硬件電子琴電路設(shè)計
一、實驗?zāi)康?/strong>
（1）熟悉ISE Foundation設(shè)計流程和軟件操作，使用FPGA完成復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計；
（2）掌握基于Verilog的組合和時序邏輯電路的設(shè)計方法；
（3）學(xué)習(xí)利用數(shù)控分頻器設(shè)計硬件電子琴實驗。
二、實驗要求
設(shè)計的電子琴系統(tǒng)需滿足：
（1）正確播放“梁祝”樂曲；
（2）播放其他音樂；
（3）實驗下載和硬件調(diào)試。
三、實驗原理
（一）播放原理
要實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計，分如下4步操作：
1、將待播放的《梁祝》音樂音符存入ROM；
2、以4HZ頻率讀取ROM ；
3、根據(jù)1MHZ的內(nèi)部時鐘要求，將讀出的音符換算成應(yīng)計數(shù)的數(shù)值；
4、以1MHZ為內(nèi)部時鐘，實現(xiàn)符合要求的方波信號。
由于系統(tǒng)時鐘是50Mhz，所以我們?yōu)榱藢崿F(xiàn)1Mhz的時鐘信號，故將50M分成12.5Mhz，后續(xù)在得到近似1MHZ時鐘。故按照“自上而下”設(shè)計原則，系統(tǒng)框圖1如示。
圖1 硬件電子琴電路設(shè)計方案
（二）任務(wù)分析
1．輸入端口：
（1）復(fù)位信號RESET，當(dāng)RESET=1時，輸出全部置零；當(dāng)RESET=1，系統(tǒng)正常工作；
（2）時鐘信號CLK_50M，CLK_50M用于產(chǎn)生4Hz和12.5MHz分頻時鐘信號。
2．輸出端口：
（1）Code[3]~Code[0]是琴音簡譜碼；
（2）High是高8度端口，表示音階的高低；
（3）Spkout表示音符的頻率，外接蜂鳴器端口。
按照自頂向下設(shè)計，應(yīng)該分為以下模塊：
3．分頻模塊
將下載板上50MHz時鐘分頻為頻率是4Hz和12.5Mhz的時鐘信號，其中4Hz用于讀取Rom，12.5MHz在后續(xù)模塊中在分頻得到近似1MHz時鐘。
4．音階發(fā)生器模塊
模塊ToneTaba是音階發(fā)生器，當(dāng)8位發(fā)聲控制輸入Index中某一位為高電平時，則對應(yīng)某一音階的數(shù)值將從端口Tone輸出，作為獲得該音階的分頻預(yù)置值；同時由Code輸出對應(yīng)該音階簡譜的顯示數(shù)碼，如‘5’，并由High輸出指示音階高8度顯示。
5．數(shù)控分頻器模塊
模塊Speakera中的主要電路是一個數(shù)控分頻器，它由一個初值可預(yù)置的加法計數(shù)器構(gòu)成，當(dāng)模塊Speakera由端口Tone獲得一個2進制數(shù)后，將以此值為計數(shù)器的預(yù)置數(shù)，對端口Clk12MHZ輸入的頻率進行分頻，之后由Spkout向揚聲器輸出發(fā)聲。
6．樂曲自動演奏電路模塊
在原設(shè)計的基礎(chǔ)上，增加一個Notetabs模塊用于產(chǎn)生節(jié)拍控制（Index數(shù)據(jù)存留時間）和音階選擇信號，即在Notetabs模塊放置一個樂曲曲譜真值表，樂曲曲譜真值表放置于名為Music的ROM模塊中。
由一個計數(shù)器來生成讀取ROM所需的地址數(shù)據(jù)，對ROM以4HZ的頻率進行讀取，實現(xiàn)控制此真值表的輸出，而由此計數(shù)器的計數(shù)時鐘信號作為樂曲節(jié)拍控制信號，從而可以設(shè)計出一個純硬件的樂曲自動演奏電路。
圖2 音符半周期及頻率對應(yīng)圖
四、實驗步驟
（一）模塊設(shè)計
利用Verilog HDL語言，對各個模塊分別進行設(shè)計、仿真和綜合。
1．分頻代碼（12.5MHz）
`timescale 1ns / 1ps
module CLK_12M(CLK_50,CLR,CLK_12M);
input CLK_50,CLR;
output CLK_12M;
reg CLK_12M;
reg [3:0] div_count;
always @(posedge CLK_50 or posedge CLR)
if(CLR) div_count <= 4'h0;
else
if(div_count == 4'd3)//
div_count <= 4'h0;
else div_count <= div_count+1'b1;
always @ (posedge CLK_50 or posedge CLR)
if(CLR) CLK_12M <= 1'b0;
else
if(div_count== 0)
CLK_12M <= 1'b1;
else
CLK_12M <= 1'b0;
endmodule
圖3 分頻計12.5MHz綜合后RTL模塊符號
測試文件
module text_125M;
reg CLK_50;
reg CLR;
wire CLK_12M;
CLK_12M uut (
.CLK_50(CLK_50),
.CLR(CLR),
