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

suizhedianzijishufazhan，dianzidianludexingshiquxiangfuzahua
，mianduizheyizhuangkuang，renmenyijingqingxingdirenshidao，yaofenxiheshejifuzadedianzixitongrengongdefangfayibushiyong。yikaochuantongdeshiyanjiaoxueyiyuanbunengmanzushehuiduigaoxinjishurencaidepeiyangxuyao。benwenjiuyigezonghexingdeshili“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

曲qu譜pu存cun儲chu單dan元yuan的de數shu據ju輸shu出chu時shi間jian是shi時shi值zhi計ji數shu脈mai衝chong的de一yi個ge周zhou期qi
，決jue定ding了le該gai單dan元yuan音yin符fu的de持chi續xu時shi間jian。所suo以yi，與yu計ji數shu脈mai衝chong周zhou期qi相xiang同tong時shi值zhi的de音yin符fu為wei音yin長chang的de度du量liang單dan位wei，其qi音yin符fu碼ma占zhan1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8fenyingoucheng。weilejiejuezhegewenti
，keyizailianxudexiangtongqiangyinjianjiayigejiduancudejianduanqubieliangzhedebutong，jianduanshijiankeyishijigehaomiao。zheyang，zaiyinfubianmazhongyinggaiyouyiweimakongzhi。

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FPGAyongyudianzijishukechengsheji，qudelejiaohaodexiaoguo。tongguobenshejijifalexueshengxuexidexingqu
，tuokuanlexueshengdesilu，weixueshengjinhoudebiyeshejihecongshidianzijishufangmiandekeyan、開發工作打下了良好的基礎。