隨著電子技術(shù)發(fā)展，電子電路的形式趨向復(fù)雜化，面對這一狀況，人們已經(jīng)清醒地認識到，要分析和設(shè)計復(fù)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(xué)已遠不能滿足社會對高新技術(shù)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(shè)計過程具體說明了FPGA在電子電路設(shè)計中所起的作用。

　　1 總體方案的設(shè)計

　　設(shè)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(shè)計者自由編輯，以簡譜的二進制編碼形式存放在ROM的數(shù)據(jù)文件中。

　　設(shè)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(shù)器控制，計數(shù)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(shù)脈沖作用下順序輸出音高碼控制分頻器。

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

　　音樂播放控制電路設(shè)計方案原理框圖如圖1所示。

　　2 設(shè)計任務(wù)分析

　　2.1 音高編碼和分頻控制

　　計數(shù)器模值控制的方法很多，改變預(yù)置數(shù)控制模值是比較簡單的一種。分頻計數(shù)器的預(yù)置數(shù)與分頻率和計數(shù)方式、預(yù)置方式有關(guān)。當采用減計數(shù)器、并以計數(shù)器的溢出信號(Carry Out)實現(xiàn)異步預(yù)置控制時，計數(shù)器的模(分頻率)等于預(yù)置數(shù)。比如，當計數(shù)脈沖頻率為10 MHz時，若希望產(chǎn)生音高“5”，并考慮占空比整形的二分頻作用，分頻系數(shù)(計數(shù)器的模)應(yīng)該是3 188.9，四舍五入后的計數(shù)器預(yù)置數(shù)應(yīng)該是3 189。其溢出信號的頻率為3 135.8 Hz，控制蜂鳴器的信號頻率為1 567.9 Hz，滿足音高頻率要求。若采用同步預(yù)置方式，則計數(shù)器的預(yù)置數(shù)應(yīng)該是模減1，為3 188。由于計數(shù)器的溢出信號可能出現(xiàn)冒險干擾，采用同步預(yù)置的方法比較安全。

　　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(shù)器的計數(shù)脈沖頻率降低一倍時，蜂鳴器發(fā)出的音調(diào)降低8度。比如，當分頻率仍為3 189，但計數(shù)脈沖頻率為5 MHz時，控制蜂鳴器的信號頻率為784 Hz，為中音“5”。

　　因此若采用模值和輸入脈沖頻率都可控的計數(shù)器實現(xiàn)信號分頻，可根據(jù)音程碼選擇分頻計數(shù)器的輸入脈沖頻率fs、根據(jù)音名碼控制分頻計數(shù)器的模值N，如圖2所示。

　　這樣，分頻系數(shù)表只需考慮7個音高。由于計數(shù)脈沖只能分頻降低，所以表中應(yīng)該存儲高音程7個不同音名對應(yīng)的計數(shù)器預(yù)置值，其他兩個音程可通過降低分頻計數(shù)器的脈沖頻率實現(xiàn)。

　　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(shù)器的預(yù)置數(shù)實現(xiàn)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(shù)脈沖頻率fs。

　　2.2 音長控制

　　曲譜存儲單元的數(shù)據(jù)輸出時間是時值計數(shù)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(shù)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(jù)其時值長短占據(jù)不同數(shù)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(shù)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(shù)脈沖周期為一個8分音長時間，可選O.5 s。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。

　　2.3 音強控制

　　音的強度也稱音的力度，體現(xiàn)了樂曲的情感元素。由于本設(shè)計實現(xiàn)的是簡單的電子音樂播放，無法表現(xiàn)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(xiàn)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(gòu)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(yīng)該有一位碼控制。

　　如果間斷音碼單獨占1個存儲單元，可設(shè)置間斷音標志，控制時值計數(shù)器狀態(tài)為間斷信息單元地址時計數(shù)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(shù)字單穩(wěn)態(tài)電路產(chǎn)生問斷控制信號EN。

　　2.4 樂曲的循環(huán)播放控制

　　為了實現(xiàn)樂曲的循環(huán)播放，應(yīng)該在樂曲結(jié)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(jié)束符，結(jié)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(xiàn)結(jié)束符碼時控制時值計數(shù)器復(fù)位，樂曲重新開始演奏。

　　2.5 曲譜編碼舉例

　　設(shè)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(shù)符對應(yīng)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(jié)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(shù)表示。

　　3 電路的實現(xiàn)

　　根據(jù)設(shè)計電路原理框圖，曲譜碼以分頻數(shù)編碼，音高信號分頻由一個可預(yù)置的模N計數(shù)器實現(xiàn)。分頻系數(shù)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(xiàn)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(chǎn)生合適的時值計數(shù)脈沖頻率。電路的頂層原理圖如圖4所示。

　　4 結(jié)語

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