20xx《EDA技术基础》【设计】实验总结报告模板及要求(1)(9400字)

来源:m.ttfanwen.com时间:2016.9.6

20xxEDA技术基础设计实验总结报告模板及要求1

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EDA技术基础 音乐播放器 设计性实验 2008112020346郭斌 电子信息科学与技术 物电学院0803班

湖北师范学院电工电子实验教学省级示范中心电子版实验报告

一、任务解析:

以前用51单片机制作了一个可演奏的电子琴,学习了EDA技术之后,感

觉FPGA与单片机有许多类似的地方。于是,启发我用FPGA做一个可随意演奏的音乐播放器。设计低、中、高21个音,几乎能够实现一般歌曲的演奏。要实现该功能,就必须考虑到一首歌曲的产生应该考虑的两个因素:音符的产生频率和音的节拍(即声音持续的时间)。只要控制输出到扬声器的激励信号频率的高低和持续的时间,就可以使扬声器发声产生优美的歌曲。

二、方案论证: 1、音调的控制:

频率的高低决定了音调的高低。通过查阅资料,得到下面的音符名与频率

的关系表:

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分频比预置数的计算:

分频比就是从6Mhz基准频率通过二分频得到的3Mhz频率基础上计算得

到的。对于乐曲中的休止符,只需将其分频系数设为0,将分频预置数设为16383即可。例如:低音3的频率为330hz,分频比为3M/330hz=3000000/330=9091,

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则其分频预置数为:16383-9091=7292。其他的音符对应的分频比和分频比预置数均按此法计算可得到。依次计算出低、中、高3X7=21个音的预置数。 各音阶对应的预置数如下表:

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2、音长的控制:

音符的持续时间必须根据乐曲的速度及每个音符的节拍数来确定。本试验

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中,设定最短的音符为4分音符,若将全音符的持续时间设为1s的话,则需要提供一个4Hz的时钟频率即可产生4分音符的时间,每1/4个节拍的时间为0.25s,一个完整的节拍为1s。

以上即为音乐播放器的原理框图。控制音调通过设置计数器的预置数来实现,

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预置不同的数可以使计数器产生不同频率的信号,从而产生不同的音调。控制音长则是通过控制计数器预置数的停留时间来实现的,预置数停留的时间越长,则该音符演奏的时间越长。每个音符的演奏时间都是0.25s的整数倍,对于节拍较长的音符,例如2分音符,占了2/4个节拍,在记谱的时候将其连续记录2次即可。

三、实验步骤:

1、分频产生6Mz的基准频率:

module div_clk6mhz(clk24m,clk6m);

input clk24m;

output clk6m;

reg clk6m;

reg cnt;

always @(posedge clk24m)

endmodule

由于此分频电路简单,就不在这里给出仿真波形了。

2、分频产生4hz的节拍控制频率:

module div_clk4hz(clk24m,clk4);

input clk24m;

output clk4;

reg clk4;

reg [21:0]cnt;

第4页,共12页 if(cnt<1)cnt=cnt+1; //(24m/6m=4分频,cnt<[4/2-1=1]即可) else begin cnt=0;clk6m=!clk6m;end

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always @(posedge clk24m)

endmodule

此分频电路也很简单,就不在这里给出仿真波形了。

3、乐曲产生模块:

核心模块就在这里,这里:(1)首先罗列了低、中、高21个音的分频比if(cnt<2999999)cnt=cnt+1;//(24m/4hz=6000000,cnt<[6000000/2-1=2999999]) else begin cnt=0;clk4=!clk4;end 预置数(还有休止符的预置数16383),通过6Mhz的基准频率,在其上升沿的时候,计数器累加,当计满到16383之后就取反speaker(speaker<=~speaker非阻塞赋值),产生对应音符的频率,这里和单片机的定时计数器溢出中断差不多。

(2)产生了21个音调之后,我们要产生流畅的歌曲,还必须根据歌曲的谱子,调用相应音符并且根据节拍控制其持续的时间,例如:若一个音持续4个1/4节拍,则在clk_4hz的上升沿,连续调用4次它的音符就可以了。用counter来计数,计满了(何时计满取决于歌曲长度)就将counter返回为0,这样就可以实现循环演奏了。代码如下:

module song(clk_6mhz,clk_4hz,speaker);

input clk_6mhz,clk_4hz;

output speaker;

reg [3:0]high,med,low;

reg [13:0]divider,origin;

reg [7:0]counter;

reg speaker;

wire carry;

assign carry=(divider==16383);

always @(posedge clk_6mhz)

begin if(carry)divider<=origin;

