中心議題：

• 音樂播放控製電路總體方案的設計
• 設計任務分析
• 電路的實現

解決方案：

• 音高編碼和分頻控製
• 音長控製
• 音強控製
• 樂曲的循環播放控製
• 曲譜編碼舉例

隨sui著zhe電dian子zi技ji術shu發fa展zhan
，電dian子zi電dian路lu的de形xing式shi趨qu向xiang複fu雜za化hua
，麵mian對dui這zhe一yi狀zhuang況kuang，人ren們men已yi經jing清qing醒xing地di認ren識shi到dao
，要yao分fen析xi和he設she計ji複fu雜za的de電dian子zi係xi統tong人ren工gong的de方fang法fa已yi不bu適shi用yong。依yi靠kao傳chuan統tong的de實shi驗yan教jiao學xue已yi遠yuan不bu能neng滿man足zu社she會hui對dui高gao新xin技ji術shu人ren才cai的de培pei養yang需xu要yao。本ben文wen就jiu一yi個ge綜zong合he性xing的de實shi例li“音樂播放控製電路”的設計過程具體說明了FPGA在電子電路設計中所起的作用。

1總體方案的設計

設計一個具有3個八度音程的電子音樂自動循環播放電路
，具體曲目可以由設計者自由編輯，以簡譜的二進製編碼形式存放在ROM的數據文件中。
設計要求如下：

(1)采用5位wei二er進jin製zhi碼ma表biao示shi音yin高gao信xin息xi，曲qu譜pu碼ma存cun儲chu器qi的de地di址zhi由you時shi值zhi計ji數shu器qi控kong製zhi，計ji數shu頻pin率lv按an樂le曲qu的de演yan奏zou速su度du選xuan擇ze，每mei個ge脈mai衝chong周zhou期qi是shi所suo選xuan曲qu譜pu中zhong最zui短duan音yin符fu的de時shi值zhi。存cun儲chu器qi在zai時shi值zhi計ji數shu脈mai衝chong作zuo用yong下xia順shun序xu輸shu出chu音yin高gao碼ma控kong製zhi分fen頻pin器qi。

(2)采用20Hz～20kHz的音頻脈衝信號控製蜂鳴器，可以使其根據控製信號頻率發出不同的音調。

音樂播放控製電路設計方案原理框圖如圖1所示。



2設計任務分析

2．1音高編碼和分頻控製

計數器模值控製的方法很多，改變預置數控製模值是比較簡單的一種。分頻計數器的預置數與分頻率和計數方式、預置方式有關。當采用減計數器、並以計數器的溢出信號(CarryOut)實現異步預置控製時，計數器的模(分頻率)等於預置數。比如，當計數脈衝頻率為10MHz時，若希望產生音高“5”，並考慮占空比整形的二分頻作用
，分頻係數(計數器的模)應該是3188．9，四舍五入後的計數器預置數應該是3189。其溢出信號的頻率為3135．8Hz

，控製蜂鳴器的信號頻率為1567．9Hz

，滿足音高頻率要求。若采用同步預置方式，則計數器的預置數應該是模減1，為3188。由於計數器的溢出信號可能出現冒險幹擾，采用同步預置的方法比較安全。
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分析表1可見，表中3個不同音程相同音名(同一行)的信號頻率都相差一倍。



即音程升
、降8度時，頻率增加或減小一倍。所以，若分頻計數器的計數脈衝頻率降低一倍時，蜂鳴器發出的音調降低8度。比如，當分頻率仍為3189，但計數脈衝頻率為5MHz時，控製蜂鳴器的信號頻率為784Hz，為中音“5”。

因此若采用模值和輸入脈衝頻率都可控的計數器實現信號分頻，可根據音程碼選擇分頻計數器的輸入脈衝頻率fs、根據音名碼控製分頻計數器的模值N，如圖2所示。


這樣
，分頻係數表隻需考慮7個音高。由於計數脈衝隻能分頻降低，所以表中應該存儲高音程7個不同音名對應的計數器預置值，其他兩個音程可通過降低分頻計數器的脈衝頻率實現。

3個8度音程的21個音高至少需要5位二進製碼表示。為了控製方便
，考慮將音名和音程分別編碼：7個音名和休止符采用3位二進製碼表示，控製分頻器計數器的預置數實現模值N修改；3個音程用2位二進製碼表示
，控製分頻器的計數脈衝頻率fs。

2．2音長控製

qupucunchudanyuandeshujushuchushijianshishizhijishumaichongdeyigezhouqi，juedinglegaidanyuanyinfudechixushijian。suoyi，yujishumaichongzhouqixiangtongshizhideyinfuweiyinchangdeduliangdanwei
，qiyinfumazhan1個存儲單元。其他音符根據其時值長短占據不同數量的存儲單元。比如，若以8分音符的時值作為存儲器地址計數器的脈衝周期，則8分音符碼占1個存儲單元，4分音符占2個存儲單元，2分音符占4個存儲單元
，以此類推。

因此，可以所選曲譜的最短音符作為時值的度量單位。比如，圖3所示的《梁祝》曲譜中最短的音符為8分音，若其編碼存放1個存儲單元


，則時值計數脈衝周期為一個8分音長時間
，可選O．5s。曲譜中的四分音符碼需要存放2個單元，一拍延長音也需要2個單元。該段曲譜有8個音節，每個音節是一個全音(8個8分音)
，演奏總時值為8×8個8分音。所以，存儲曲譜編碼的存儲器需要64個存儲單元。

