基于FPGA的音乐播放器的设计-毕业设计论文

基于FPGA的音乐播发器设计【摘要】本文分析了简谱记录的音频特征信号，提取了《化蝶》简谱特征信号转换为基于FPGA实现的数字信号，设计了总体方案，阐述了播发器控制器模块、可控分频器预置数产生模块、可控分频器模块设计思路，仿真实现各个模块功能，经过实际电路测试验证，达到播放《化蝶》简谱的设计要求。

【关键词】音乐播发器;节拍;音符;计数器音乐播发器是模仿人歌唱的电路，故可用人歌唱作为原型来分析设计音乐电路的总体方案。

人通过声带振动发出声音，声带振动频率不同发出不同声音，故在用数字电路来模仿时，可用一个可控分频电路来产生不同频率时钟信号来驱动外接喇叭或蜂鸣器演奏音乐。

人在歌唱时，是根据歌谱用大脑控制声带按照一定节拍在不同时间发出不同的乐音。

故在用数字电路模仿时，还应该有一个控制电路模块，用来根据歌谱控制可控分频电路模块按照一定节拍在不同时间发出不同的乐音。

控制电路模块分为两个模块，一个用于产生节拍，称节拍产生模块;另一个用于根据歌谱控制可控分频电路模块在不同时间发出不同的乐音，称音符产生模块。

节拍产生模块应是一个计数器，每个状态持续的时间是需演奏的所有的音的音长的最小公因数，比如是一个十六分音符时值，具体时间长度应根据需演奏的歌曲而定。

控制电路的计数器的模即状态数，可由需演奏歌曲的各个音所占据状态个数累加而得。

例如，一首用于演奏“梁祝”乐曲的音乐电路的控制电路的计数器的模是139。

节拍产生电路的计数器是用来产生节拍定时的，音符产生模块则将节拍产生电路的计数器的状态翻译成对应的音符频率信号。

如需演奏的歌曲中所用到的音符为9～16个，则音符产生模块的输出信号应有四位，其他情况依此类推。

《化蝶》简谱音符共有15个，用index表示音符符号，从低音到高音依次编号1～15。

音乐电路设计总体参考方案如图1所示。

图1 总体设计方案本设计以用于演奏“梁祝”乐曲的音乐电路为例，对音乐电路各模块的实施进行分析。

一、控制电路模块控制电路模块包含节拍产生模块和音符产生模块两个子模块，可合写成一个文件。

基于FPGA/CPLD的脉冲信号型乐曲播放器的设计毕业论文目录第一章绪论 (1)第一节EDA技术概述 (1)第二节EDA技术的基本特征 (2)一、"自顶向下"的设计方法 (2)二、ASIC设计 (3)三、硬件描述语言 (3)四、系统框架结构 (4)第二章开发环境介绍 (5)第一节QUARTUSⅡ介绍 (5)一、设计输入 (5)二、综合 (7)三、仿真 (8)第二节仿真环境简介 (8)一、仿真器设置 (9)二、建立波形文件 (9)三、仿真 (9)第三节下载环境及下载流程 (10)一、打开下载窗口 (10)二、设置下载电缆 (10)三、设置JTAG链 (11)四、下载 (11)第三章原理分析及方案论证 (12)第一节基本原理 (12)一、音高频率分析 (12)二、音高控制分析 (13)三、顺序控制分析 (13)第二节方案论证及选择 (14)一、方案一 (15)二、方案二 (15)第四章脉冲型乐曲播放器的设计 (17)第一节顶层设计原理图 (17)一、方案一的顶层设计 (17)二、方案二的顶层设计 (17)第二节分频模块的设计实现 (18)一、分频器“DFC”和“DFC1”的设计 (18)二、分频器“DFC”和“DFC1”的仿真 (19)第三节顺序控制模块“SXKZ”的设计实现 (21)一、“SXKZ”模块的设计 (21)二、“SXKZ”模块的仿真 (21)第四节音高控制模块“YGKZ”的设计实现 (22)一、“YGKZ”模块的设计 (22)二、“YGKZ”模块的仿真 (23)第五节地址产生模块“ADDR”的设计实现 (24)一、“ADDR”模块的设计 (24)二、“ADDR”模块的仿真 (25)第六节顺序控制模块“ROM”的设计实现 (26)一、“ROM”模块的设计 (26)二、“ROM”模块的仿真 (29)第五章总体设计的编译仿真及下载 (31)第一节方案一的编译及仿真 (31)一、方案一仿真实体的建立 (31)二、方案一的功能仿真波形图 (32)第二节方案二的编译及仿真 (32)一、方案二仿真实体的建立 (32)二、方案二的功能仿真波形图 (33)结论 (34)致谢 (35)参考文献 (36)附录 (37)附录Ⅰ《世上只有妈妈好》的乐谱 (37)附录Ⅱ“DFC”模块的源程序 (38)附录Ⅲ“DFC1”模块的源程序 (40)附录Ⅳ“SXKZ”模块的源程序 (42)附录Ⅴ“YGKZ”模块的源程序 (51)附录Ⅵ“ADDR”模块的源程序 (53)附录Ⅶ“ROM”模块的源程序 (55)第一章绪论第一节EDA技术概述微电子技术的进步主要表现在大规模集成电路加工技术及半导体工艺技术的发展上，表征半导体工艺水平的线宽已经达到了60nm，并还在不断地缩小，而在硅片单位面积上，更多的晶体管集成电路设计正在不断地向超大规模、极低功耗和超高速的方向发展，专用集成电路ASIC（Application Specific Integrated Circuit）的设计成本不断降低，在功能上，现代的集成电路已能够实现单片电子系统SOC(System On a Chip)。

