EDA_课程设计_乐曲演奏器

EDA课程设计题目：乐曲硬件演奏电路的VHDL设计专业：通信工程班级：通信082姓名：***学号：**********一、 设计题目：乐曲硬件演奏电路的VHDL 设计二、 设计目标：1）能够播放“梁祝”乐曲。

2）能够通过LED 显示音阶。

3）具有“播放/停止”功能，并在此基础上实现“按键演奏”的电子琴功能。

三、 设计原理：1. 音乐基础知识一段简单乐谱由音调和节拍组成，音调表示一个音符唱多高的频率，节拍表示一个音符唱多长的时间。

音符的节拍我们可以举例来说明。

在一张乐谱中，我们经常会看到这样的表达式，如1=C 44、1=G 43…… 等等。

以43为例加以说明，它表示乐谱中以四分音符为节拍，每一小结有三拍。

比如：图1其中1 、2 为一拍，3、4、5为一拍，6为一拍共三拍。

1 、2的时长为四分音符的一半，即为八分音符长，3、4的时长为八分音符的一半，即为十六分音符长，5的时长为四分音符的一半，即为八分音符长，6的时长为四分音符长。

那么一拍到底该唱多长呢？一般说来，如果乐曲没有特殊说明，一拍的时长大约为400—500ms 。

我们以一拍的时长为400ms为例，则当以四分音符为节拍时，四分音符的时长就为400ms，八分音符的时长就为200ms，十六分音符的时长就为100ms。

2.原理图框图：图2.框图3.原理图说明音乐播放原理说明音符的频率由数控分频器模块Speakera产生。

ToneTaba模块从NoteTabs模块中输入的音符数据，将对应的分频预置数据传送给Speakera模块，并将音符数据送到LED模块显示音阶。

NoteTabs模块中包含有一个音符数据ROM，里面存有歌曲“梁祝”的全部音调，在此模块中设置了一个8位二进制计数器，作为音符数据ROM的地址发生器。

这个计数器的计数频率为4Hz，即每一个数值的停留时间为0.25秒。

例如：“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秒钟时间，所对应的“3”音符分频预置数为1036，在Speakera的输入端停留了1秒。

随着NoTabs中计数器按4Hz的时钟速率作加法计数时，随着地址的递增，音符数据ROM中的音符数据将从ROM中通过输出端口输入到ToneTaba模块，“梁祝”歌曲就开始连续自然地演奏起来。

键盘演奏原理说明在模块ToneTaba中设置有八个键盘输入端口，分别对应基音“1”、“2”、“3”、“4”、“5”、“6”、“7”和高音“1”八种音调。

当其中某个按键按下时，ToneTaba模块就将对应音符的分频预置数送到数控分频模块Speakera模块产生相应音调，同送将音符送到LED显示模块显示音节。

四、设计内容1)取音调节拍模块NoteTabs图5：NoteTabs实体图模块实体由时钟输入信号clk、实现暂停与播放功能的使能输入信号en和音符输出端toneindex组成。

时钟输入端clk接入4Hz信号，即0.25秒作为“梁祝”乐曲的基本时钟节拍。

NoteTabs模块设置有个计数器，作为地址计数器，用于从模块内部的music_rom中取音符数据。

NoteTabs模块仿真图如下：图42)音频预置数及演奏按键模块ToneTaba图5：ToneTaba实体图该模块的实体组成端口由音符数据输入端index、音乐演奏或音乐播放选择输入端口yanzhou_en、八个按键输入端口key_1~key_8、及音阶数据输出端口code、音符分频数据输出端口tone组成。

当端口yanzhou_en置‘1’时，进行按键音乐演奏功能，即将对应按键的的音阶的分频数据送至模块Speakera产生音调；当端口为‘0’时，进行音乐播放功能，即将NoteTabs模块输入的音符数据送至模块Speakera产生音调。

ToneTaba模块仿真图如下：图63)数控分频模块Speakera图7：Speakera模块实体图该模块由时钟输入信号端clk、分频数据输入端tone以及音调频率输出端spks组成。

其clk端输入较高的频率（12MHz）,通过Speakera分频后由spks输出。

模块仿真图如下：图84)软件流程图如下：图9五、仿真结果1.原理图设计：图102.仿真结果图仿真图1：音乐播放图11仿真图1说明：音乐演奏或播放选择端yanzhou_en置‘0’，音乐播放、暂停选择键play_pause置‘0’，选择音乐播放功能，其中code端口输出的音符可送入译码器模块显示音阶。