.CLK_12M(CLK_12M)
);
initial begin
CLK_50 = 0;
forever #10 CLK_50 = ~CLK_50 ;
end
initial begin
#20 CLR = 1'b1 ;
#20 CLR = 1'b0 ;
end
endmodule
圖4 分頻1Hz功能仿真圖
經(jīng)分析，CLK_50我給的T=20ns（即50MHz），從圖可以清晰看見分頻后時鐘周期為4T，即12.5MHz，故仿真正確。
2．分頻4Hz頻率
`timescale 1ns / 1ps
module CLK_4(CLK_50,CLR,CLK_4);
input CLK_50,CLR;
output CLK_4;
reg CLK_4;
reg [29:0] div_count;
always @(posedge CLK_50 or posedge CLR)
if(CLR) div_count <= 30'h0;
else
if(div_count == 30'd12500000)//和5000萬個
div_count <= 31'h0;
else div_count <= div_count+1'b1;
always @ (posedge CLK_50 or posedge CLR)
if(CLR) CLK_4 <= 1'b0;
else
if(div_count== 0)
CLK_4 <= 1'b1;
else
CLK_4 <= 1'b0;
endmodule
圖5 分頻4Hz綜合后RTL模塊符號
測試文件和分頻12.5MHz類似，故不再贅述。
圖5 分頻4Hz功能仿真圖
CLK_50我給的T=20ns（即50MHz），從圖中，CLK_4在t=250ms處電平翻轉(zhuǎn)，故T=0.25s仿真正確
3．音階發(fā)生器
- `timescale 1ns / 1ps
- module ToneTaba (Index,Code,High,Tone);
- input[3:0] Index;
- output[3:0] Code;
- output High;
- output[10:0] Tone;
- reg[3:0] Code;
- reg High;
- reg[10:0] Tone;
-
- always @ (Index)
- begin
- case(Index)
- 4'b0000 :begin Tone<=11'b11111111111;Code<=4'b0000;High<=1'b0;end//2047 0
- 4'b0001 :begin Tone<=11'b01100000101;Code<=4'b0001;High<=1'b0;end//773 1
- 4'b0010 :begin Tone<=11'b01110010000;Code<=4'b0010;High<=1'b0;end//912 2
- 4'b0011 :begin Tone<=11'b10000001100;Code<=4'b0011;High<=1'b0;end//1036 3
- 4'b0101 :begin Tone<=11'b10010101101;Code<=4'b0101;High<=1'b0;end//1197 4
- 4'b0110 :begin Tone<=11'b10100001010;Code<=4'b0110;High<=1'b0;end//1290 5
- 4'b0111 :begin Tone<=11'b10101011100;Code<=4'b0111;High<=1'b0;end//1372; 7
- 4'b1000 :begin Tone<=11'b10110000010;Code<=4'b0001;High<=1'b1;end//1410; 8
- 4'b1001 :begin Tone<=11'b10111001000;Code<=4'b0010;High<=1'b1;end//1480; 9
- 4'b1010 :begin Tone<=11'b11000000110;Code<=4'b0011;High<=1'b1;end//1542; 10
- 4'b1100 :begin Tone<=11'b11001010110;Code<=4'b0101;High<=1'b1;end//1622; 12
- 4'b1101 :begin Tone<=11'b11010000100;Code<=4'b0110;High<=1'b1;end//1668; 13
- 4'b1111 :begin Tone<=11'b11011000000;Code<=4'b0001;High<=1'b1;end//1728; 15
- default :begin Tone<=11'b11111111111;Code<=4'b0000;High<=1'b0;end//2047
- endcase
- end
- endmodule
從ROM中讀取音符值，在此模塊中，完成Tone、琴音頻譜和高8度賦值。
圖7 ToneTaba綜合后RTL模塊符號
測試文件：
- module test_toteTaba;
- reg [3:0] Index;
- wire [3:0] Code;
