FPGA是現(xiàn)場可編程門陣列的簡稱，它既有門陣列器件的高度集成和通用性，又有可編程邏輯器件用戶可編程的靈活性。通過FPGA實(shí)現(xiàn)音樂流水燈的控制，實(shí)質(zhì)上就是將不同音階與特定頻率的方波信號對應(yīng)起來，以方波信號驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出音樂，再根據(jù)不同音階來控制流水燈的閃爍。與借助微處理器實(shí)現(xiàn)樂曲演奏相比，以純硬件方式完成樂曲演奏電路更直觀。EDA工具和硬件描述語言發(fā)揮了強(qiáng)大功能，提供了設(shè)計(jì)可能性。

1 總體設(shè)計(jì)方案
    音樂流水燈主要是點(diǎn)綴公共場合的裝飾品，音樂的播放和流水燈有節(jié)奏地閃爍，同時(shí)達(dá)到聽覺和視覺的完美結(jié)合，成為構(gòu)成其必不可少的條件。要了解如何產(chǎn)生不同音階的音樂，首先要對樂音的特性有所了解。樂音實(shí)際上是有固定頻率的信號。在樂曲的構(gòu)成中，樂音的頻率和持續(xù)的時(shí)間是其構(gòu)成的要素。音階的頻率可以通過高頻時(shí)鐘進(jìn)行分頻得到。音頻的高低可以通過外部的LED燈的閃爍來顯示，這樣在音樂和流水燈的配合下可以使人產(chǎn)生強(qiáng)烈的節(jié)奏感。再輔以LCD來顯示音階的高低長短，不懂樂理知識的人便可以直觀的看到不同音調(diào)對應(yīng)的音階。
    總體設(shè)計(jì)要求如下：
    (1)分頻主要是通過一個(gè)可控分頻器實(shí)現(xiàn)的。采用時(shí)鐘的頻率越高，分頻系數(shù)越大，分頻后的音階頻率就越準(zhǔn)確。但同時(shí)由于分頻系數(shù)大使用的計(jì)數(shù)單元增加，從而耗費(fèi)更多的硬件邏輯單元，因此可以采取一個(gè)較為適中的時(shí)鐘頻率12MHz。
    (2)經(jīng)過分頻后的信號是一個(gè)脈寬極窄的時(shí)鐘信號，必須對其進(jìn)行脈沖寬度調(diào)整，增大占空比，才能有效地驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。在脈沖寬度調(diào)整時(shí)會對此信號再次二分頻，所以在計(jì)算時(shí)，以樂音音階的二倍頻率去求取在特定時(shí)鐘信號下的分頻系數(shù)，以便在調(diào)整占空比后得到正確的音階頻率。
    (3)樂曲的頻率變化多端，對應(yīng)的分頻系數(shù)也不斷變化，因此需要將播放的樂曲的分頻系數(shù)事先存放在ROM中便于讀取。如果將分頻系數(shù)直接作為存儲碼存放在寄存器中，勢必會占有更大的容量。因此在這里選取索引值來作為存儲碼以減小容量。
    (4)開發(fā)平臺上的LED燈數(shù)量有限，可以選用有規(guī)律的閃爍，例如從左到右依次點(diǎn)亮、漸亮、漸滅等；也可以用燈閃爍的多少來表示頻率的大小。本設(shè)計(jì)選用第二種。
    圖1為音樂流水燈控制系統(tǒng)的總統(tǒng)原理框圖?？梢钥吹皆撓到y(tǒng)包含樂曲播放控制模塊，流水燈控制模塊和LCD顯示模塊3個(gè)模塊。其中樂曲播放控制模塊分為樂譜播放控制模塊，音階分頻模塊和音階頻率產(chǎn)生模塊。

