基于FPGA的音樂硬件演奏電路設計與實現（一）

1 系統的設計要求

應用VHDL硬件描述語言，設計一個樂曲硬件演奏電路，它能將一首預先設置存儲好的樂曲自動播放出來，除此之外，也能夠通過按鍵的方式輸入音符，使其具備簡易電子琴的功能。通過此項研究，能夠深切的體會利用EDA工具開發的優越性，在此基礎上，對樂曲硬件演奏電路功能進行豐富，具有一定的社會實用性。

根據硬件演奏電路的功能進行全局分析，采用自上至下的設計方法，從系統總體要求出發，逐步將設計內容細化，最后完成系統結構的整體設計。將功能分為以下幾個部分，1)實現預先設置樂曲的播放功能;2)實現預置樂曲的暫停和繼續播放實時控制功能;3)實現預置多首樂曲間的切換功能。

預置樂曲，本文選取了《梁祝》的一段作預置，作預置時，需要將樂曲音符轉換成相應的代碼，通過計算逐一將音符轉換成代碼，通過EDA開發平臺quartusii6.0進行樂曲定制。

為了提供樂曲發音所需要的發音頻率，編寫數控分頻器程序，對單一輸入高頻，進行預置數分頻，生成每個音符發音的相應頻率。

為了給分頻提供預置數，需要計算分頻預置數。

對每部分結構單元逐一進行編譯，生成相應的元器件符號，并對獨立結構單元功能進行仿真。

2 系統的詳細設計方案

2.1 頂層實體描述

按照EDA開發流程，采用VHDL硬件描述語言開發，將樂曲硬件演奏電路設計進行模塊化分解，層次化設計，分成幾個單獨的結構體，每個結構體實現部分功能，最后，經頂層文件將各單獨結構體進行綜合，實現樂曲硬件演奏。

有四個輸入，三個輸出端口。

四輸入端口分別是：clk8hz端口，作為節拍脈沖信號輸入端口;clk12mhzZ端口，作為發音頻率初始信號輸入端口;P輸入端口，作為控制歌曲暫停和繼續播放的輸入端口。ch輸入端口，作為控制歌曲之間切換播放的輸入端口。

三輸出端口分別是：code1輸出端口，作為音符簡碼輸出LED顯示端口;high1輸出端口，作為音符高8度指示端口;spkout輸出端口，作為樂曲的聲音輸出端口。

2.2 模塊劃分

本系統主要由三個功能模塊組成：notetabsvhd,tonetaba.vhd和speakera.vhd.第一部分notetabs,地址發生器，實現按節拍讀樂譜的功能;第二部分tonetaba,查表電路，為speakera提供分頻預置數，實現樂曲譯碼輸出CODE[3:0];第三部分speakera,產生發音頻率，實現樂曲播放。系統結構圖如圖2.

為了實現樂曲的播放，首先需要將曲譜定制到音符數據ROM里面，然后才能按照一定的節拍從ROM中讀出曲譜。由于所選曲子中不含低音，轉換關系如表1所示。