基于FPGA的乐曲演奏电路设计

西华大学课程设计说明书1目录1、EDA技术发展及介绍.....................................错误!未定义书签。1.1EDA技术的介绍................................错误!未定义书签。1.2EDA技术的发展................................错误!未定义书签。1.3EDA技术的发展趋势............................错误!未定义书签。1.4乐曲演奏电路简介.............................错误!未定义书签。2、总体方案设计..........................................错误!未定义书签。2.1设计内容.....................................错误!未定义书签。2.1设计方案比较................................................32.3方案论证.....................................错误!未定义书签。2.3方案选择.....................................错误!未定义书签。3、单元模块设计.........................................................43.1稳压电源电路...................................错误!未定义书签。3.2有源晶振电路..................................................53.3蜂鸣器........................................................63.4七段数码管显示电路............................................74、特殊器件的介绍.......................................................84.1CPLD器件介绍.................................................84.2FPGA器件介绍.................................................84.3MAX||EPM240T100C5器件........................................95、最小系统原理........................................................106、软件实现............................................................116.1音调的控制...................................................116.2音长的控制...................................................126.3软件设计.....................................................127、系统仿真及调试......................................................167.1仿真.........................................................167.2调试........................................................188、总结................................................................198.1设计小结.....................................................198.2设计收获.....................................................198.3设计改进.....................................................198.4致谢........................................................199、参考文献...........................................................20西华大学课程设计说明书21、EDA技术发展及介绍1.1EDA技术的介绍EDA是电子设计自动化（ElectronicDesignAutomation）缩写，是90年代初从CAD（计算机辅助设计）、CAM（计算机辅助制造）、CAT（计算机辅助测试）和CAE（计算机辅助工程）的概念发展而来的。EDA技术是以计算机为工具，根据硬件描述语言HDL（HardwareDescriptionlanguage）完成的设计文件，自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合及优化、布局布线、仿真以及对于特定目标芯片的适配编译和编程下载等工作。硬件描述语言HDL是相对于一般的计算机软件语言，如：C、PASCAL而言的。HDL语言使用与设计硬件电子系统的计算机语言，它能描述电子系统的逻辑功能、电路结构和连接方式。设计者可利用HDL程序来描述所希望的电路系统，规定器件结构特征和电路的行为方式；然后利用综合器和适配器将此程序编程能控制FPGA和CPLD内部结构，并实现相应逻辑功能的的门级或更底层的结构网表文件或下载文件。目前，就FPGA/CPLD开发来说，比较常用和流行的HDL主要有ABEL-HDL、AHDL和VHDL。