2 模塊設(shè)計(jì)
2．1 樂曲播放控制模塊
    樂曲播放控制模塊的主要功能是在一定的時(shí)鐘信號驅(qū)動(dòng)下將事先存儲在ROM里的樂譜所對應(yīng)的索引值依次輸出，控制分頻，并產(chǎn)生相應(yīng)的分頻信號頻率，以此來控制蜂鳴器的發(fā)聲。
2．1．1 音階分頻器的設(shè)計(jì)
    為了能夠在播放樂曲的同時(shí)顯示當(dāng)前音階，用LED的位數(shù)來指示當(dāng)前音階的高低音。程序中的音階分頻系數(shù)通過索引值來進(jìn)行選取，即在音樂播放過程中由樂譜存儲電路傳遞來的當(dāng)前音階的索引值。
2．1．2 音階頻率產(chǎn)生的設(shè)計(jì)
    音階頻率產(chǎn)生電路在獲取上面的音階索引值對應(yīng)的分頻系數(shù)后，通過可控計(jì)數(shù)器進(jìn)行分頻。分頻電路中的計(jì)數(shù)器進(jìn)行減1計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器的進(jìn)位信號即為分頻信號。因?yàn)榇诵盘柕拿}沖寬度極小，所以需要調(diào)整占空比才使外部驅(qū)動(dòng)電路提供足夠的驅(qū)動(dòng)蜂鳴器的功率，而具體是對分頻信號再進(jìn)行二分頻實(shí)現(xiàn)的。
2．1．3 樂譜播放控制模塊設(shè)計(jì)
    音樂播放就是通過外部的8 Hz時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，內(nèi)部以計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)、產(chǎn)生地址，送到ROM單元中作為存儲器地址，將對應(yīng)地址的數(shù)據(jù)——音階索引值輸出。
    在本設(shè)計(jì)中，每個(gè)音的發(fā)出由另一個(gè)8 Hz的時(shí)鐘信號來控制。樂譜中的4分音符由4個(gè)時(shí)鐘信號來驅(qū)動(dòng)。每個(gè)時(shí)鐘下，其對應(yīng)的音階輸出以索引值的形式存儲在ROM中。文中ROM的地址線為10位，數(shù)據(jù)線寬度為4位。ROM里存儲的數(shù)據(jù)即各音節(jié)的索引值，根據(jù)樂譜轉(zhuǎn)換的需要，16個(gè)索引值即可滿足樂曲曲譜編寫的需求，所以設(shè)置了4位數(shù)據(jù)線。地址線的寬度主要取決于樂曲的長度。本設(shè)計(jì)中用到了約520個(gè)4 bit單元，為了留有一定裕度，將數(shù)據(jù)線寬度定義為10位，即1 024個(gè)4 bit單元。其中不同的音階對應(yīng)的索引值如表1所示。

    按照樂譜，將音階對應(yīng)的索引值連續(xù)地存儲到ROM中。例如，樂譜上一個(gè)4分音符的中音3，在ROM存儲器中對應(yīng)的索引值是10，并且連續(xù)放置4次，而一個(gè)8分音符5也就是半拍的5，則是將對應(yīng)索引值5在ROM中連續(xù)存放兩次。播放時(shí)在播放時(shí)鐘(8 Hz)的驅(qū)動(dòng)下，索引值不斷地從ROM輸出。索引值送到音階分頻模塊中，轉(zhuǎn)換為計(jì)數(shù)初值輸出，再送到音階分頻產(chǎn)生模塊中，作為計(jì)數(shù)初值，產(chǎn)生音階頻率輸出驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。這樣，就能在蜂鳴器上發(fā)出要播放的樂曲了。確定了樂譜后，即ROM的存儲內(nèi)容后，就可以定制ROM，將其初始化文件指定為．mif文件即可。
2．2 流水燈控制模塊設(shè)計(jì)
    由于此設(shè)計(jì)是基于DE2．70開發(fā)板之上的，因此將對應(yīng)的音階輸出，應(yīng)用LED燈來顯示流水燈閃爍效果。根據(jù)音調(diào)“hight”的高低設(shè)置點(diǎn)亮燈的數(shù)量，當(dāng)“hight”為低時(shí)播放低音信號，為高時(shí)播放中音信號。如果要用到高音信號可以將“hight”長度改為2bit。選取板上的oLEDR[6．．0]前7盞燈與低音信號對應(yīng)，oLEDR[13．．7]與中音信號對應(yīng)。在本設(shè)計(jì)中，為了看到明顯的流水燈變化，當(dāng)發(fā)出中音音頻時(shí)低音顯示燈全亮。
2．3 LCD顯示模塊設(shè)計(jì)
    首先需要在SOPC Builder中構(gòu)建SOPC系統(tǒng)，按要求依次添加NioslI處理器，4 kB的片上RAM，LCD模塊，4位輸入口，給處理器分配復(fù)位向量地址和異常向量地址。
    LCD顯示模塊用來實(shí)現(xiàn)樂譜和音頻強(qiáng)度的實(shí)時(shí)顯示，可以顯示16×2個(gè)字符，其軟件流程如圖2所示。

