基于FPGA的音乐播放器设计1

其实只要将该音符连续书写三遍，这时系统读乐曲文件的时候就会连续读到三次，也就会发三个0.25秒的音长，这时我们听上去就会持续了三拍的时间，通过这样一个简单的操作就可以控制音乐的音长了。 2.2 系统结构

本系统主要由三个功能模块组成：NOTETABS.VHD，TONETABA.VHD和 SPEAKER.VHD。第一部分NOTETABS，地址发生器，实现按节拍读乐谱的功能；第二部分TONETABA，查表电路，为SPEAKER提供分频预置数，实现乐曲译码输出CODE[4：0]；第三部分SPEAKERA，产生发音频率，实现乐曲播放；其结构如图2.1所示。

图2.1 乐曲播放电路结构方框图

第三章 各模块设计与仿真

3.1 定制音符数据

3.1.1定制音符数据ROM的mif文件

为了实现乐曲的播放，首先需要将曲谱定制到音符数据ROM里面，然后才能按照一定的节拍从ROM中读出曲谱。以下定制的是《梁祝》与《欢乐颂》的mif 文件（《梁祝》与《欢乐颂》的简谱见附录E、F）。

WIDTH=5; DEPTH=256; ADDRESS_RADIX=DEC; DATA_RADIX=DEC;

CONTENT BEGIN――注意：实用文件中是展开以下数据的，每一组占一行； 00:3;01:3;02:3;03:3;04:5;05:5;06:5;07:6;08:8;09:8;10:8;11:9;12:6;

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13:8;14:5;15:5;16:12;17:12;18:12;19:15;20:13;21:12;22:10;23:12; 24:9;25:9;26:9;27:9;28:9;29:9;30:9;31:0;32:9;33:9;34:9;35:10;36:7; 37:7;38:6;39:6;40:5;41:5;42:5;43:6;44:8;45:8;46:9;47:9;48:3;49:3; 50:8;51:8;52:6;53:5;54:6;55:8;56:5;57:5;58:5;59:5;60:5;61:5;62:5; 63:5;64:10;65:10;66:10;67:12;68:7;69:7;70:9;71:9;72:6;73:8;74:5; 75:5;76:5;77:5;78:5;79:5;80:3;81:5;82:3;83:3;84:5;85:6;86:7;87:9; 88:6;89:6;90:6;91:6;92:6;93:6;94:5;95:6;96:8;97:8;98:8;99:9;100:12 101:12;102:12;103:10;104:9;105:9;106:10;107:9;108:8;109:8;110:6; 111:5;112:3;113:3;114:3;115:3;116:8;117:8;118:8;119:8;120:6;121:8; 122:6;123:5;124:3;125:5;126:6;127:8;128:5;129:5; 130:10;131:10; 132:10;133:10;134:11;135:11;136:12;137:12;138:12;139:12;140:11; 141:11;142:10;143:10;144:9;145:9;146:8;147:8;148:8;149:8;150:9; 151:9;152:10;153:10;154:10;155:10;156:10;157:9;158:9;159:9;160:9; 161:9;162:10;163:10;164:10;165:10;166:11;167:11;168:12;169:12; 170:12;171:12;172:11;173:11;174:10;175:10;176:9;177:9;178:8;179:8; 180:8;181:8;182:9;183:9;184:10;185:10;186:9;187:9;188:9;189:8;190:8; 191:8;192:8;193:8;194:9;195:9;196:9;197:9;198:10;199:10;200:8;201:8; 202:9;203:9;204:10;205:11;206:10;207:10;208:8;209:8;210:9;211:9; 212:10;213:11;214:10;215:10;216:8;217:8;218:8;219:8;220:9;221:9; 222:5;223:5;224:10;225:10;226:10;227:10;228:10;229:10;230:11;231:11; 232:12;233:12;234:12;235:12;236:11;237:11;238:10;239:10;240:9;241:9; 242:8;243:8;244:8;245:8;246:9;247:9;248:10;249:10;250:9;251:9;252:9; 253:8;254:8;255:8; END;

其中WIDTH=5，表示数据输出位宽为5；DEPTH=256，表示共有256个5位数据点;ADDRESS-RADIX=DEC，表示地址信号用十进制；DATA-RADIX=DEC，表示输出数据是十进制数。

