基于FPGA的音樂流水燈控制系統(tǒng)

　　摘要：

　　FPGA是現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列的簡(jiǎn)稱, 它既有門陣列器件的高度集成和通用性, 又有可編程邏輯器件用戶可編程的靈活性。通過 FPGA實(shí)現(xiàn)音樂流水燈的控制, 實(shí)質(zhì)上就是將不同音階與特定頻率的方波信號(hào)對(duì)應(yīng)起來, 以方波信號(hào)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出音樂, 再根據(jù)不同音階來控制流水燈的閃爍。與借助微處理器實(shí)現(xiàn)樂曲演奏相比, 以純硬件方式完成樂曲演奏電路更直觀。EDA工具和硬件描述語言發(fā)揮了強(qiáng)大功能,提供了設(shè)計(jì)可能性。

　　1、總體設(shè)計(jì)方案

　　音樂流水燈主要是點(diǎn)綴公共場(chǎng)合的裝飾品, 音樂的播放和流水燈有節(jié)奏地閃爍, 同時(shí)達(dá)到聽覺和視覺的完美結(jié)合, 成為構(gòu)成其必不可少的條件。要了解如何產(chǎn)生不同音階的音樂, 首先要對(duì)樂音的特性有所了解。樂音實(shí)際上是有固定頻率的信號(hào)。在樂曲的構(gòu)成中, 樂音的頻率和持續(xù)的時(shí)間是其構(gòu)成的要素。音階的頻率可以通過高頻時(shí)鐘進(jìn)行分頻得到。音頻的高低可以通過外部的 LED燈的閃爍來顯示, 這樣在音樂和流水燈的配合下可以使人產(chǎn)生強(qiáng)烈的節(jié)奏感。再輔以 LCD來顯示音階的高低長(zhǎng)短, 不懂樂理知識(shí)的人便可以直觀的看到不同音調(diào)對(duì)應(yīng)的音階。

　　總體設(shè)計(jì)要求如下:

　　( 1)分頻主要是通過一個(gè)可控分頻器實(shí)現(xiàn)的。采用時(shí)鐘的頻率越高, 分頻系數(shù)越大, 分頻后的音階頻率就越準(zhǔn)確。但同時(shí)由于分頻系數(shù)大使用的計(jì)數(shù)單元增加, 從而耗費(fèi)更多的硬件邏輯單元, 因此可以采取一個(gè)較為適中的時(shí)鐘頻率 12MH z 。

　　( 2)經(jīng)過分頻后的信號(hào)是一個(gè)脈寬極窄的時(shí)鐘信號(hào), 必須對(duì)其進(jìn)行脈沖寬度調(diào)整, 增大占空比, 才能有效地驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。在脈沖寬度調(diào)整時(shí)會(huì)對(duì)此信號(hào)再次二分頻, 所以在計(jì)算時(shí), 以樂音音階的二倍頻率去求取在特定時(shí)鐘信號(hào)下的分頻系數(shù), 以便在調(diào)整占空比后得到正確的音階頻率。

　　( 3)樂曲的頻率變化多端, 對(duì)應(yīng)的分頻系數(shù)也不斷變化, 因此需要將播放的樂曲的分頻系數(shù)事先存放在 ROM 中便于讀取。如果將分頻系數(shù)直接作為存儲(chǔ)碼存放在寄存器中, 勢(shì)必會(huì)占有更大的容量。因此在這里選取索引值來作為存儲(chǔ)碼以減小容量。

　　( 4)開發(fā)平臺(tái)上的 LED燈數(shù)量有限, 可以選用有規(guī)律的閃爍, 例如從左到右依次點(diǎn)亮、漸亮、漸滅等; 也可以用燈閃爍的多少來表示頻率的大小。本設(shè)計(jì)選用第二種。

　　圖 1為音樂流水燈控制系統(tǒng)的總原理框圖?？梢钥吹皆撓到y(tǒng)包含樂曲播放控制模塊, 流水燈控制模塊和 LCD顯示模塊 3個(gè)模塊。其中樂曲播放控制模塊分為樂譜播放控制模塊, 音階分頻模塊和音階頻率產(chǎn)生模塊。

圖1音樂流水燈控制系統(tǒng)的總體原理框圖

　　2、 模塊設(shè)計(jì)

　　2.1 、樂曲播放控制模塊

　　樂曲播放控制模塊的主要功能是在一定的時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)下將事先存儲(chǔ)在 ROM 里的樂譜所對(duì)應(yīng)的索引值依次輸出, 控制分頻, 并產(chǎn)生相應(yīng)的分頻信號(hào)頻率, 以此來控制蜂鳴器的發(fā)聲。