- wire High;
- wire [10:0] Tone;
- ToneTaba uut (
- .Index(Index),
- .Code(Code),
- .High(High),
- .Tone(Tone)
- );
- initial begin
- Index = 0;
- #20 Index = 4'b0000 ;
- #20 Index = 4'b0001 ;
- #20 Index = 4'b0010 ;
- #20 Index = 4'b0011 ;
-
- #20 Index = 4'b0100 ;
- #20 Index = 4'b0101 ;
- #20 Index = 4'b0110 ;
- #20 Index = 4'b0111 ;
-
- #20 Index = 4'b1000 ;
- #20 Index = 4'b1001 ;
- #20 Index = 4'b1010 ;
- #20 Index = 4'b1011 ;
-
- #20 Index = 4'b1100 ;
- #20 Index = 4'b1101 ;
- #20 Index = 4'b1110 ;
- #20 Index = 4'b1111 ;
- #100 $stop;
- end
- endmodule
圖5音階發(fā)生器功能仿真圖1
從仿真圖中，我擬輸入音階0~15，其中0~7時，High=0；8、9、10、12、14、15時候，正好相反，High=1；code顯示對應(yīng)數(shù)值。
圖6音階發(fā)生器功能仿真圖2
圖7音階發(fā)生器功能仿真圖3
輸入音階12時，toe=11'b11001010110，即1622；輸入音階13時，toe=11'b11010000100，即1668；觀察仿真圖，與之符合，故音階發(fā)生器功能模塊滿足設(shè)計要求。
4．樂曲自動演奏電路
`timescale 1ns / 1ps
module NoteTabs(Clk,ToneIndex);
input Clk;
output[3:0] ToneIndex;
reg[7:0] Counter=8'b0;
always@(posedge Clk ) begin
if(Counter>=138) Counter<=8'b00000000;
else Counter<=Counter+1'b1;
end
music1 u5( .addra(Counter),
.clka(Clk),
.douta(ToneIndex) );
endmodule
其中music1是IPCORE，用于調(diào)用ROM實現(xiàn)樂曲曲譜的存儲，存儲器位寬，width=4，depth=256。通過在NoteTabs.v文件中例化ROM文件，實現(xiàn)按照4HZ頻率循環(huán)讀取ROM的音樂節(jié)拍、頻率信號。
圖8 IPCORE存儲器
圖9 存儲“梁祝”樂譜
圖10 NoteTabs綜合后RTL模塊符號
測試文件
- module xxxxnote;
- reg Clk;
- wire [3:0] ToneIndex;
- NoteTabs uut (
- .Clk(Clk),
- .ToneIndex(ToneIndex)
- );
-
- initial
- begin
- Clk = 0;
- forever #10 Clk=~Clk;
- end
- endmodule
圖11 NoteTabs綜合仿真圖
給定一個時鐘信號，每一個周期讀取一次ROM值，故從仿真中顯示值3、3、3、3、3、5、5、5、6、8、8、8等，和梁祝樂譜（圖9對比）一致，故設(shè)計符合要求。
5．數(shù)控分頻器模塊
- `timescale 1ns / 1ps
- module Speakera(Clk,Tone,SpkS);
- input Clk;
- input[10:0] Tone;
- output SpkS;
-
- reg PreClk = 1'b0;
- reg FullSpkS = 1'b0;
- reg[3:0] Count4 = 4'b0000;
- reg[10:0]Count11 = 11'b0;
- reg Count2=1'b0;
- reg SpkS;
- //分頻1MHz
- always@(posedge Clk)
- begin
- if(Count4>11)begin
- PreClk<=1'b1;
- Count4<=1;
- end
- else begin
- PreClk<=1'b0;
- Count4<=Count4+1'b1;
- end
- end
- //音階半周期
- always@(posedge PreClk)begin
- if(Count11>=11'h7FF) begin
- Count11<=Tone;
- FullSpkS<=1'b1;
- end
- else begin
- Count11<=Count11+1'b1;
- FullSpkS<=0;
- end
- end
- //音階全周期
- always@(posedge FullSpkS)begin
- Count2<=~Count2;
- if(Count2==1'b1) SpkS<=1'b1;