1.2EDA技术的发展可将EDA技术分为三个阶段。（1）七十年代为CAD阶段，人们开始用计算机辅助进行IC版图编辑、PCB布局布线，取代了手工操作，产生了计算机辅助设计的概念。（2）八十年代为CAE阶段，与CAD相比，除了纯粹的图形绘制功能外，又增加了电路功能设计和结构设计，并且通过电气连接网络表将两者结合在一起，实现了工程设计，这就是计算机辅助工程的概念。CAE的主要功能是：原理图输入，逻辑仿真，电路分析，自动布局布线，PCB后分析。（3）九十年代为ESDA阶段，尽管CAD/CAE技术取得了巨大的成功，但并没有把人从繁重的设计工作中彻底解放出来。在整个设计过程中，自动化和智能化程度还不高，各种EDA软件界面千差万别，学习使用困难，并且互不兼容，直接西华大学课程设计说明书3影响到设计环节间的衔接。基于以上不足，人们开始追求：贯彻整个设计过程的自动化，这就是ESDA即电子系统设计自动化。1.3EDA技术的发展趋势目前的EDA产业正处在一场大变革的前夕，对更低成本、更低功耗的无止境追求和越来越短的产品上市压力正迫使IC供应商提供采用0.13μm或以下的千万门级的系统芯片，而这些系统芯片的高复杂性设计更加依赖于EDA供应商提供全新的设计工具和方法以实现模拟前后端、混合信号和数字电路的完全整合。然而，这些新的需求为当代EDA工具和设计方法带来了不少新的挑战与机会。例如，如何在工艺上防止模拟电路与数字电路之间的干扰；现有的大部份EDA工具最多只能处理百万门级设计规模，随着IC设计向千万门级以上规模发展，现有EDA工具和方法必须进行升级。如何融合各EDA供应商的工具，以便向IC设计界提供更高效能和更方便的RTL-to-GDSII或Conc-ept-to-GDSII整合设计环境；为保证深亚微米(0.13μm或以下)和更低内核工作电压(1.8V或以下)时代的信号完整性和设计时序收敛，必须采用新的设计方法。半导体工艺的每一次跃升都促使EDA工具改变自己，以适应工艺的发展；反过来EDA工具的进步又推动设计技术的发展。可以说EDA工具是IC设计产业的背后推手。系统芯片（SOC）正在迅速地进入主流产品的行列。由此引发的“芯片就等于整机”的现象，将对整个电子产业形成重大的冲击。种种迹象表明，整个电子产业正在酝酿着一场深刻的产业重组，这将为许多新兴的企业提供进入这一行业的最佳。1.4乐曲演奏简介乐曲演奏广泛用于自动答录装置、手机铃声、集团电话及智能仪器仪表设备。实现方法有许多种，在众多的实现方法中，以纯硬件完成乐曲演奏，随着FPGA集成度的提高，价格下降，EDA设计工具更新换代，功能日益普及与流行，使这种方案的应用越来越多。PFGA预装了很多已构造好的参数化库单元LPM器件，通过引入支持LPM的EDA软件工具，设计者可以设计出结构独立而且硅片的使用效率非常高的产品。西华大学课程设计说明书42、总体方案设计2.1设计内容用FPGA器件驱动蜂鸣器演奏“友谊地久天长”片段。一首乐曲包含三个要素：乐曲声音频率，发音时间的长短，停顿的时间。按照图1乐谱，设计相应电路控制speaker信号的方波频率，某一频率持续时间长短，各频率间间隔大小，就可以推动蜂鸣器演奏乐曲。图1“友谊地久天长”片段乐谱注：N一拍；N两拍；N·四拍；N·八拍；N为音谱。2.2设计方案比较方案一：由单片机AT89S52来实现乐曲演奏电路的设计，外围电源采用+5V电源供电，时钟由12MHz的晶振产生，通过按键的状态来检测乐曲演奏状态，中央处理器由AT89S52单片机来完成，乐曲演奏状态由七段数码管来模拟。这种方案结构简单，易掌握，各部分电路实现起来都非常容易，在传统的乐曲演奏设计中也应用得较为广泛，技术成熟。其原理框图如图2-1。图2-1基于单片机的乐曲演奏电路框图方案二：基于现场可编程逻辑门阵列FPGA，通过EDA技术，采用VerilogHDL硬件描述语言实现乐曲演奏电路设计。程序设计思想为：1、用分频电路产生不同频率方波；2、利用计数器实现speaker信号频率选择，某一频率持电源供电电路时钟产生电路按键控制电路AT89S52单片机数码管显示电路扬声器电路西华大学课程设计说明书5续时间长短，各频率间间隔大小。其框图如图2-2。6MHz扬声器4Hz数码管图2-2乐曲演奏电路原理框图2.3方案论证通过方案一二的比较，可以看出方案一的设计使用分立元件电路较为多，因此会增加电路调试难度，且电路的不稳定性也会随之增加，而采用FPGA芯片实现的电路，由于在整体性上较好，在信号的处理和整个系统的控制中,FPGA的方案能大大缩减电路的体积,提高电路的稳定性。此外其先进的开发工具使整个系统的设计调试周期大大缩短，一般来讲，同样的逻辑，基于FPGA要比基于单片机要快很多，因为它们工作的原理是完全不同的。单片机是基于指令工作的，同样的激励到达单片机后，单片机首先要判断，然后读取相应的指令，最后作出相应，这每一步都是需要在单片机的时钟驱动下一步步的进行。而基于FPGA则是把相应的逻辑“暂时”固化为硬件电路了，它对激励作出的响应速度就是电信号从FPGA的一个管脚传播另一个管脚的传播速度，当然这指的是异步逻辑，同时电信号也要在芯片内进行一些栅电容的充放电动作，但这些动作都是非常非常快的。2.4方案选择从目前的EDA技术来看，其特点是使用普及、应用广泛、软件功能强大。在ASIC和PLD器件方面，向超高速、高密度、低功耗、低电压方向发展。当今社会人们对低故障、高实时、高可靠、高稳定的性能更加青睐，结合本设计的要求及综合以上比较的情况，我们选择了基于FPGA的乐曲演奏电路方案。3、单元模块设计本设计由现场可编程门矩阵（FPGA）作为控制芯片，通过VreilogHDL硬件描述语言设计，运用自顶而下的设计思想，按功能逐层分割实现层次化的设计。总体设计方案为（1）用分频电路产生不同频率方波；（2）利用计数器实现speaker信号频率的选择，某一频率持续时间长短，各频率间间隔大小。下面介绍主要模块的功能及作用。反馈预置计数器