　　2.1.1、音階分頻器的設(shè)計(jì)

　　為了能夠在播放樂曲的同時(shí)顯示當(dāng)前音階, 用LED的位數(shù)來指示當(dāng)前音階的高低音。程序中的音階分頻系數(shù)通過索引值來進(jìn)行選取, 即在音樂播放過程中由樂譜存儲(chǔ)電路傳遞來的當(dāng)前音階的索引值。

　　2.1.2 、音階頻率產(chǎn)生的設(shè)計(jì)

　　音階頻率產(chǎn)生電路在獲取上面的音階索引值對(duì)應(yīng)的分頻系數(shù)后, 通過可控計(jì)數(shù)器進(jìn)行分頻。分頻電路中的計(jì)數(shù)器進(jìn)行減 1計(jì)數(shù), 計(jì)數(shù)器的進(jìn)位信號(hào)即為分頻信號(hào)。因?yàn)榇诵盘?hào)的脈沖寬度極小, 所以需要調(diào)整占空比才使外部驅(qū)動(dòng)電路提供足夠的驅(qū)動(dòng)蜂鳴器的功率, 而具體是對(duì)分頻信號(hào)再進(jìn)行二分頻實(shí)現(xiàn)的。

　　2.1.3、 樂譜播放控制模塊設(shè)計(jì)

　　音樂播放就是通過外部的 8 H z時(shí)鐘驅(qū)動(dòng), 內(nèi)部以計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)、產(chǎn)生地址, 送到 ROM 單元中作為存儲(chǔ)器地址, 將對(duì)應(yīng)地址的數(shù)據(jù) 音階索引值輸出。

　　在本設(shè)計(jì)中, 每個(gè)音的發(fā)出由另一個(gè) 8H z的時(shí)鐘信號(hào)來控制。樂譜中的 4分音符由 4個(gè)時(shí)鐘信號(hào)來驅(qū)動(dòng)。每個(gè)時(shí)鐘下, 其對(duì)應(yīng)的音階輸出以索引值的形式存儲(chǔ)在 ROM中。文中 ROM 的地址線為 10位, 數(shù)據(jù)線寬度為 4位。ROM 里存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)即各音節(jié)的索引值, 根據(jù)樂譜轉(zhuǎn)換的需要, 16個(gè)索引值即可滿足樂曲曲譜編寫的需求, 所以設(shè)置了 4位數(shù)據(jù)線。地址線的寬度主要取決于樂曲的長(zhǎng)度。本設(shè)計(jì)中用到了約520個(gè) 4 bit單元, 為了留有一定裕度, 將數(shù)據(jù)線寬度定義為 10位, 即 1 024個(gè) 4 b i t單元。其中不同的音階對(duì)應(yīng)的索引值如表 1所示。

表 1 音階索引表

　　按照樂譜, 將音階對(duì)應(yīng)的索引值連續(xù)地存儲(chǔ)到ROM中。例如, 樂譜上一個(gè) 4分音符的中音 3 , 在ROM存儲(chǔ)器中對(duì)應(yīng)的索引值是 10 , 并且連續(xù)放置 4次, 而一個(gè) 8分音符 5也就是半拍的 5 , 則是將對(duì)應(yīng)索引值 5在 ROM 中連續(xù)存放兩次。播放時(shí)在播放時(shí)鐘( 8H z )的驅(qū)動(dòng)下, 索引值不斷地從 ROM 輸出。索引值送到音階分頻模塊中, 轉(zhuǎn)換為計(jì)數(shù)初值輸出, 再送到音階分頻產(chǎn)生模塊中, 作為計(jì)數(shù)初值, 產(chǎn)生音階頻率輸出驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。這樣, 就能在蜂鳴器上發(fā)出要播放的樂曲了。確定了樂譜后, 即 ROM 的存儲(chǔ)內(nèi)容后, 就可以定制 ROM, 將其初始化文件指定為mif文件即可。

　　2.2、流水燈控制模塊設(shè)計(jì)

　　由于此設(shè)計(jì)是基于 DE2
70開發(fā)板之上的, 因此將對(duì)應(yīng)的音階輸出, 應(yīng)用 LED燈來顯示流水燈閃爍效果。根據(jù)音調(diào)"hight"的高低設(shè)置點(diǎn)亮燈的數(shù)量,當(dāng)"hight "為低時(shí)播放低音信號(hào), 為高時(shí)播放中音信號(hào)。如果要用到高音信號(hào)可以將! hight!長(zhǎng)度改為 2bit 。選取板上的 oLEDR [ 6..0]前 7盞燈與低音信號(hào)對(duì)應(yīng), oLEDR[ 13..7]與中音信號(hào)對(duì)應(yīng)。在本設(shè)計(jì)中,為了看到明顯的流水燈變化, 當(dāng)發(fā)出中音音頻時(shí)低音顯示燈全亮。