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else divider<=divider+1;

end

always @(posedge carry)

begin speaker<=~speaker;end

always @(posedge clk_4hz)

begin

case({high,med,low})

'b000000000001:origin<=4933;

'b000000000010:origin<=6179;

'b000000000011:origin<=7292;

'b000000000100:origin<=7787;

'b000000000101:origin<=8730;

'b000000000110:origin<=9565;

'b000000000111:origin<=10310; 'b000000010000:origin<=10647; 'b000000100000:origin<=11272; 'b000000110000:origin<=11831; 'b000001000000:origin<=12085; 'b000001010000:origin<=12556; 'b000001100000:origin<=12974; 'b000001110000:origin<=13347; 'b000100000000:origin<=13515; 'b001000000000:origin<=13830; 'b001100000000:origin<=14107; 'b010000000000:origin<=14236; 'b010100000000:origin<=14470; 'b011000000000:origin<=14678; 'b011100000000:origin<=14858; 'b000000000000:origin<=16383; endcase

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end

always @(posedge clk_4hz)

begin

if(counter==113)counter<=0;

else counter=counter+1;

case(counter)

0: {high,med,low}<='b000000000101; 1: {high,med,low}<='b000000000101;// 2: {high,med,low}<='b000000000110; 3: {high,med,low}<='b000000000110;// 4: {high,med,low}<='b000000000101; 5: {high,med,low}<='b000000000101;// 6: {high,med,low}<='b000100000000; 7: {high,med,low}<='b000100000000;// 8: {high,med,low}<='b000001110000; 9: {high,med,low}<='b000001110000; 10:{high,med,low}<='b000001110000; 11:{high,med,low}<='b000001110000;// 12:{high,med,low}<='b000001010000; 13:{high,med,low}<='b000001010000;// 14:{high,med,low}<='b000001100000; 15:{high,med,low}<='b000001100000;// 16:{high,med,low}<='b000001010000; 17:{high,med,low}<='b000001010000;// 18:{high,med,low}<='b001000000000; 19:{high,med,low}<='b001000000000;// 20:{high,med,low}<='b000100000000; 21:{high,med,low}<='b000100000000; 22:{high,med,low}<='b000100000000; 23:{high,med,low}<='b000100000000;//

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24:{high,med,low}<='b000001010000; 25:{high,med,low}<='b000001010000;// 26:{high,med,low}<='b010100000000; 27:{high,med,low}<='b010100000000;// 28:{high,med,low}<='b001100000000; 29:{high,med,low}<='b001100000000;// 30:{high,med,low}<='b000100000000; 31:{high,med,low}<='b000100000000;// 32:{high,med,low}<='b000001110000; 33:{high,med,low}<='b000001110000;// 34:{high,med,low}<='b011000000000; 35:{high,med,low}<='b011000000000;// 36:{high,med,low}<='b010000000000; 37:{high,med,low}<='b010000000000;// 38:{high,med,low}<='b001100000000; 39:{high,med,low}<='b001100000000;// 40:{high,med,low}<='b000100000000; 41:{high,med,low}<='b000100000000;// 42:{high,med,low}<='b001000000000; 43:{high,med,low}<='b001000000000;// 44:{high,med,low}<='b000100000000; 45:{high,med,low}<='b000100000000; 46:{high,med,low}<='b000100000000; 47:{high,med,low}<='b000100000000; 48:{high,med,low}<='b000100000000; 49:{high,med,low}<='b000100000000;///////祝你生日快乐,完毕。 50: {high,med,low}<='b000000000011;/////////梁祝,开始 51: {high,med,low}<='b000000000011; 52: {high,med,low}<='b000000000011;

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湖北师范学院电工电子实验教学省级示范中心电子版实验报告 53: {high,med,low}<='b000000000011;

54: {high,med,low}<='b000000000101;

55: {high,med,low}<='b000000000101;

56: {high,med,low}<='b000000000101;

57: {high,med,low}<='b000000000110;

58: {high,med,low}<='b000000010000;

59: {high,med,low}<='b000000010000;

60:{high,med,low}<='b000000010000;

61:{high,med,low}<='b000000100000;

62:{high,med,low}<='b000000000110;

63:{high,med,low}<='b000000010000;

64:{high,med,low}<='b000000000101;

65:{high,med,low}<='b000000000101;

