中心議題：

• 音樂播放控制電路總體方案的設計
• 設計任務分析
• 電路的實現

解決方案：

• 音高編碼和分頻控制
• 音長控制
• 音強控制
• 樂曲的循環(huán)播放控制
• 曲譜編碼舉例

隨著電子技術發(fā)展，電子電路的形式趨向復雜化，面對這一狀況，人們已經清醒地認識到，要分析和設計復雜的電子系統(tǒng)人工的方法已不適用。依靠傳統(tǒng)的實驗教學已遠不能滿足社會對高新技術人才的培養(yǎng)需要。本文就一個綜合性的實例“音樂播放控制電路”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(huán)播放電路，具體曲目可以由設計者自由編輯，以簡譜的二進制編碼形式存放在ROM的數據文件中。
設計要求如下：

(1)采用5位二進制碼表示音高信息，曲譜碼存儲器的地址由時值計數器控制，計數頻率按樂曲的演奏速度選擇，每個脈沖周期是所選曲譜中最短音符的時值。存儲器在時值計數脈沖作用下順序輸出音高碼控制分頻器。

(2)采用20Hz～20kHz的音頻脈沖信號控制蜂鳴器，可以使其根據控制信號頻率發(fā)出不同的音調。

音樂播放控制電路設計方案原理框圖如圖1所示。



2設計任務分析

2．1音高編碼和分頻控制

計數器模值控制的方法很多，改變預置數控制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、并以計數器的溢出信號(CarryOut)實現異步預置控制時，計數器的模(分頻率)等于預置數。比如，當計數脈沖頻率為10MHz時，若希望產生音高“5”，并考慮占空比整形的二分頻作用，分頻系數(計數器的模)應該是3188．9，四舍五入后的計數器預置數應該是3189。其溢出信號的頻率為3135．8Hz，控制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。由于計數器的溢出信號可能出現冒險干擾，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沖頻率降低一倍時，蜂鳴器發(fā)出的音調降低8度。比如，當分頻率仍為3189，但計數脈沖頻率為5MHz時，控制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沖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沖頻率fs、根據音名碼控制分頻計數器的模值N，如圖2所示。


這樣，分頻系數表只需考慮7個音高。由于計數脈沖只能分頻降低，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沖頻率實現。

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

2．2音長控制

曲譜存儲單元的數據輸出時間是時值計數脈沖的一個周期，決定了該單元音符的持續(xù)時間。所以，與計數脈沖周期相同時值的音符為音長的度量單位，其音符碼占1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沖周期，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，則時值計數脈沖周期為一個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(jié)，每個音節(jié)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音強控制

音的強度也稱音的力度，體現了樂曲的情感元素。由于本設計實現的是簡單的電子音樂播放，無法表現音強的不同。而且，參考方案還不能區(qū)別相同音高的音符連續(xù)與否。比如，兩個八分音符“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，而后者可以認為是一個強8分音和一個弱8分音構成。為了解決這個問題，可以在連續(xù)的相同強音間加一個極短促的間斷區(qū)別兩者的不同，間斷時間可以是幾個毫秒。這樣，在音符編碼中應該有一位碼控制。

如果間斷音碼單獨占1個存儲單元，可設置間斷音標志，控制時值計數器狀態(tài)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(fā)數字單穩(wěn)態(tài)電路產生問斷控制信號EN。

2．4樂曲的循環(huán)播放控制

為了實現樂曲的循環(huán)播放，應該在樂曲結束時使曲譜表的查表地址回到初始值?？稍谇V表的最后一個單元中存放一個結束符，結束符的編碼可以利用音程碼的冗余碼。電路采用邏輯門對音程碼進行判斷，當出現結束符碼時控制時值計數器復位，樂曲重新開始演奏。

2．5曲譜編碼舉例

設音符的6位二進制編碼中，最高位為間斷音控制，中間2位為音程碼，最低3位為音名碼。每個8分音存放于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制碼表示，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位二進制音符碼用2位八進制數表示。


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。分頻系數表和曲譜表都存儲在ROM中。若希望控制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沖頻率。電路的頂層原理圖如圖4所示。


FPGA技術已成為電子系統(tǒng)設計領域現代化的標志。本文將FPGA用于電子技術課程設計，取得了較好的效果。通過本設計激發(fā)了學生學習的興趣，拓寬了學生的思路，為學生今后的畢業(yè)設計和從事電子技術方面的科研、開發(fā)工作打下了良好的基礎。