基于fpga的音乐播放器的设计.doc

1引言

随着科学技术的进步,电子器件和电子系统设计方法日新月异,电子设计自动化(Electronics Design Automation,EDA)技术正是适应了现代电子产品设计的要求,吸收了多学科最新成果而形成的一门新技术。现如今掌握EDA技术是电子信息类专业的学生、工程技术人员所必备的基本能力和技能。
传统电子电路的设计,首先要对系统进行分析,然后按功能对系统进行划分,接下来就要选择特定芯片,焊接成PCB电路板,最后对成品PCB电路板进行调试。这样的设计没有灵活性可言,搭成的系统需要的芯片种类多且数目大,而且对于电路图的设计和电路板的设计都需要很大的工作量,工作难度也很高。然而,随着可编程器件和EDA技术的发展,传统设计的劣势被克服,采用可编程逻辑器件基于芯片的设计方法,期间的内部逻辑和引脚可以由设计者自行决定,大大提高了设计的灵活性,提高了工作效率;同时,将系统集成在一个芯片上的设计,使系统具有体积小、功耗低、可靠性高等特点。
EDA技术的发展大致经历了三个阶段:20世纪70年代的CAD(计算机辅助设计)阶段、20世纪80年代的CAE(计算机辅助工程)阶段、20世纪90年代后的EDA(电子设计自动化)阶段。以下主要介绍第三个阶段。
EDA技术即电子设计自动化技术,它是以可编程逻辑器件(PLD)为载体,以硬件描述语言(HDL)为主要的描述方式,以EDA软件为主要的开发软件的电子设计过程。它主要采用“自顶向下”的设计方法,设计流程主要包括:设计输入、综合、仿真、适配、下载。EDA技术主要有以下特征:
(1)高层综合的理论和方法取得进展,从而将EDA设计层次由RT级提高到了系统级,并推出了相应的系统级综合优化工具,大大缩短了复杂ASIC的设计周期。
(2)采用硬件描述语言来描述10万门以上的设计,并形成了VHDL和Verilog-HDL两种标准硬件描述语言。
(3)采用平面规划技术对逻辑综合和物理版图设计联合管理,做到在逻辑设计综合早期阶段就考虑到物理设计信息的影响。
(4)可测性综合设计。
(5)为带有嵌入式IP核的ASIC设计提供软、硬件协同设计工具。
(6)建立并行设计工具框架结构的集成化设计环境,以适应当今ASIC规模大而复杂、数字与模拟电路并存、硬件与软件设计并存、产品上市速度快等特点。
总而言之,EDA技术的出现,给电子信息产业带来了革命性的变革。

VHDL是一种硬件描述语言,它可以对电子电路和系统的行为进行描述,基于这种描述,结合相关的软件工具,可以得到所期望的实际电路与系统。
使用VHDL语言描述的电路,可以进行综合和仿真。然而,值得注意的是,尽管所有VHDL代码都是可仿真的,但并不是所有代码都能综合。
VHDL被广泛使用的基本原因在于它是一种标准语言,是与工具和工艺无关的,从而可以方便地进行移植和重用。VHDL两个最直接的应用领域是可编程逻辑器件(PLD)和专用集成电路(ASIC),其中可编程逻辑器件包括复杂可编程逻辑器件(CPLD)和现场可编程门阵列(FPGA)。
关于VHDL最后要说明的是:与常规的顺序执行的计算机程序不同,VHDL从根本上讲是并发执行的。在VHDL中,只有在进程(PROCESS)、函数(FUNCTION)和过程(PROCEDURE)内部的语句才是顺序执行的。

目前有多种EDA工具支持采用VHDL进行电路综合、仿真以及实现。比较常见的是Altera公司的QuartusⅡ开发平台和Xilinx公司的ISE开发平台。这些平台中使用的综合工具和仿真工具通常由专业的EDA厂商提供。本次设计中所使用的平台正是QuartusⅡ,它是Altera公司提供的一套集成了编译、布局布线和仿真工具在内的综合开发环境。它能完成从代码输入到编译到仿真再到物理实现的全部设计流程。

本次课程设计要求使用EDA工具,设计实现简易音乐演奏器,理解音名与频率的关系及数控分频原理,经过对整体进行模块化分析、编程、综合、仿真及最终下载,完整实现简易音乐器的播放功能。
我们知道,与利用单片机来实现乐曲演奏相比,以纯硬件完成乐曲演奏电路的逻辑要复杂得多,如果不借助于功能强大的EDA工具与硬件描述语言,仅凭传统的数字逻辑技术,即使最简单的演奏电路也难以实现。
在后面的章节中会详细介绍利用EDA技术实现简易音乐演奏器的过程。
2 设计实现

在本次设计中采用了铃声《祝你生日快乐》作为要播放的乐曲,它的旋律如下: 5 5 |6 5 1|7 — 5 5|6 5 2|1 — 5 5|5 3 1|7 6 —|0 0 4 4|3 1 2|1 —
根据声乐知识,组成乐曲的每个音符的发音频率值