<='b001100000000;//
40:{high,med,low}<='b000100000000;
41:{high,med,low}<='b000100000000;//
42:{high,med,low}<='b001000000000;
43:{high,med,low}<='b001000000000;//
44:{high,med,low}<='b000100000000;
45:{high,med,low}<='b000100000000;
46:{high,med,low}<='b000100000000;
47:{high,med,low}<='b000100000000;
48:{high,med,low}<='b000100000000;
49:{high,med,low}<='b000100000000;///////祝你生日快乐,完毕。
50: {high,med,low}<='b000000000011;/////////梁祝,开始
51: {high,med,low}<='b000000000011;
52: {high,med,low}<='b000000000011;
53: {high,med,low}<='b000000000011;
54: {high,med,low}<='b000000000101;
55: {high,med,low}<='b000000000101;
56: {high,med,low}<='b000000000101;
57: {high,med,low}<='b000000000110;
58: {high,med,low}<='b000000010000;
59: {high,med,low}<='b000000010000;
60:{high,med,low}<='b000000010000;
61:{high,med,low}<='b000000100000;
62:{high,med,low}<='b000000000110;
63:{high,med,low}<='b000000010000;
64:{high,med,low}<='b000000000101;
65:{high,med,low}<='b000000000101;
66:{high,med,low}<='b000001010000;
67:{high,med,low}<='b000001010000;
68:{high,med,low}<='b000001010000;
69:{high,med,low}<='b000100000000;
70:{high,med,low}<='b000001100000;
71:{high,med,low}<='b000001010000;
72:{high,med,low}<='b000000110000;
73:{high,med,low}<='b000001010000;
74:{high,med,low}<='b000000100000;
75:{high,med,low}<='b000000100000;
76:{high,med,low}<='b000000100000;
77:{high,med,low}<='b000000100000;
78:{high,med,low}<='b000000100000;
79:{high,med,low}<='b000000100000;
80:{high,med,low}<='b000000100000;
81:{high,med,low}<='b000000100000;
82:{high,med,low}<='b000000100000;
83:{high,med,low}<='b000000100000;
84:{high,med,low}<='b000000100000;
85:{high,med,low}<='b000000110000;
86:{high,med,low}<='b000000000111;
87:{high,med,low}<='b000000000111;
88:{high,med,low}<='b000000000110;
89:{high,med,low}<='b000000000110;
90:{high,med,low}<='b000000000101;
91:{high,med,low}<='b000000000101;
92:{high,med,low}<='b000000000101;
93:{high,med,low}<='b000000000110;
94:{high,med,low}<='b000000010000;
95:{high,med,low}<='b000000010000;
96:{high,med,low}<='b000000100000;
97:{high,med,low}<='b000000100000;
98:{high,med,low}<='b000000000011;
99:{high,med,low}<='b000000000011;
100:{high,med,low}<='b000000010000;
101:{high,med,low}<='b000000010000;
102:{high,med,low}<='b000000000110;
103:{high,med,low}<='b000000000101;
104:{high,med,low}<='b000000000110;
105:{high,med,low}<='b000000010000;
106:{high,med,low}<='b000000000101;
107:{high,med,low}<='b000000000101;
108:{high,med,low}<='b000000000101;
109:{high,med,low}<='b000000000101;
110:{high,med,low}<='b000000000101;
111:{high,med,low}<='b000000000101;
112:{high,med,low}<='b000000000101;
113:{high,med,low}<='b000000000101;
endcase
end
endmodule
4、三个模块都完成之后,生成相应的电路原理图,并连接起来,组成一个完整的音乐播放器电路,如下:
5、完成以上步骤之后,分配引脚到试验箱上的芯片,连接好引脚到扬声器等,并且接好相应的短路帽。然后烧写程序到芯片中去,测试音乐播放器是否可以产生预期已经谱好了曲子的歌曲。经过硬件测试,能够产生《梁祝》和《祝你生日快乐》,在这里我只写了2首简单的歌曲。
四、实验分析
1、所有不同频率的信号都是从同一个基准频率分频得到。由于音阶频率多为分整数,而分频比又不能为小数,故必须将计算得到的分频数四舍五入取整。如果基准频率过低,则如果分频比太小,四舍五入取整后的误差较大。若基准频率过高,虽然误差小,但分频数将会变大。设计时,综合考虑,在尽量减小频率误差的前提下取合适的基准频率。我在这里就选取了6Mhz的时钟频率。
2、由于最大分频预置数为16383(休止符),2的14次方=16384>16383,故只需取14bit即可,14位的二进制计数器可满足要求。分频比都是从6Mhz频率二分频得到3Mhz频率基础上计算得到。
3、如何分频得到想要的频率?总结了下,如果想由已知频率得到N分频的频率,计数器count<(N/2-1)为分界线,将要得到的频率在分界线处取反即可。
比如:上面要从24Mhz得到4hz的频率,N=24000000/4=6000000,则cnt<(6000000/2-1)即cnt<2999999即可。
五、实验总结;
其实,音乐播放器用FPGA来实现是很简单的。核心部分就是抓住了乐曲的两个要点:音调的控制和音长的控制。因此,涉及到两个频率,一个用来控制产生相应的音调,一个是用来控制该音调持续的时间(即节拍)。我做的这个简易音乐播放器,硬件电路也很简单。其实,可以做的完善和人性化一点,因为声音不只21个音,还有升半调#和降调b,可以加些按键控制,选中某一首歌曲播放。或者还可以通过按键调整模式,可以有自己弹奏乐曲的模式,和音乐自动播放模式,两种模式进行切换。
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