　　2.3、 LCD顯示模塊設(shè)計(jì)

　　首先需要在 SOPC Builder中構(gòu)建 SOPC系統(tǒng), 按要求依次添加 NiosII處理器, 4 kB的片上 RAM, LCD模塊, 4位輸入口, 給處理器分配復(fù)位向量地址和異常向量地址。

　　LCD顯示模塊用來實(shí)現(xiàn)樂譜和音頻強(qiáng)度的實(shí)時(shí)顯示, 可以顯示 16 ? 2個(gè)字符, 其軟件流程如圖 2所示。

圖 2 LCD軟件流程圖

　　其中 LCD初始化包括對(duì) LCD的功能設(shè)置, 顯示開關(guān)設(shè)置和模式設(shè)置。LCD定位到首行首列是通過對(duì)LCD寫定位指令, 將顯示位置確定到第一行第一列。寫字符" jian pu"到第一行是通過寫數(shù)據(jù)指令將字符jian pu : 和實(shí)時(shí)變化的樂譜顯示在液晶屏的第一行。

　　低、中、高音分別用 L、M、H表示并且加上對(duì)應(yīng)的音階值進(jìn)行顯示。LCD顯示換行是通過定位指令來實(shí)現(xiàn)的。顯示音頻強(qiáng)度到第二行是用符號(hào)# > !的個(gè)數(shù)表示音調(diào)的高低, 一個(gè)表示低音 1 , 兩個(gè)表示低音 2 ,依次類推。

　　在對(duì) LCD模塊進(jìn)行顯示控制時(shí), 用到了寫控制命令和寫數(shù)據(jù)命令。這些命令是針對(duì)具體配置的硬件電路而編寫的 .h頭文件。LCD模塊的頭文件如下：

　　#definelcd_write_cmd(base,data)

　　IOWR(base,0,data)

　　#definelcd_read_cmd(base)

　　IORD(base,1)

　　#definelcd_write_data(base,data)

　　IOWR(base,2,data)

　　#definelcd_read_data(base)

　　IORD(base,3)

　　這樣編寫是為了和具體的硬件電路相對(duì)應(yīng), 在LCD模塊的硬件描述語言中, 液晶模塊 RW 和 RS的地址分配如下:

　　assi gn LCD_ RW = address[ 0]

　　assi gn LCD_ RS = address[ 1]

　　其中 RS信號(hào)是命令與數(shù)據(jù)線, 高電平表示目前數(shù)據(jù)線上交換的是數(shù)據(jù), 低電平表示目前數(shù)據(jù)線上交換的是命令。液晶模塊根據(jù)這個(gè)信號(hào)做出正確的響應(yīng)。RW 是電平信號(hào), 高電平表示對(duì)液晶模塊執(zhí)行讀取操作, 低電平表示對(duì)液晶模塊寫入數(shù)據(jù)或命令。這樣便可以確定各讀寫操作對(duì)應(yīng)于基地址的偏移量。

　　3、 頂層設(shè)計(jì)和驗(yàn)證

　　系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì)就是將各個(gè)底層功能模塊例化,在頂層調(diào)用, 進(jìn)行正確的連接, 構(gòu)成最后的系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)的硬件電路如圖 3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件電路

　　至此, 一個(gè)硬件音樂流水燈電路就完成了。外部提供兩路時(shí)鐘信號(hào)( 12MH z和 8 Hz) , 再將樂曲輸出端連接到帶有驅(qū)動(dòng)裝置的蜂鳴器或揚(yáng)聲器上, 就可以欣賞所添加的樂曲了。若硬件設(shè)計(jì)上只有一路時(shí)鐘信號(hào)輸入, 可在 FPGA 內(nèi)部設(shè)計(jì)分頻器, 將其分頻到8H z 再使用, 還可以在此基礎(chǔ)上更改。另外還可以在一個(gè) ROM 種存儲(chǔ)多首樂曲, 通過按鍵選擇播放樂曲。

　　3、 結(jié)束語

　　文中在 FPGA芯片上, 利用 VHDL語言設(shè)計(jì)了功能強(qiáng)大的 32位 ALU。由于 ALU是 CP U的重要組成部分, 各類系統(tǒng)中都不可避免地需要 ALU, 因此本設(shè)計(jì)的應(yīng)用泛圍較廣。