    其中LCD初始化包括對LCD的功能設(shè)置，顯示開關(guān)設(shè)置和模式設(shè)置。LCD定位到首行首列是通過對LCD寫定位指令，將顯示位置確定到第一行第一列。寫字符“jian pu”到第一行是通過寫數(shù)據(jù)指令將字符jian pu：和實(shí)時(shí)變化的樂譜顯示在液晶屏的第一行。低、中、高音分別用L、M、H表示并且加上對應(yīng)的音階值進(jìn)行顯示。LCD顯示換行是通過定位指令來實(shí)現(xiàn)的。顯示音頻強(qiáng)度到第二行是用符號“>”的個(gè)數(shù)表示音調(diào)的高低，一個(gè)表示低音1，兩個(gè)表示低音2，依次類推。
    在對LCD模塊進(jìn)行顯示控制時(shí)，用到了寫控制命令和寫數(shù)據(jù)命令。這些命令是針對具體配置的硬件電路而編寫的．h頭文件。LCD模塊的頭文件如下

    這樣編寫是為了和具體的硬件電路相對應(yīng)，在LCD模塊的硬件描述語言中，液晶模塊RW和RS的地址分配如下：
   
    其中RS信號是命令與數(shù)據(jù)線，高電平表示目前數(shù)據(jù)線上交換的是數(shù)據(jù)，低電平表示目前數(shù)據(jù)線上交換的是命令。液晶模塊根據(jù)這個(gè)信號做出正確的響應(yīng)。RW是電平信號，高電平表示對液晶模塊執(zhí)行讀取操作，低電平表示對液晶模塊寫入數(shù)據(jù)或命令。這樣便可以確定各讀寫操作對應(yīng)于基地址的偏移量。

3 頂層設(shè)計(jì)和驗(yàn)證
    系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì)就是將各個(gè)底層功能模塊例化，在頂層調(diào)用，進(jìn)行正確的連接，構(gòu)成最后的系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)的硬件電路如圖3所示。

    至此，一個(gè)硬件音樂流水燈電路就完成了。外部提供兩路時(shí)鐘信號(12 MHz和8 Hz)，再將樂曲輸出端連接到帶有驅(qū)動(dòng)裝置的蜂鳴器或揚(yáng)聲器上，就可以欣賞所添加的樂曲了。若硬件設(shè)計(jì)上只有一路時(shí)鐘信號輸入，可在FPGA內(nèi)部設(shè)計(jì)分頻器，將其分頻到8 Hz再使用，還可以在此基礎(chǔ)上更改。另外還可以在一個(gè)ROM種存儲多首樂曲，通過按鍵選擇播放樂曲。最后將軟硬件的配置文件下載到DE2．70開發(fā)板上進(jìn)行系統(tǒng)的功能驗(yàn)證。顯示結(jié)果如圖4所示。

4 結(jié)束語
    介紹了一種基于FPGA的音樂流水燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。用VHDL硬件描述語言對整個(gè)樂曲播放控制模塊和同步流水燈閃爍模塊進(jìn)行描述，并在SOPC系統(tǒng)中搭建了LCD顯示模塊，為硬件系統(tǒng)的靈活配置和軟件系統(tǒng)的靈活設(shè)計(jì)提供了方便，也有利于系統(tǒng)的優(yōu)化和升級。系統(tǒng)以FPGA為控制核心，具有簡單、穩(wěn)定、便于修改和移植、可重用性好等特點(diǎn)。