66:{high,med,low}<='b000001010000;

67:{high,med,low}<='b000001010000;

68:{high,med,low}<='b000001010000;

69:{high,med,low}<='b000100000000;

70:{high,med,low}<='b000001100000;

71:{high,med,low}<='b000001010000;

72:{high,med,low}<='b000000110000;

73:{high,med,low}<='b000001010000;

74:{high,med,low}<='b000000100000;

75:{high,med,low}<='b000000100000;

76:{high,med,low}<='b000000100000;

77:{high,med,low}<='b000000100000;

78:{high,med,low}<='b000000100000;

79:{high,med,low}<='b000000100000;

80:{high,med,low}<='b000000100000;

81:{high,med,low}<='b000000100000;

82:{high,med,low}<='b000000100000;

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湖北师范学院电工电子实验教学省级示范中心电子版实验报告 83:{high,med,low}<='b000000100000;

84:{high,med,low}<='b000000100000;

85:{high,med,low}<='b000000110000;

86:{high,med,low}<='b000000000111;

87:{high,med,low}<='b000000000111;

88:{high,med,low}<='b000000000110;

89:{high,med,low}<='b000000000110;

90:{high,med,low}<='b000000000101;

91:{high,med,low}<='b000000000101;

92:{high,med,low}<='b000000000101;

93:{high,med,low}<='b000000000110;

94:{high,med,low}<='b000000010000;

95:{high,med,low}<='b000000010000;

96:{high,med,low}<='b000000100000;

97:{high,med,low}<='b000000100000;

98:{high,med,low}<='b000000000011;

99:{high,med,low}<='b000000000011;

100:{high,med,low}<='b000000010000;

101:{high,med,low}<='b000000010000;

102:{high,med,low}<='b000000000110;

103:{high,med,low}<='b000000000101;

104:{high,med,low}<='b000000000110;

105:{high,med,low}<='b000000010000;

106:{high,med,low}<='b000000000101;

107:{high,med,low}<='b000000000101;

108:{high,med,low}<='b000000000101;

109:{high,med,low}<='b000000000101;

110:{high,med,low}<='b000000000101;

111:{high,med,low}<='b000000000101;

112:{high,med,low}<='b000000000101;

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113:{high,med,low}<='b000000000101; endcase end endmodule

4、三个模块都完成之后,生成相应的电路原理图,并连接起来,组成一个完整的音乐播放器电路,如下:

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5、完成以上步骤之后,分配引脚到试验箱上的芯片,连接好引脚到扬声器等,并且接好相应的短路帽。然后烧写程序到芯片中去,测试音乐播放器是否可以产生预期已经谱好了曲子的歌曲。经过硬件测试,能够产生《梁祝》和《祝你生日快乐》,在这里我只写了2首简单的歌曲。

四、实验分析

1、所有不同频率的信号都是从同一个基准频率分频得到。由于音阶频率多为分整数,而分频比又不能为小数,故必须将计算得到的分频数四舍五入取整。如果基准频率过低,则如果分频比太小,四舍五入取整后的误差较大。若基准频率过高,虽然误差小,但分频数将会变大。设计时,综合考虑,在尽量减小频率误差的前提下取合适的基准频率。我在这里就选取了6Mhz的时钟频率。

2、由于最大分频预置数为16383(休止符),2的14次方=16384>16383,

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故只需取14bit即可,14位的二进制计数器可满足要求。分频比都是从6Mhz频率二分频得到3Mhz频率基础上计算得到。

3、如何分频得到想要的频率?总结了下,如果想由已知频率得到N分频的频率,计数器count<(N/2-1)为分界线,将要得到的频率在分界线处取反即可。 比如:上面要从24Mhz得到4hz的频率,N=24000000/4=6000000,则cnt<(6000000/2-1)即cnt<2999999即可。

五、实验总结;

其实,音乐播放器用FPGA来实现是很简单的。核心部分就是抓住了乐曲的两个要点:音调的控制和音长的控制。因此,涉及到两个频率,一个用来控制产生相应的音调,一个是用来控制该音调持续的时间(即节拍)。我做的这个简易音乐播放器,硬件电路也很简单。其实,可以做的完善和人性化一点,因为声音不只21个音,还有升半调#和降调b,可以加些按键控制,选中某一首歌曲播放。或者还可以通过按键调整模式,可以有自己弹奏乐曲的模式,和音乐自动播放模式,两种模式进行切换。

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