毕业设计基于FPGA的乐曲演奏电路设计摘要设计了一种基于FPGA的电子琴，该电子琴由用VHDL硬件描述语言设计的核心部件和适当的外围电路构成，可从琴键上进行演奏也可自动进行乐曲演奏。

基于FPGA(现场可编程门阵列)芯片，利用VHDL语言，介绍了一种通用乐曲演奏电路的设计，可实现多个八度音阶的乐曲演奏，与简谱的对应关系简单，编程方便，占用资源少，通用性好，可作为IP core模块引用，构成复杂的SOPC系统．关键词：电子琴；现场可编程门阵列（FPGA）；智力产权核（IP core）；超高速集成电路硬件描述语言(VHDL)；乐曲AbstractAn electronic piano is designed based on FPGA，which consists of core paris that designed by using VHDL hardware description languages，as well as some periphery circuits.The musical perform ance can be donenot only by keys but also with automatic type in the electronic piano．Based on FPGA，by VHDL language，this paper introduces a universal music circuit design，it can play high，middle and low multiple tonality，simple corresponding relation with simple musical notation，which programs easily using little resource．It can be used universally for IP core in making complicated SOPC system．Key words：electronic piano；Field Programmable Gate Array（FPGA）；Intelligence Property core(IP core) ；Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language(VHDL)；music目录1.简易电子琴与音乐发生器设计的介绍 (4)1.1简易电子琴设计介绍 (4)1.2音乐发生器设计介绍 (4)2.F P G A功能与使用简介 (6)2.1F P G A简介 (6)2.1.1F P G A的产生 (6)2.1.2F P G A的基本结构 (7)2.1. 3 MAX+PLUSII (7)2.2硬件描述语言V H D L (10)2.2.1V H D L语言的优点 (10)2.2.2利用V H D L语言设计数字系统的特点 (11)2.2.3V H D L语言的基本结构 (13)2.2.4V H D L的设计流3.简易电子琴设计及程序 (16)3.1简易电子琴设计总体框图 (16)3.2模块设计 (16)3.2.1模块Q I N设计 (16)3.2.2模块F A N A设计 (17)4.音乐发生器设计及程序 (20)4.1使用的乐谱 (20)4.2音乐发生器设计及程序 (20)4.2.1音乐发生器总框图 (20)4.2.2可变分频器设计 (20)4.2.3到计时模块设计 (31)5.仿真 (3)45.1概述 (34)5.2仿真验证与实5.2.1电子琴电路的仿真 (35)5.2.2音乐发生器仿真 (35)6.结论 (3)77.致谢 (3)88．参考文献 (39)1.简易电子琴与音乐发生器设计的介绍1.1简易电子琴设计介绍电子琴因其操作简单，且能模拟各种传统乐器的音色，而深受消费者喜爱。