- else SpkS<=1'b0;
- …………限于本文篇幅 余下代碼請從51hei下載附件…………
按照代碼，Clk是一個12M的時鐘信號，進過第一個always語句時分頻PreClk =1MHz（1us）；第二個always語句觸發(fā)條件是1MHz時鐘上升沿，所以音符半周期
；第三個always語句觸發(fā)條件是Fullspks時鐘上升沿，所以最后
。
比如“5”，Tone=1290，則音符半周期是758us，最后的輸出時鐘信號周期即為1516us，查表表示“中3M”音符。
圖12 數(shù)控分頻器綜合后RTL模塊符號
激勵文件
- `timescale 1ns / 1ps
- module test_Speakera;
- reg Clk;
- reg [10:0] Tone;
- wire SpkS;
-
- Speakera uut (
- .Clk(Clk),
- .Tone(Tone),
- .SpkS(SpkS)
- );
- initial begin
- Clk = 0;
- forever #41.6 Clk = ~Clk ;
- end
- initial begin
- #2000 Tone = 11'b10100001010;//“5”--“中3M”音符，1290
- …………限于本文篇幅 余下代碼請從51黑下載附件…………
激勵文件，我編寫的輸入時鐘信號近似12MHz,直接測“5”對應(yīng)的tone=1290，如果最后結(jié)果與計算相符，則設(shè)計滿足要求。
圖13十進制計數(shù)器功能仿真圖
經(jīng)分析：
；
。 即“5”表示的半周期音符周期756us，忽略誤差因素，則可推出表示“中3M”音符，故數(shù)控分頻器滿足設(shè)計要求。
（二）系統(tǒng)頂層設(shè)計
按照自頂向下的設(shè)計原則，設(shè)計代碼如下
- `timescale 1ns / 1ps
- module songer(clk_50M,reset,Code1,High1,Spkout);
- input clk_50M;//CLK=50MHZ
- input reset;
-
- output[3:0] Code1;
- output High1,Spkout;
-
- wire[10:0] Tone;
- wire[3:0] ToneIndex;
- wire clk_4HZ,clk_12M;
-
- NoteTabs u0( .Clk(clk_4HZ),
- .ToneIndex(ToneIndex) );
- ToneTaba u1( .Index(ToneIndex),
- .Code(Code1),
- .High(High1),
- .Tone(Tone) );
- Speakera u2( .Clk(clk_12M),
- .Tone(Tone),
- …………限于本文篇幅 余下代碼請從51黑下載附件…………
圖14電子琴綜合后RTL內(nèi)部邏輯模塊
圖15 電子琴系統(tǒng)設(shè)計綜合界面
由于Speakera.v、div_50_4HZ.v模塊的仿真時間過長，所以頂層模塊不需要仿真。
圖16 鎖引腳操作
鎖引腳，添加約束文件后，需要下載到實驗板和硬件調(diào)試
四、思考題
1.電路上應(yīng)該滿足哪些條件，才能用數(shù)字器件直接輸出的方波驅(qū)動揚聲器發(fā)聲？
答：需滿足如下條件：①輸出頻率在揚聲器的工作范圍內(nèi)；②驅(qū)動電流能夠驅(qū)動揚聲器。
2.如果演奏其他樂曲，程序應(yīng)做哪些方面的改動？
答：首先.coe文件內(nèi)改成對應(yīng)樂曲的譜，同時在ToneTaba和NoteTaba做一些小改動。
五、實驗體會
本實驗是預(yù)先將“梁祝”樂譜以.coe文件格式存儲，在調(diào)用ROM實現(xiàn)樂曲曲譜的存儲，結(jié)合程序?qū)纷V的值依次讀出來，轉(zhuǎn)化對應(yīng)的音階的頻率，同時在實驗板上通過揚聲器發(fā)出音樂，LED等顯示琴音譜，因此這是一個純硬件樂曲演奏電路。對我而言，理解其原理難度很大。帶著問題，一步步探索。首先，樂譜的音調(diào)、音階和節(jié)拍的含義；其次，樂譜的存儲和如何讀出值；再者，讀出的值怎樣才能轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的頻率；最后，怎樣仿真驗證功能。
在仿真中，驗證數(shù)控分頻器模塊時，我不能準(zhǔn)確把握每一個音符轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的半周期的時間間隔，所以就只驗證了一個“5”。并且，我遇到很多模塊仿真波形圖中，輸出端出現(xiàn)“xxx”。反復(fù)查閱資料，才發(fā)現(xiàn)原來，定義的某些中間變量都需要賦初值，否則最后仿真數(shù)據(jù)結(jié)果就會出現(xiàn)“xxx”不定態(tài)，對模塊的功能仿真驗證造成干擾。
整個設(shè)計流程走下來，能力得到了一定的提升，收獲很多，特別是對接下來的實驗調(diào)試充滿了期待。