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2．3音強控製

音yin的de強qiang度du也ye稱cheng音yin的de力li度du，體ti現xian了le樂le曲qu的de情qing感gan元yuan素su。由you於yu本ben設she計ji實shi現xian的de是shi簡jian單dan的de電dian子zi音yin樂le播bo放fang

，無wu法fa表biao現xian音yin強qiang的de不bu同tong。而er且qie，參can考kao方fang案an還hai不bu能neng區qu別bie相xiang同tong音yin高gao的de音yin符fu連lian續xu與yu否fou。比bi如ru，兩liang個ge八ba分fen音yin符fu“11”的總時值與一個四分音符“1”的時值相同，但體現的樂聲是不同的。前者是兩個強8分音，而後者可以認為是一個強8分音和一個弱8分(fen)音(yin)構(gou)成(cheng)。為(wei)了(le)解(jie)決(jue)這(zhe)個(ge)問(wen)題(ti)，可(ke)以(yi)在(zai)連(lian)續(xu)的(de)相(xiang)同(tong)強(qiang)音(yin)間(jian)加(jia)一(yi)個(ge)極(ji)短(duan)促(cu)的(de)間(jian)斷(duan)區(qu)別(bie)兩(liang)者(zhe)的(de)不(bu)同(tong)
，間(jian)斷(duan)時(shi)間(jian)可(ke)以(yi)是(shi)幾(ji)個(ge)毫(hao)秒(miao)。這(zhe)樣(yang)，在(zai)音(yin)符(fu)編(bian)碼(ma)中(zhong)應(ying)該(gai)有(you)一(yi)位(wei)碼(ma)控(kong)製(zhi)。

如果間斷音碼單獨占1個存儲單元，可設置間斷音標誌，控製時值計數器狀態為間斷信息單元地址時計數頻率改變，使間斷碼輸出的時間為間斷音長
；如果間斷音碼與強音碼存放同一單元，可觸發數字單穩態電路產生問斷控製信號EN。

2．4樂曲的循環播放控製

為(wei)了(le)實(shi)現(xian)樂(le)曲(qu)的(de)循(xun)環(huan)播(bo)放(fang)，應(ying)該(gai)在(zai)樂(le)曲(qu)結(jie)束(shu)時(shi)使(shi)曲(qu)譜(pu)表(biao)的(de)查(zha)表(biao)地(di)址(zhi)回(hui)到(dao)初(chu)始(shi)值(zhi)。可(ke)在(zai)曲(qu)譜(pu)表(biao)的(de)最(zui)後(hou)一(yi)個(ge)單(dan)元(yuan)中(zhong)存(cun)放(fang)一(yi)個(ge)結(jie)束(shu)符(fu)，結(jie)束(shu)符(fu)的(de)編(bian)碼(ma)可(ke)以(yi)利(li)用(yong)音(yin)程(cheng)碼(ma)的(de)冗(rong)餘(yu)碼(ma)。電(dian)路(lu)采(cai)用(yong)邏(luo)輯(ji)門(men)對(dui)音(yin)程(cheng)碼(ma)進(jin)行(xing)判(pan)斷(duan)
，當(dang)出(chu)現(xian)結(jie)束(shu)符(fu)碼(ma)時(shi)控(kong)製(zhi)時(shi)值(zhi)計(ji)數(shu)器(qi)複(fu)位(wei)，樂(le)曲(qu)重(zhong)新(xin)開(kai)始(shi)演(yan)奏(zou)。

2．5曲譜編碼舉例

設音符的6位二進製編碼中，最高位為間斷音控製，中間2位為音程碼，最低3位為音名碼。每個8分音存放於1個存儲單元，四分音符碼占2個存儲單元。若音名碼用其簡譜數符對應的二進製碼表示，而低、中、高三個音程分別用"01”，“00"，“10”三組碼表示，“11”為結束符碼，則圖3曲譜碼存儲表如表2所示。表中6位二進製音符碼用2位八進製數表示。


3電路的實現

根據設計電路原理框圖，曲譜碼以分頻數編碼

，音高信號分頻由一個可預置的模N計數器實現。分頻係數表和曲譜表都存儲在ROM中。若希望控製蜂鳴器的信號占空比為50％，分頻器的輸出信號采用二分頻電路實現占空比整形，但注意信號頻率被降低一半。電路原理框圖中M分頻器的作用是產生合適的時值計數脈衝頻率。電路的頂層原理圖如圖4所示。


FPGA技術已成為電子係統設計領域現代化的標誌。本文將FPGA用yong於yu電dian子zi技ji術shu課ke程cheng設she計ji，取qu得de了le較jiao好hao的de效xiao果guo。通tong過guo本ben設she計ji激ji發fa了le學xue生sheng學xue習xi的de興xing趣qu，拓tuo寬kuan了le學xue生sheng的de思si路lu，為wei學xue生sheng今jin後hou的de畢bi業ye設she計ji和he從cong事shi電dian子zi技ji術shu方fang麵mian的de科ke研yan
、開發工作打下了良好的基礎。