乐器演奏电路设计-vhdl

重庆交通大学计算机与信息学院设计性实验报告班级：通信工程专业 07 级 2 班姓名（学号）：实验项目名称：乐器演奏电路设计实验项目性质：设计性实验所属课程： VHDL 实验室(中心)：指导教师：徐雯娟实验完成时间： 2009 年 12 月 13 日一、实验目的1，了解普通扬声器的工作原理；2，了解QuartusII4.1中提供了宏功能元件库mega_lpm。

3，使用LPM_ROM参数化存储模块。

二、实验内容及要求要求能够演奏出《友谊地久天长》的曲调或可另选一段较完整的曲调。

（扩展要求：能够从数码管上显示出当前曲调的简谱和频率）三、实验原理1，音符的频率：可以由上图中的U3获得，这是一个数控分频器。

由其clk 端输入一具有较高频率（这里是12MHz）的信号，通过U3分频后由SPKOUT输出，U3对clk 输入信号的分频比由11位预置数Tone[10..0]决定。

SPKOUT的输出频率将决定每一音符的音调，这样，分频计数器的预置值Tone[10..0]与SPKOUT 的输出频率，就有了对应关系。

2，音符的持续时间：须根据乐曲的速度及每个音符的节拍数来确定，图中模块U2的功能首先是为U3提供决定所发音符的分频预置数，而此数在U3输入口停留的时间即为此音符的节拍值。

模块U2是乐曲简谱码对应的分频预置数查表电路，其中设置了乐曲全部音符所对应的分频预置数（一共8个），每一音符的停留时间由音乐节拍和音调发生器模块U1的clk的输入频率决定（如为4Hz）,这8个值的输出由对应于U2的3位输入值Index[2..0]确定。

3，乐谱的存储：在U1中设置了一个7位二进制计数器（计数最大值为65），作为音符数据ROM 的地址发生器。

这个计数器的计数频率若选为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秒时，四四拍的4分音符持续时间。

随着U1中的计数器按4Hz的时钟速率作加法计数时，即随地址值递增时，音符数据ROM 中的音符数据将从ROM中通过ToneIndex[2..0]端口输向U2模块，乐曲就开始连续自然地演奏起来了。

四、实验仪器、材料1，2MHZ和4HZ的信号源2，ACEX1K EP1K30TC144—1芯片3，扬声器五、方案设计（设计性实验需要，综合性实验无该项）1，音符的产生：音符的产生是利用数控分频器模块SPKEAR对输入的时钟信号CLK400KHZ进行分频，预置数为TONE[10..0],然后分频得出频率为CLK/2*(2048- TONE[10..0]),通过控制输入预置数TONE[10..0]来达到不同的输出频率,以达到控制扬声器发出不同的声音。

例如：当设置预置数TONE[10..0]为1538时，输出SPKEAR频率为396,为低音5。

2，频率的分频：由于实验给定信号源为12MHZ，不满足数控分频器模块SPKEAR对输入时钟信号的要求，遂其进行30分频（PULSE30），产生0.4MHZ的时钟信号。

3，预置数的产生：预置数TONE[10..0]由模块TONE TAB产生。

模块TONE TAB有输入端口INDEX[2..0]送入音符，模块由CASE选择语句产生与INDEX[2..0]输入端口送入的音符相对应的预置数TONE[10..0]，也同时产生其音符CODE[2..0]送入音符显示模块DISPCODE，和频谱频率frenquence[9..0]送入频率显示模块DISPFREN。

例如：当输入端口INDEX[2..0]送入000（为低音5对应的编码），有CAES选择语句产生TONE[10..0]为1538，frenquence[9..0]为396 以及CODE[2..0]为101的输出。

4，音符的存储：音符的持续时间须根据乐曲的速度及每个音符的节拍数来确定。

由存储模块music_rom_data控制，以四分之一节拍为1个单位在LPM_ROM中进行存储音符的编码（例如本实验《友谊地久天长》中频谱共涉及了8个音符，使用3个二进制数分别对其编码进行存储；又有二分之一节拍数的音符存储2个单元，以此类推，直到对整首歌曲的乐谱存储结束）。

存储模块music_rom_data的输出为数控分频器模块TONETAB的输入端INDEX[2..0]。

5，音符的输出驱动：音符的存储由计数器模块LPM_COUNTE控制。

计数器在时钟CLK4HZ的控制下，没0.25s 送出一个6位数值q[5..0]，作为存储模块music_rom_data的地址输入端口。

这样便达到每个存储单元以同一频率进行有控制的输出。

6，频谱显示模块DISPCODE和频率显示模块DISPFRENQUENCE有本组另一同学（袁亮）设计。

六、实验过程及原始记录1，制作存储模块music_rom_data.(1)定制LPM_ROM初始化数据文件建立.mif格式文件：选择File—>New—>Memory Initialization File项，选择数据位为256，数据宽度为8，建立.mif格式文件，将歌曲频谱以编码的形式，以四分之一节拍为一单位进行存储。

