FPGA Verilog HDL 设计实例系列连载--------乐曲演奏

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本帖最后由 eehome 于 2013-1-5 09:50 编辑

Verilog HDL 之乐曲演奏

　　我们都知道，乐曲由音调和音长组成，只要将音调和音长控制好就能演奏出动听的乐曲。下面将用Verilog HDL 硬件描述语言完成乐曲演奏的设计。

1、音调的控制

　　频率的高低决定了音调的高低。图1.1是音调和音律之间的关系。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图1.1 音调和音律之间的关系

　　所有不同频率的信号都是从同一个基准频率分频得来的。由于音阶频率多为非整数，而分频系数又不能为小数，故必须将计算得到的分频数四舍五入取整。若基准频率过低，则由于分频比太小，四舍五入取证后的误差较大。若基准频率过高，虽然误差变小，但分频数将变大。实际的设计应综合考虑两方面的因素，在尽量减小频率误差的前提下去合适的基准频率。

　　本例中需要演奏的是梁祝，该乐曲各音阶频率及相应的分频比如图1.2所示。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图1.2 乐曲各音阶频率及相应的分频比

　　在表中除了给出分频比外，还给出了对应与各个音阶频率时计数器不同的预置数。对于不同的分频系数，只要加载不同的预置数即可。采用加载预置数实现分频的方法比采用反馈复零法节省资源，实现起来更容易。

2、音长的控制

　　音符的持续时间须根据乐曲的速度及每个音符的节拍数来确定。
　　本实验中演奏梁祝片断，最短的音符为四分音符。

3、乐曲演奏威廉希尔官方网站的原理框图

　　　　　　　　　　　　　　　　　图1.3 乐曲演奏威廉希尔官方网站的原理框图　

　　其中，乐谱产生威廉希尔官方网站用来控制音乐的音调和音长。控制音调通过设置计数器的预置数来实现，预置不同的数值可以使计数器产生不同频率的信号，从而产生不同的音调。控制音长是通过控制计数器预置数停留时间来实现，每个音符的演奏时间是0.25S的整数倍，对于节拍较长的音符，如二分音符。在记谱时将分别连续记录两次即可。

实验实现：

　　详细实现步骤请参考 FPGA Verilog HDL 设计实例系列连载--------8-3编码器

（1）在设计文件中输入Verilog代码。

//--------------------------------------------------------------------------------------------------
//
// title : play
// Author : wangliang
//
//-------------------------------------------------------------------------------------------------
//-------------------------------------------------------------------------------------------------
//
// Description :
//
//-------------------------------------------------------------------------------------------------
`timescale 1 ns / 1 ps
module play ( audio , sys_CLK , button);
output audio;
input sys_CLK;
input button;
reg [23:0] counter4Hz,
counter6MHz;
reg [13:0] count,origin;
reg audiof;
reg clk_6MHz,
clk_4Hz;
reg [4:0] j;
reg [7:0] len;
assign audio= button? audiof : 1'b1 ; //控制开关
always @(posedge sys_CLK) //6MHz分频
begin
if(counter6MHz==4)
begin
counter6MHz=0;
clk_6MHz=~clk_6MHz;
end
else
begin
counter6MHz=counter6MHz+1;
end
end
always @(posedge sys_CLK) //4Hz分频
begin
if(counter4Hz==6250000)
begin
counter4Hz=0;
clk_4Hz=~clk_4Hz;
end
else
begin
counter4Hz=counter4Hz+1;
end
end
always @(posedge clk_6MHz)
begin
if(count==16383)
begin
count=origin;
audiof=~audiof;
end
else
count=count+1;
end
always @(posedge clk_4Hz)
begin
case(j)
'd1:origin='d4916; //low
'd2:origin='d6168;
'd3:origin='d7281;
'd4:origin='d7791;
'd5:origin='d8730;
'd6:origin='d9565;
'd7:origin='d10310;
'd8:origin='d010647; //middle
'd9:origin='d011272;
'd10:origin='d011831;
'd11:origin='d012087;
'd12:origin='d012556;
'd13:origin='d012974;
'd14:origin='d013346;
'd15:origin='d13516; //high
'd16:origin='d13829;
'd17:origin='d14108;
'd18:origin='d11535;
'd19:origin='d14470;
'd20:origin='d14678;
'd21:origin='d14864;
default:origin='d011111;
endcase
end
always @(posedge clk_4Hz) //乐谱
begin
if(len==63)
len=0;
else
len=len+1;
case(len)
0:j=3;
1:j=3;
2:j=3;
3:j=3;
4:j=5;
5:j=5;
6:j=5;
7:j=6;
8:j=8;
9:j=8;
10:j=8;
11:j=6;
12:j=6;
13:j=6;
14:j=6;
15:j=12;
16:j=12;
17:j=12;
18:j=15;
19:j=15;
20:j=15;
21:j=15;
22:j=15;
23:j=9;
24:j=9;
25:j=9;
26:j=9;
27:j=9;
28:j=9;
29:j=9;
30:j=9;
31:j=9;
32:j=9;
33:j=9;
34:j=10;
35:j=7;
36:j=7;
37:j=6;
38:j=6;
39:j=5;
40:j=5;
41:j=5;
42:j=6;
43:j=8;
44:j=8;
45:j=9;
46:j=9;
47:j=3;
48:j=3;
49:j=8;
50:j=8;
51:j=8;
52:j=5;
53:j=5;
54:j=8;
55:j=5;
56:j=5;
57:j=5;
58:j=5;
59:j=5;
60:j=5;
61:j=5;
62:j=5;
63:j=5;
endcase
end
endmodule