仿真图2：音乐暂停图12仿真图2说明：音乐演奏或播放选择端yanzhou_en置‘0’，选择音乐播放功能。

当音乐播放、暂停输入端口play_pause置‘1’时，从图12与图11比较可知，其中的图12的音符6因为暂停而被延长，音乐播放被暂停，当play_pause重新置‘0’时，音乐开始继续播放。

仿真图3：按键演奏音乐图13仿真图3说明：音乐演奏或播放选择端yanzhou_en置‘1’，选择按键音乐演奏功能。

其中端口tone_1到tone_7对应‘1’至‘7’基音，端口tone_11对应高音‘1’。

通过按不同的按键，即可从端口spkout输出不同的频率，即对应不同的音调。

演奏的音阶通过端口code送入译码器即可演示音阶。

六、总结本设计完整地实现了音乐的播放、按键演奏音乐、音乐播放与暂停功能，已基本符合课程设计的要求。

通过本次课程设计，更熟练了EDA软件的使用，学会了怎么制作LPM_ROM元器件，加深了对VHDL语言的理解，熟练了利用原理图设计电路的方法，体验到了将自己的创意付诸实践的乐趣。

七、附录1、音调节拍模块NoteTabs（实现了音乐播放与暂停功能）library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity notetabs isport( en,clk : in std_logic; --添加了使能端toneindex: out std_logic_vector(3 downto 0));end;architecture behav of notetabs iscomponent music_romport(address :in std_logic_vector(7 downto 0);inclock: in std_logic;q: out std_logic_vector(3 downto 0) );end component;signal counter : std_logic_vector(7 downto 0);begincnt8: process(clk,counter,en)beginif en='1' then counter<=counter; --使能音乐播放与暂停elsif counter=138 then counter<="00000000";elsif clk'event and clk='1' then counter<=counter+1; end if;end process;u1:music_rom port map(address=>counter,q=>toneindex,inclock=>clk);end;2、音频预置数及演奏按键模块ToneTabalibrary ieee;use ieee.std_logic_1164.all;entity tonetaba isport(index : in std_logic_vector(3 downto 0);code : out std_logic_vector(3 downto 0);tone : out std_logic_vector(10 downto 0);yanzhou_en : in std_logic; --音乐演奏使能键key_1,key_2,key_3,key_4,key_5,key_6,key_7,key_8:in std_logic );end;architecture behav of tonetaba issignal abc:std_logic_vector(7 downto 0);signal temp:std_logic;beginabc<= key_8 & key_7 & key_6 & key_5 & key_4 & key_3 & key_2 & key_1; process(index, abc,yanzhou_en)begintemp<='0';if yanzhou_en='1' then temp<='1'; end if;if temp='1' thencase abc is --按键对应的基音表when"00000001" => tone<="01100000101";code<="0001";when"00000010" => tone<="01110010000";code<="0010";when"00000100" => tone<="10000001100";code<="0011";when"00001000" => tone<="10010101101";code<="0101";when"00010000" => tone<="10100001010";code<="0110";when"00100000" => tone<="10101011100";code<="0111";when"01000000" => tone<="10110000010";code<="0001";when"10000000" => tone<="10111001000";code<="0100";when others=>null;end case;elsecase index iswhen "0000" => tone<="11111111111";code<="0000";--2047when "0001" => tone<="01100000101";code<="0001";--773when "0010" => tone<="01110010000";code<="0010";--912when "0011" => tone<="10000001100";code<="0011";--1036when "0101" => tone<="10010101101";code<="0101";--1197when "0110" => tone<="10100001010";code<="0110";--1290when "0111" => tone<="10101011100";code<="0111";--1372when "1000" => tone<="10110000010";code<="0001";--1410when "1001" => tone<="10111001000";code<="0010";--1480when "1010" => tone<="11000000110";code<="0011";--1542when "1100" => tone<="11001010110";code<="0101";--1622when "1101" => tone<="11010000100";code<="0110";--1668when "1111" => tone<="11011000000";code<="0001";--1728when others=>null;end case;end if;end process;end;3、LED音阶显示：从ToneTaba模块的输出端code[3..0]输入到译码器模块，即可实现LED显示音阶。