(其实128位数据位已经够本实验歌曲《友谊地久天长》使用)形成如下图的数据文件：(2)，定制LPM_ROM元件①LPM宏功能模块设定②选择ROM_DATA模块数据线和地址线宽度③调入ROM初始化数据文件④LPM_ROM设计完成生成用于例化的LPM_ROM的VHDL文件music_data_rom.vhd：LIBRARY ieee;USE ieee.std_logic_1164.all;LIBRARY lpm;USE lpm.lpm_components.all;ENTITY music_data_rom ISPORT(address : IN STD_LOGIC_VECTOR (5 DOWNTO 0);q : OUT STD_LOGIC_VECTOR (2 DOWNTO 0));END music_data_rom;ARCHITECTURE SYN OF music_data_rom ISSIGNAL sub_wire0 : STD_LOGIC_VECTOR (2 DOWNTO 0);COMPONENT lpm_romGENERIC (intended_device_family : STRING;lpm_width : NATURAL;lpm_widthad : NATURAL;lpm_address_control : STRING;lpm_outdata : STRING;lpm_file : STRING;lpm_type : STRING);PORT (address : IN STD_LOGIC_VECTOR (5 DOWNTO 0);q : OUT STD_LOGIC_VECTOR (2 DOWNTO 0));END COMPONENT;BEGINq <= sub_wire0(2 DOWNTO 0);lpm_rom_component : lpm_romGENERIC MAP (intended_device_family => "ACEX1K", lpm_width => 3,lpm_widthad => 6,lpm_address_control => "UNREGISTERED",lpm_outdata => "UNREGISTERED",lpm_file => "music_rom_data.mif",lpm_type => "LPM_ROM")PORT MAP (address => address,q => sub_wire0);END SYN;2，制作计数器模块COUNTER实验步骤如上：生成用于例化的LPM_COUNTER的VHDL文件counter.vhd：LIBRARY ieee;USE ieee.std_logic_1164.all;LIBRARY lpm;USE lpm.all;ENTITY counter ISPORT(clk_en : IN STD_LOGIC ;clock : IN STD_LOGIC ;q : OUT STD_LOGIC_VECTOR (5 DOWNTO 0)); END counter;ARCHITECTURE SYN OF counter ISSIGNAL sub_wire0 : STD_LOGIC_VECTOR (5 DOWNTO 0);COMPONENT lpm_counterGENERIC (lpm_direction : STRING;lpm_port_updown : STRING;lpm_type : STRING;lpm_width : NATURAL);PORT (clk_en : IN STD_LOGIC ;clock : IN STD_LOGIC ;q : OUT STD_LOGIC_VECTOR (5 DOWNTO 0));END COMPONENT;BEGINq <= sub_wire0(5 DOWNTO 0);lpm_counter_component : lpm_counterGENERIC MAP (lpm_direction => "UP",lpm_port_updown => "PORT_UNUSED",lpm_type => "LPM_COUNTER",lpm_width => 6)PORT MAP (clk_en => clk_en,clock => clock,q => sub_wire0);END SYN;3，制作数控分频器SPKEAR模块LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY speaker ISPORT(CLK: IN STD_LOGIC;tone:IN integer range 0 to 2048;spks:out std_logic);END speaker;ARCHITECTURE ONE OF speaker ISSIGNAL FULL: STD_LOGIC;BEGINP_REG: PROCESS(CLK)VARIABLE CNT8:integer range 0 to 2048;BEGINIF CLK'EVENT AND CLK='1' THENIF CNT8=2048 THENCNT8:=tone;FULL<='1';ELSE CNT8:=CNT8+1;FULL<='0';END IF;END IF;END PROCESS P_REG;P_DIV:PROCESS(FULL)VARIABLE CNT2:STD_LOGIC;BEGINIF FULL'EVENT AND FULL='1' THEN CNT2:=NOT CNT2;IF CNT2='1' THEN spks<='1'; ELSE spks<='0';END IF;END IF;END PROCESS P_DIV;END ONE;4，制作TONE TAB模块library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity tonetab isport(index: in std_logic_vector(2 downto 0);tone : out integer range 0 to 2048;frequence : out integer range 0 to 990;code : out std_logic_vector(2 downto 0));end entity;architecture behave_tonetab of tonetab isbeginprocess(index)begincase index iswhen "000"=> frequence<=396;code<="101";tone<=1538; when "001"=> frequence<=523code<="001";tone<=1666; when "010"=> frequence<=587;code<="010";tone<=1708; when "011"=> frequence<=659;code<="011";tone<=1745; when "100"=> frequence<=784;code<="101";tone<=1794; when "101"=> frequence<=1047;code<="110";tone<=1821; when "110"=> frequence<=1175;code<="001";tone<=1857; when "111"=> frequence<=440;code<="110";tone<=1595; end case;end process;end behave_tonetab;5，制定PULSE30模块LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;entity pulse30 isport(clk :in std_logic;fout:out std_logic);end;architecture behave_pulse30 of pulse30 isSIGNAL FULL: STD_LOGIC;BEGINP1: PROCESS(CLK)VARIABLE CNT30:integer range 1 to 30;BEGINIF CLK'EVENT AND CLK='1' THENIF CNT30=30 THENCNT30:=1;FULL<='1';ELSE CNT30:=CNT30+1;FULL<='0';END IF;END IF;END PROCESS P1;P2:PROCESS(FULL)VARIABLE CNT2:STD_LOGIC;BEGINIF FULL'EVENT AND FULL='1' THEN CNT2:=NOT CNT2;IF CNT2='1' THEN fout<='1'; ELSE fout<='0';END IF;END IF;END PROCESS P2;END behave_pulse30;七、实验结果及分析实验结果：当en_clock=’1’时，即clock有效时，试验箱端扬声器演奏出乐曲《友谊地久天长》的音乐。