形成ROM中的配置数据（初始化数据）文件的方法如下：在MAX+PLUSⅡ中编辑.mif文件。首先在File菜单下的New菜单上选择Text Editor File命令，进入文本编辑

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器，然后输入以上格式的数据文件。文件中的关键词WIDTH设置ROM的数据宽度；DEPTH设置ROM数据的深度，文件中设置的5即为5位数据的数量，256等效于8位地址线宽度；ADDRESS-RADIX=DEC和DATA-RADIX=DEC表示设置地址和数据的表达式格式都是十进制；地址/数据表以CONTENT BEGIN开始，以END结束；其中的地址/数据表达方式是冒号左边写ROM地址值，冒号右边写对应此地址放置的十进制数据，如45：8，表示45为地址，8为该地址中的数据。这样每读到一个地址，即可输出其相应的数据。文件编辑好后，保存时取文件名为“songer.mif”，存盘的路径为“c:\\music \\ songer.mif”。

3.1.2在MAX+PLUSⅡ下定制的LPM_ROM

1）具体步骤如下：

(1) 进入MAX+PLUSⅡ，选菜单 TOOL->megawizard plug-in manager，选择“creat a new?”，然后按“next”键，选择LPM-ROM；最后在browse下的栏中键入路径与输出文件名：c:\\music \\ songer.vhd，注意后缀vhd小写。

(2) 单击“next”键，，选择ROM数据位宽度为5，地址线宽为8，即设置此ROM能存储5位二进制数据共256个。

(3) 通过“ browse” 钮，找到ROM中的加载文件路径和文件名：c:\\music \\ songer.mif注意ROM元件的inclock是地址锁存时钟。

(4) 打开已定制的ROM文件songer.vhd,将它设置为工程，并确定目标器件，进行测试仿真波形。

2）定制好的ROM文件VHDL程序见附录A。

3）已定制的ROM文件songer.vhd的仿真波形如图3.1所示：

图3.1 songer模块仿真波形图

4）波形分析：

此乐谱发生器模块的功能是输出存储在LPM-ROM中的各个音符数据，由上面的仿真波形图可看到“梁祝”乐曲中的第一个音符为“3”即为“00011”此音在逻辑中停留了4个时钟，那么相应随着程序中的地址计数器按4Hz的时钟频率作加法计数时，

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即随地址递增时，将从音符数据ROM中将连续取出4个音符“00011”，乐曲中的第二个音符为“5”即为“00101”此音在逻辑中停留了3个时钟，相应地，将从音符数据ROM中将连续取出3个音符“00101”等其它状态时，仿真波形图证明了模块的功能。 3.2 音符数据地址发生器模块NOTETABS

1）功能：NOTETABS模块设置了一个8位二进制计数器(计数最大值为256)，作为音符数据ROM的地址发生器。每来一个时钟脉冲信号(Clk)，8位二进制计数器就计数一次，ROM文件中的地址也就随着递增，音符数据ROM中的音符也就一个接一个连续的取出来了。

在地址发生器的VHDL设计中，这个计数器的计数频率选为4Hz，即每一计数值的停留时间为0.25秒，恰为当全音符设为1秒，四四拍的4分音符持续时间。例如，地址发生器在以下的VHDL逻辑描述中，“梁祝”乐曲的第一个音符为“3”，此音在逻辑中停留了4个时钟节拍，即1秒时间。那么相应随着程序[1]中的计数器按4Hz的时钟频率作加法计数时，即随地址递增时，将从音符数据ROM中将连续取出4个音符“3”通过toneindex[4..0]端口输向分频预置数模块。这样梁祝乐曲中的音符就一个接一个的通过toneindex[4..0]端口输向分频预置数模块。 2）音符数据地址发生器模块NOTETABS生成元件符号（见图3.2）： 端口说明：

CLK 4HZ端口：作为节拍脉冲信号输入端口；

RST端口：作为从头开始播放歌曲脉冲信号输入端口；

SEL端口：作为播放第二首歌脉冲信号输入端口； 图3.2 NOTETABS生成元件符号 TONEINDE[4..0]端口：作为音符数据地址的输出端口； 3）对应的程序见附录B。

4）音符数据地址发生器模块NOTETABS的仿真波形如（图3.3)所示:

图3.3 NOTETABS的仿真波形图

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