摘要一、设计的任务与要求 (2)1、任务与要求 (2)2、系统原理 (2)3、创新部分 (3)二、系统顶层原理图 (3)三、各功能模块叙述 (3)1、时钟生成模块 (3)2、时钟生成子模块 (4)3、时钟生成子模块各内部模块 (4)4、模式选择模块 (8)5、模式选择子模块 (9)6、模式选择子模块各内部模块 (9)7、显示模块 (15)8、显示子模块 (16)9、显示子模块各内部模块 (16)10、数据选择使能模块 (21)11、数据选择使能子模块 (22)12、数据选择使能子模块各内部模块 (22)13、数据选择模块 (26)14、音乐输出模块 (27)15、音乐输出子模块 (28)16、音乐输出模块子模块各内部模块 (28)四、硬件验证结果说明 (33)1、硬件资源使用情况 (33)2、引脚锁定 (33)3、基本功能验证 (34)五、心得体会 (36)六、参考文献 (36)摘要本文是以altera公司的FPGA芯片（EP2C5T144C8）为核心控制器，在QuartusII7.2软件平台上，完成了简易MP3的设计和与仿真，并下载到GW48-CK实验开发箱上进行了硬件验证。

通过定制LPM-ROM存储音乐数据，达到了以纯硬件的手段来实现乐曲的演奏效果。

只要修改LPM-ROM中所存储的音乐数据，就可以实现其它乐曲的演奏。

该音乐播放器设计具有电路简单、程序易改和调试方便等特点。

整个系统工作稳定，程序精简，界面友好。

关键词:altera、FPGA、EP2C5T144C8、音乐播放器一、设计的任务与要求:1、任务与要求:基于嵌入式技术利用VHDL硬件语言描述完成音乐播放器（1）基本要求：a、预存2首乐曲；b、用数码管显示当前播放乐曲的序列号；c、设置开始/暂停键，乐曲播放过程中按该键则暂停播放，再按则继续播放；（2）提高部分：a、播放模式选择（顺序播放和随机播放）；b、用户可自行设置播放顺序；c、播放乐曲的时间显示；d、自拟其他功能。

基于FPGA的音乐播放器的设计作者：陈嘉来源：《中国新通信》 2018年第19期【摘要】本文主要从FPGA 概述角度出发，阐述了基于FPGA 音乐播放器电路设计原理，论述了基于FPGA 音乐播放器算法模块设计，最后对音乐播放器系统实现进行叙述，并从不同角度进行详细分析，从而为基于FPGA 的音乐音乐播放器设计研究提供参考。

【关键词】电路原理电子产品系统设计引言随着科学技术不断创新与发展，电子产品生命周期逐渐被缩短，大部分电子产品在半年内便会被新产品所替代，因此要进一步对电子产品开发周期实施缩短，由此便应用到可编程逻辑器件，不仅能够有效缩短产品开发周期，同时随着集成电路制作技术水平不断提升，可编程逻辑器件整体设计技术水平得到有效提升，从而应用到各类电子产品开发当中。

