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基于PLD技術(shù)的MIDI音樂(lè )播放控制系統設計
引言
系統的設計是依據MIDI音樂(lè )基本原理，結合PLD技術(shù)，采用ALTERA公司的可編程邏輯器件CPLDEPM240T100C5作為控制單元來(lái)實(shí)現。系統的核心是運用VHDL語(yǔ)言進(jìn)行編程，在CPLD內部設計出音調發(fā)生器、音樂(lè )編碼器、彩燈閃爍控制三個(gè)模塊。外圍可配時(shí)鐘、彩燈、開(kāi)關(guān)、揚聲器等設備，從而實(shí)現音樂(lè )選擇控制播放、彩燈隨音樂(lè )節奏閃爍變化等功能的PLD應用系統。
一、系統組成
如圖1所示，是系統組成的原理框圖。其核心模塊為CPLD芯片，內部有音調發(fā)生器、音樂(lè )編碼器和彩燈閃爍控制器三個(gè)模塊。音樂(lè )編碼器內儲存著(zhù)預先設定的歌曲編碼，通過(guò)改變音樂(lè )選擇開(kāi)關(guān)的狀態(tài)可以決定當前要播放哪首音樂(lè )。音樂(lè )編碼器控制著(zhù)音調發(fā)生器和彩燈閃爍控制器，每當音樂(lè )節奏時(shí)鐘送給音樂(lè )編碼器一個(gè)時(shí)鐘脈沖時(shí)，音樂(lè )編碼器就當前要播放的音符的編碼送給音調發(fā)生器和彩燈閃爍控制器。音調發(fā)生器根據編碼對應的分頻系數將基準時(shí)鐘分頻，得到當前要播放的音符所對應頻率的脈沖，再用這個(gè)脈沖去激勵揚聲器，就可以得到這個(gè)音符的聲音。彩燈閃爍控制器根據編碼將當前要播放的音符對應的彩燈亮滅狀態(tài)發(fā)送給彩燈。核心部分CPLD利用VHDL語(yǔ)言來(lái)完成，其他部分通過(guò)外圍電路實(shí)現。
圖1 系統組成原理框圖
二、MIDI 音樂(lè )播放器芯片設計
MIDI音樂(lè )是Windows下的一種合成音樂(lè )，由于它通過(guò)記錯的方式來(lái)記錄一段音樂(lè )，因此與wave音樂(lè )相比，它可以極大地減少存儲容量。MIDI音樂(lè )的基本原理為：組成樂(lè )曲的每一個(gè)音符的頻率值及持續的時(shí)間是樂(lè )曲能連續演奏的兩個(gè)基本數據，因此只要控制輸出到揚聲器的激勵信號頻率的高低和每一個(gè)頻率信號的持續時(shí)間，就可以使揚聲器發(fā)生連續的樂(lè )曲。如圖2所示，為CPLD內部芯片設計原理圖。
圖2 CPLD芯片設計原理圖
三、系統控制模塊設計
3.1 音樂(lè )編碼器模塊設計
此模塊包括節拍控制電路和音符產(chǎn)生電路。節拍控制電路以樂(lè )曲中最短音符的節拍為基準，產(chǎn)生樂(lè )曲所需要的全部節拍。將1/16音符設置為計數器的一個(gè)數，對應的1/4音符則是四個(gè)計數。在設計中為了讓歌曲循環(huán)播放，計數器設定計滿(mǎn)自動(dòng)清零計數的功能，只要不斷電，不關(guān)開(kāi)關(guān)，歌曲就可以自動(dòng)循環(huán)播放。
3.2 音調發(fā)生模塊設計
此模塊包括預置數產(chǎn)生電路和頻率發(fā)生器。預置數產(chǎn)生電路采用查找表形式，按照音符的頻率要求產(chǎn)生相應的預置數。根據可變模值計數器的設計原理及音符的分頻系數，可算出樂(lè )曲中各音符的預置數。
頻率發(fā)生器由可變模值計數器實(shí)現。由于系數要求產(chǎn)生出的信號頻率較高，因此選用4MHz高頻率脈沖作為可變模值計數器的計數脈沖，而為了減少輸出的偶次諧波分量，最后輸出到揚聲器的波形應為應為對稱(chēng)方波，因此在到達揚聲器之前，有一個(gè)2分頻的分頻器。
3.3 彩燈閃爍控制模塊設計
彩燈閃爍控制電路主要是控制燈的亮和滅，此電路輸出高低電平信號，就可以直接驅動(dòng)發(fā)光二極管。在彩模塊，設計為不同音符，對應不同的亮滅，這樣，當音樂(lè )演奏起來(lái)的時(shí)候，隨著(zhù)音符的變化，彩燈也因為不同的音符閃爍起來(lái)。
3.4 開(kāi)關(guān)選擇模塊設計
采用case語(yǔ)句，對外部電路輸入的一個(gè)音符串進(jìn)行判斷，芯片內部處理這個(gè)字符串，從而判斷選擇的是哪首歌曲的播放。
3.5 頂層模塊設計
采用VHDL語(yǔ)言進(jìn)行頂層模塊設計，如圖3，將上述所提到的所有模塊，利用component語(yǔ)句進(jìn)行集合，然后利用管腳映射的方法，將所有輸入輸出連接在一起，這樣就設計出了一個(gè)完整的MIDI音樂(lè )播放芯片，只需要再接入外圍電路即可進(jìn)行演示。
圖3 頂層模塊原理圖
四、仿真實(shí)現
將各設計模塊在 Quartus II 軟件平臺上進(jìn)行仿真調試校驗，設計系統頂層模塊的仿真波形圖如圖4所示。
圖4 頂層模塊的仿真波形圖
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