基于-FPGA的音乐播放器的设计

I摘要根据国家发改委与专业教学委员会对教育机构的要求，为培养适应我国21世纪国民经济发展的电子设计人才；同时基于国家教委面向21世纪电工电子课程体系改革和电工电子工科教学基地建设两项教学改革研究成果。要求高等本科在校学生能够自己动手完成简单的数字器件设计。本次设计在自己手动焊接简易的PFGA板子上实现，并且在QusrtusII9.0上利用VHDL设计数控分频器电路，利用数控分频原理设计音乐硬件演奏电路，并制定LPM-ROM存储音乐数据，以“梁祝”乐曲为例，将音乐数据存储到LPM-ROM，就达到了已纯硬件的手段来实现乐曲演奏的效果，只要修改LPM-ROM所存储的音乐数据，将其转换为其他的音乐数据，再重新制定LPM-ROM，在连接到程序中就可以实现其他与取得演奏。本次设计采用的FPGA主芯片位ALTERA公司的FLEX系列的EPF10K10LC84-4。由于板子是自己手动在万用板上焊接的所以只焊接了必要的外设如蜂鸣器和LED。关键词FPGA；音乐播放器；QuartusII；VHDL；目录摘要............................................................................................................................................I第一章前言.............................................................................................................................21.1关于EDA技术.............................................................................................................21.2关于VHDL...................................................................................................................21.3关于EDA工具............................................................................................................31.4有关本次课程设计....................................................................................................3第二章设计实现.....................................................................................................................42.1音乐演奏电路原理.....................................................................................................42.1.1音符频率的获得..............................................................................................42.1.2乐曲节奏的控制...............................................................错误!未定义书签。2.1.3乐谱发生器.......................................................................错误!未定义书签。2.1.4乐曲演奏电路原理框图...................................................错误!未定义书签。2.2音乐硬件演奏电路的设计实现.................................................................................52.2.1各个模块的功能简介.......................................................错误!未定义书签。2.2.2music模块......................................................................................................62.3地址发生器模块.........................................................................................................82.3.1地址发生器的VHDL设计................................................................................82.3.2波形仿真..........................................................................................................92.4分频预置数模块.........................................................................................................92.4.1分频预置数模块的VHDL设计........................................................................92.4.2波形仿真........................................................................................................102.5十六进制模块............................................................................错误!未定义书签。12.5.1十六进制模块的VHDL设计...........................................错误!未定义书签。12.5.2波形仿真.........................................................................错误!未定义书签。12.6数控分频模块............................................................................错误!未定义书签。22.6.1数控分频模块的VHDL设计.............................................错误!未定义书签。2.6.2波形仿真..........................................................................错误!未定义书签。2.7分频模块..................................................................................................................132.8顶层模块...................................................................................................................15结论.........................................................................................................................................17参考文献.................................................................................................................................18基于FPGA的音乐播放器的设计2第一章前言1.1关于EDA技术随着科学技术的进步，电子器件和电子系统设计方法日新月异，电子设计自动化（ElectronicsDesignAutomation，EDA）技术正是适应了现代电子产品设计的要求，吸收了多学科最新成果而形成的一门新技术。现如今掌握EDA技术是电子信息类专业的学生、工程技术人员所必备的基本能力和技能。传统电子电路的设计，首先要对系统进行分析，然后按功能对系统进行划分，接下来就要选择特定芯片，焊接成PCB电路板，最后对成品PCB电路板进行调试。这样的设计没有灵活性可言，搭成的系统需要的芯片种类多且数目大，而且对于电路图的设计和电路板的设计都需要很大的工作量，工作难度也很高。然而，随着可编程器件和EDA技术的发展，传统设计的劣势被克服，采用可编程逻辑器件基于芯片的设计方法，期间的内部逻辑和引脚可以由设计者自行决定，大大提高了设计的灵活性，提高了工作效率；同时，将系统集成在一个芯片上的设计，使系统具有体积小、功耗低、可靠性高等特点。EDA技术的发展大致经历了三个阶段：20世纪70年代的CAD（计算机辅助设计）阶段、20世纪80年代的CAE（计算机辅助工程）阶段、20世纪90年代后的EDA（电子设计自动化）阶段。以下主要介绍第三个阶段。EDA技术即电子设计自动化技术，它是以可编程逻辑器件(PLD)为载体，以硬件描述语言(HDL)为主要的描述方式，以EDA软件为主要的开发软件的电子设计过程。它主要采用“自顶向下”的设计方法，设计流程主要包括：设计输入、综合、仿真、适配、下载。EDA技术主要有以下特征：(1)高层综合的理论和方法取得进展，从而将EDA设计层次由RT级提高到了系统级，并推出了相应的系统级综合优化工具，大大缩短了复杂ASIC的设计周期。(2)采用硬件描述语言来描述10万门以上的设计，并形成了VHDL和Verilog-HDL两种标准硬件描述语言。(3)采用平面规划技术对逻辑综合和物理版图设计联合管理，做到在逻辑设计综合早期阶段就考虑到物理设计信息的影响。(4)可测性综合设计。(5)为带有嵌入式IP核的ASIC设计提供软、硬件协同设计工具。(6)建立并行设计工具框架结构的集成化设计环境，以适应当今ASIC规模大而复杂、数字与模拟电路并存、硬件与软件设计并存、产品上市速度快等特点。总而言之，EDA技术的出现，给电子信息产业带来了革命性的变革。1.2关于VHDLVHDL是一种硬件描述语言，它可以对电子电路和系统的行为进行描述，基于这种描述，结合相关的软件工具，可以得到所期望的实际电路与系统。使用VHDL语言描述的电路，可以进行综合和仿真。然而，值得注意的是，尽管所有VHDL代码都是可仿真的，但并不是所有代码都能综合。VHDL被广泛使用的基本原因在于它是一种标准语言，是与工具和工艺无关的，从而可以方便地进行移植和重用。VHDL两个最直接的应用领域是可编程逻辑器件