摘 要

本文基于FPGA(现场可编程门阵列)芯片，利用VHDL硬件描述语言，介绍了一种通用乐曲演奏电路的设计，可实现多个八度音阶的乐曲演奏。本设计是基于EP1C3芯片，通过EPCS芯片定制LAP-ROM存储音乐数据，所以只要修改LAP-ROM中所储存的音乐数据就可以实现乐曲的演奏。系统设计时，通过分频预置数查表电路模块TONETABA发送计数初始值给音乐符数控分频电路模块SPEAKERA，即数控分频器。Notetabs则作为音符数据 ROM 的地址发生器。传统电子电路的设计都需要很大的工作量，系统所需要的芯片总类多且数目大，工作难度也很大。针对现有音乐发生器的各种缺点，本设计具有电路简单、成本低、程序易改和调试方便等优点，整个系统系统稳定，程序精简，如果能够充分利用其优势的话，必定会成为电子琴未来发展的方向。

关键词：FPGA；音乐发声器；VHDL

The music playing circuit design based on EDA technology

ABSTRACT

This article is based on FPGA，and it is designd by VHDL language.This paper introduces a universal music circuit design，which can play high，middle and low multiple tonality.This design is based on EP1C3 chip, and stores music data through custom LAP -ROM ,so just modifying the music data stored in the LAP -ROM can realize music playing.The system designing, it sends initial value to music operator SPEAKERA divider circuit module through frequency preset number look-up table counting circuit module TONETABA.NOTETABS is looked as address generator notes of data ROM .The traditional electronic circuit design takes a lot of work,and the chip system need total number of classes,and work is hard.In view of the existing music generator all kinds of faults,This design has simple circuit, low cost, convenient to change and debugging program etc, and the whole system is stable, program to streamline, if it can be made full use of its advantages, it is bound to become a keyboard for the future development direction.

Key words: FPGE; Music voice; VHDL

目 录

基于EDA技术的乐曲演奏电路设计 I

摘 要 I

The music playing circuit design based on EDA technology II

ABSTRACT II

目 录 III

第1章 绪论 1

1.1 EDA技术简介 1

1.1.1 FPGA简介 1

1.1.2 VHDL简介 2

1.2 课题的国内外研究现状 4

1.3 研究内容 4

第2章 乐曲演奏系统总体方案设计 6

2.1乐曲演奏系统的控制要求 6

第3章 乐曲演奏系统硬件介绍 9

3.1.1 FPGA主芯片介绍 9

3.1.2 EPCS配套程序存储器的介绍 10

3.2设计 12

3.2.1乐曲演奏原理 12

3.2.2设计原理分析 13

3.3本章小结 16

第4章 乐曲演奏系统软件仿真 18

4.1地址发生器的VHDL设计 18

4.2分频预置数模块的VHDL设计 19

4.3数控分频模块的VHDL设计 21

结 论 25

致 谢 26

参考文献 27

附录A 系统原理图 28

附录B 乐曲演奏系统设计程序 29

第1章 绪论

1.1 EDA技术简介

近几年在数字系统设计领域出现了一种全新的设计技术——数字系统设计自动化(EDA,Electronic Design Automation)技术。EDA技术是以计算机为工作平台，融合了应用电子技术、计算机技术、智能化技术的最新成果而产生的电子系统设计自动化方法。它根据硬件描述语言HDL完成的设计文件，自动完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局布线及仿真，直至完成对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。它借助了计算机在图形、数据及语言处理方面的强大功能，完成数字系统的设计，较原来传统数字系统设计技术有了突破性的发展。目前EDA主要辅助进行三个方面的设计工作：IC设计、电子电路设计和PCB设计。没有EDA技术的支持，想要完成超大规模集成电路的设计制造是不可想象的；反过来，生产制造技术的不断进步又必将对EDA技术提出新的要求。

EDA在程序输入时既可以以高级硬件描述语言(如VHDL语言)输入，也可以采用传统的逻辑图输入，并通过EDA工具软件将其转换成能下载到可编程逻辑器件中的网表文件,将此文件下载到可编程逻辑器件(如FPGA)上,就可以使可编程逻辑器件成为一个能够完成具体功能的数字电路芯片。EDA技术具有系统设计效率高、集成度好、保密性强、易于修改、易于实现等优点,因此而成为当今数字系统设计的主流技术。

本文研究了基于FPGA的乐曲演奏电路和相关的VHDL语言程序设计，利用FPGA芯片在QuartusII平台下，采用自顶而下的设计思路，结合VHDL的程序设计，完成乐曲演奏电路的设计。

1.1.1 FPGA简介

FPGA(Field-Programmable Gate Array)，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。其采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。FPGA的基本特点主要有：

1. 采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。
2. FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。
3. FPGA内部有丰富的触发器和I／O引脚。
4. FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。

FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。

可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。目前FPGA的品种很多，有XILINX的XC系列、TI公司的TPC系列、ALTERA公司的FIEX系列等。FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用。FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM即可。这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，FPGA的使用非常灵活。