基于FPGA的音樂流水燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

FPGA是現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列的簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)音樂流水燈的控制，實(shí)質(zhì)上就是將不同音階與特定頻率的方波信號(hào)對(duì)應(yīng)起來，以方波信號(hào)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出音樂，再根據(jù)不同音階來控制流水燈的閃爍。與借助微處理器實(shí)現(xiàn)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(yǔ)言發(fā)揮了強(qiáng)大功能，提供了設(shè)計(jì)可能性。

1 總體設(shè)計(jì)方案
音樂流水燈主要是點(diǎn)綴公共場(chǎng)合的裝飾品，音樂的播放和流水燈有節(jié)奏地閃爍，同時(shí)達(dá)到聽覺和視覺的完美結(jié)合，成為構(gòu)成其必不可少的條件。要了解如何產(chǎn)生不同音階的音樂，首先要對(duì)樂音的特性有所了解。樂音實(shí)際上是有固定頻率的信號(hào)。在樂曲的構(gòu)成中，樂音的頻率和持續(xù)的時(shí)間是其構(gòu)成的要素。音階的頻率可以通過高頻時(shí)鐘進(jìn)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(chǎn)生強(qiáng)烈的節(jié)奏感。再輔以LCD來顯示音階的高低長(zhǎng)短，不懂樂理知識(shí)的人便可以直觀的看到不同音調(diào)對(duì)應(yīng)的音階。
總體設(shè)計(jì)要求如下：
(1)分頻主要是通過一個(gè)可控分頻器實(shí)現(xiàn)的。采用時(shí)鐘的頻率越高，分頻系數(shù)越大，分頻后的音階頻率就越準(zhǔn)確。但同時(shí)由于分頻系數(shù)大使用的計(jì)數(shù)單元增加，從而耗費(fèi)更多的硬件邏輯單元，因此可以采取一個(gè)較為適中的時(shí)鐘頻率12MHz。
(2)經(jīng)過分頻后的信號(hào)是一個(gè)脈寬極窄的時(shí)鐘信號(hào)，必須對(duì)其進(jìn)行脈沖寬度調(diào)整，增大占空比，才能有效地驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。在脈沖寬度調(diào)整時(shí)會(huì)對(duì)此信號(hào)再次二分頻，所以在計(jì)算時(shí)，以樂音音階的二倍頻率去求取在特定時(shí)鐘信號(hào)下的分頻系數(shù)，以便在調(diào)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(duì)應(yīng)的分頻系數(shù)也不斷變化，因此需要將播放的樂曲的分頻系數(shù)事先存放在ROM中便于讀取。如果將分頻系數(shù)直接作為存儲(chǔ)碼存放在寄存器中，勢(shì)必會(huì)占有更大的容量。因此在這里選取索引值來作為存儲(chǔ)碼以減小容量。
(4)開發(fā)平臺(tái)上的LED燈數(shù)量有限，可以選用有規(guī)律的閃爍，例如從左到右依次點(diǎn)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(shè)計(jì)選用第二種。
圖1為音樂流水燈控制系統(tǒng)的總統(tǒng)原理框圖?？梢钥吹皆撓到y(tǒng)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(gè)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(chǎn)生模塊。

2 模塊設(shè)計(jì)
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(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)下將事先存儲(chǔ)在ROM里的樂譜所對(duì)應(yīng)的索引值依次輸出，控制分頻，并產(chǎn)生相應(yīng)的分頻信號(hào)頻率，以此來控制蜂鳴器的發(fā)聲。
2．1．1 音階分頻器的設(shè)計(jì)
為了能夠在播放樂曲的同時(shí)顯示當(dāng)前音階，用LED的位數(shù)來指示當(dāng)前音階的高低音。程序中的音階分頻系數(shù)通過索引值來進(jìn)行選取，即在音樂播放過程中由樂譜存儲(chǔ)電路傳遞來的當(dāng)前音階的索引值。
2．1．2 音階頻率產(chǎn)生的設(shè)計(jì)
音階頻率產(chǎn)生電路在獲取上面的音階索引值對(duì)應(yīng)的分頻系數(shù)后，通過可控計(jì)數(shù)器進(jìn)行分頻。分頻電路中的計(jì)數(shù)器進(jìn)行減1計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器的進(jìn)位信號(hào)即為分頻信號(hào)。因?yàn)榇诵盘?hào)的脈沖寬度極小，所以需要調(diào)整占空比才使外部驅(qū)動(dòng)電路提供足夠的驅(qū)動(dòng)蜂鳴器的功率，而具體是對(duì)分頻信號(hào)再進(jìn)行二分頻實(shí)現(xiàn)的。
2．1．3 樂譜播放控制模塊設(shè)計(jì)
音樂播放就是通過外部的8 Hz時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，內(nèi)部以計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)、產(chǎn)生地址，送到ROM單元中作為存儲(chǔ)器地址，將對(duì)應(yīng)地址的數(shù)據(jù)——音階索引值輸出。
在本設(shè)計(jì)中，每個(gè)音的發(fā)出由另一個(gè)8 Hz的時(shí)鐘信號(hào)來控制。樂譜中的4分音符由4個(gè)時(shí)鐘信號(hào)來驅(qū)動(dòng)。每個(gè)時(shí)鐘下，其對(duì)應(yīng)的音階輸出以索引值的形式存儲(chǔ)在ROM中。文中ROM的地址線為10位，數(shù)據(jù)線寬度為4位。ROM里存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)即各音節(jié)的索引值，根據(jù)樂譜轉(zhuǎn)換的需要，16個(gè)索引值即可滿足樂曲曲譜編寫的需求，所以設(shè)置了4位數(shù)據(jù)線。地址線的寬度主要取決于樂曲的長(zhǎng)度。本設(shè)計(jì)中用到了約520個(gè)4 bit單元，為了留有一定裕度，將數(shù)據(jù)線寬度定義為10位，即1 024個(gè)4 bit單元。其中不同的音階對(duì)應(yīng)的索引值如表1所示。