一、FPGA 概述分析FPGA 主要指一种现场可编程门阵列，其主要以CPLD、GAL、PLA 等编程器为基础，通过不断发展和创新产生，属于半定制电路之一，属于专用集成电路领域中的一种，其优势在于填补定制电路存在的缺陷，并且可以解决可编程器件门电路数有限问题。

在实际应用过程中，其主要利用逻辑单元陈列，其中包括内部连线、输入输出模块以及可配置逻辑模块CLB，通过小型查找表来实施组合逻辑，每一个D 触发器输入端都连接着查找表，然后利用触发器来实现I/O 和逻辑电路驱动，同时利用向内部静态储存单元在实现编程数据加载，从而最终实现整个FPGA 功能。

二、基于FPGA 音乐播放器电路设计原理作为一种基本逻辑器件，计数器应用比较广泛，尤其是在数字系统当中应用比较频繁，其主要应用功能是通过计算操作来发挥自身效果，其在应用过程中可以和定时、分频产生脉冲序列和节拍脉冲，分频器能够将频段不同的声音信号进行划分，同时单独将不同声音信号方法，然后将其输送到一定频段扬声器当中，并通过重放方式来实现播放目的，由此可见，播放电路基本原理主要是将声音信号进行单独方法，并通过放大方式来达到一定播放效果。

毕业设计（论文）题目基于FPGA的音频处理系统毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

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作者签名：日期：指导教师签名：日期：使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：日期：学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

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作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日注意事项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

基于FPGA/CPLD的脉冲信号型乐曲播放器的设计摘要用纯硬件来完成乐曲演奏电路的逻辑非常复杂，仅凭传统的数字逻辑技术，即使最简单的电路也难以实现。

但是借助于功能强大的EDA工具和硬件描述语言，就可以轻松的实现设计。

本设计利用可编程逻辑器件设计一个控制器让不同频率的脉冲信号有序的输出并驱动扬声器发声，最终完成一首乐曲的演奏。

设计以《世上只有妈妈好》为例，分析了硬件电路发声的基本原理，探讨了可以实现设计的方案，利用VHDL语言在QuartusⅡ上编程设计了节拍发生器、分频器、顺序控制、音高控制等模块的功能。

最后，运用原理图编辑器调出已经设计好的各个模块，根据设计的要求进行连线、加输入输出脚，得到了总体设计的仿真实体。

并对总体设计进行了功能仿真和下载。

本设计完成了乐曲《世上只有妈妈好》的32个音符64个节拍的播放，每个节拍0.5秒，整曲播放时长为32秒。

基于FPGA，利用Quartus Ⅱ和VHDL语言完成的脉冲型乐曲播放器，其特点是设计简单、灵活、设计周期短；缺陷是实现播放的乐曲种类单一，播放时间长度较短，若想要实现较长的乐曲播放，则需要很长的源程序。

关键词：FPGA，EDA，VHDL，QuartusⅡ，乐曲播放器The design of the pulse-type music player based on FPGA / CPLDAbstractIt is very complex to complete the music playing logic circuit using pure hardware. Only depend on the traditional digital logic technology, it is difficult to achieve even the simple circuit. However, it is very ease to achieve by using the EDA tools and hardware description language. The design finished a controller that output a series of orderly pulse signal with different frequencies and driven speaker with, by using the programmable logic device ,and finally complete the concert of a music.The music <shi shang zhi you ma ma hao> was used as an example. The basic principal of the hardware circuit sing was analyzed. How could achieve the player’s faction was also discussed. Following functional module was designed in Quartus II by using VHDL language: pulse generator, frequencies divider, sequence control, pitch control and so on. Finally, simulate entity was build in the Block Editor of the Quartus II , using all of the module which has been designed and according to the design’s requirements to connect, and plus input and output pin. Following these, the player’s entity was simulated and downloaded. The <shi shang zhi you ma ma hao>’s note 32 of the 64 players beat was completed in this design. One beat was sat as 0.5 seconds long, and the whole song was played within 32 seconds。