基于FPGA的音樂流水燈控制系統的設計

FPGA是現場可編程門陣列的簡稱，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實現音樂流水燈的控制，實質上就是將不同音階與特定頻率的方波信號對應起來，以方波信號驅動蜂鳴器發出音樂，再根據不同音階來控制流水燈的閃爍。與借助微處理器實現樂曲演奏相比，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揮了強大功能，提供了設計可能性。

1 總體設計方案
音樂流水燈主要是點綴公共場合的裝飾品，音樂的播放和流水燈有節奏地閃爍，同時達到聽覺和視覺的完美結合，成為構成其必不可少的條件。要了解如何產生不同音階的音樂，首先要對樂音的特性有所了解。樂音實際上是有固定頻率的信號。在樂曲的構成中，樂音的頻率和持續的時間是其構成的要素。音階的頻率可以通過高頻時鐘進行分頻得到。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生強烈的節奏感。再輔以LCD來顯示音階的高低長短，不懂樂理知識的人便可以直觀的看到不同音調對應的音階。
總體設計要求如下：
(1)分頻主要是通過一個可控分頻器實現的。采用時鐘的頻率越高，分頻系數越大，分頻后的音階頻率就越準確。但同時由于分頻系數大使用的計數單元增加，從而耗費更多的硬件邏輯單元，因此可以采取一個較為適中的時鐘頻率12MHz。
(2)經過分頻后的信號是一個脈寬極窄的時鐘信號，必須對其進行脈沖寬度調整，增大占空比，才能有效地驅動蜂鳴器。在脈沖寬度調整時會對此信號再次二分頻，所以在計算時，以樂音音階的二倍頻率去求取在特定時鐘信號下的分頻系數，以便在調整占空比后得到正確的音階頻率。
(3)樂曲的頻率變化多端，對應的分頻系數也不斷變化，因此需要將播放的樂曲的分頻系數事先存放在ROM中便于讀取。如果將分頻系數直接作為存儲碼存放在寄存器中，勢必會占有更大的容量。因此在這里選取索引值來作為存儲碼以減小容量。
(4)開發平臺上的LED燈數量有限，可以選用有規律的閃爍，例如從左到右依次點亮、漸亮、漸滅等；也可以用燈閃爍的多少來表示頻率的大小。本設計選用第二種。
圖1為音樂流水燈控制系統的總統原理框圖。可以看到該系統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生模塊。

2 模塊設計
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鐘信號驅動下將事先存儲在ROM里的樂譜所對應的索引值依次輸出，控制分頻，并產生相應的分頻信號頻率，以此來控制蜂鳴器的發聲。
2．1．1 音階分頻器的設計
為了能夠在播放樂曲的同時顯示當前音階，用LED的位數來指示當前音階的高低音。程序中的音階分頻系數通過索引值來進行選取，即在音樂播放過程中由樂譜存儲電路傳遞來的當前音階的索引值。
2．1．2 音階頻率產生的設計
音階頻率產生電路在獲取上面的音階索引值對應的分頻系數后，通過可控計數器進行分頻。分頻電路中的計數器進行減1計數，計數器的進位信號即為分頻信號。因為此信號的脈沖寬度極小，所以需要調整占空比才使外部驅動電路提供足夠的驅動蜂鳴器的功率，而具體是對分頻信號再進行二分頻實現的。
2．1．3 樂譜播放控制模塊設計
音樂播放就是通過外部的8 Hz時鐘驅動，內部以計數器進行計數、產生地址，送到ROM單元中作為存儲器地址，將對應地址的數據——音階索引值輸出。
在本設計中，每個音的發出由另一個8 Hz的時鐘信號來控制。樂譜中的4分音符由4個時鐘信號來驅動。每個時鐘下，其對應的音階輸出以索引值的形式存儲在ROM中。文中ROM的地址線為10位，數據線寬度為4位。ROM里存儲的數據即各音節的索引值，根據樂譜轉換的需要，16個索引值即可滿足樂曲曲譜編寫的需求，所以設置了4位數據線。地址線的寬度主要取決于樂曲的長度。本設計中用到了約520個4 bit單元，為了留有一定裕度，將數據線寬度定義為10位，即1 024個4 bit單元。其中不同的音階對應的索引值如表1所示。