课程设计（论文）基于FPGA的音乐播放器设计

目 录

1 绪论 .................................................. 2 1.1 研究背景 ......................................... 2 1.2 可编程逻辑控件FPGA ............................... 2 1.3 开发语言VHDL ..................................... 4 1.4 开发环境MAX+PLUSⅡ ............................... 5 1.5 研究思路及主要工作 ................................ 6 2 系统设计 .............................................. 6 2.1 系统原理 ......................................... 6 2.1.1 音调的控制 ................................... 7 2.1.2 音长的控制 ................................... 8 2.2 系统结构 ......................................... 8 3 各模块设计与仿真 ...................................... 9 3.1 定制音符数据 ..................................... 9 3.1.1定制音符数据ROM的mif文件 ................... 9 3.1.2在MAX+PLUSⅡ下定制的LPM_ROM ................ 10 3.2 音符数据地址发生器模块NOTETABS .................. 11 3.3 预置数查表电路模块TONETABA ...................... 12 3.4 发声频率产生模块SPEAKERA ........................ 14 3.5乐曲播放电路顶层电路 ............................. 16 4 硬件测试 ............................................. 16 5 心得体会 ............................................ 117

参考文献 ............................................... 18 附录 ................................................... 19

绪论

1.1 研究背景

随着电子技术的飞速发展，微电子技术的进步主要表现在大规模集成电路加工技术即半导体工艺技术的发展上，使得本征半导体的工艺水平的线宽已经达到了60nm，并在不断地缩小，面在硅片单位面积上，集成了更多的晶体管。集成电路设计正在不断地向超大规模，极低功耗和超高速的方向发展，电子产品的功能越来越强大，体积越来越小，功耗越来越低。

顺应电子技术的发展趋势，可编程逻辑器件和EDA 技术使设计方法发生了质的变化。把以前“电路设计+硬件搭试+调试焊接”转化为“功能设计+软件模拟+仿真下载”。利用EDA 开发平台，采用可编程逻辑器件CPLD／FPGA 使硬件的功能可通过编程来实现，这种新的基于芯片的设计方法能够使设计者有更多机会充分发挥创造性思维，实现多种复杂数字逻辑系统的功能，将原来由电路板设计完成的工作放到芯片的设计中进行，减少了连线和体积，提高了集成度，降低了干扰，大大减轻了电路设计和PCB设计的工作量和难度，增强了设计的灵活性，有效地提高了工作效率，增加了系统的可靠性和稳定性，提高了技术指标。

这些技术使得各种电子产品迅速的进入了我们的生活，我们处在一个被电子产品深度包围的时代，在一个普通老百姓的家里，衣食住行，每一个产品的诞生都离不开EDA技术，从彩色电视机，到智能冰箱，到全自动洗衣机，电饭煲，到微波炉，电磁炉，电子琴，再到个人随身用的手机，MP3音乐播放器都需要EDA技术提供支持。

本文应用VHDL硬件描述语言，设计一个乐曲硬件播放电路，它能将预先设置存储好的乐曲自动播放出来，下面对乐曲播放电路的设计与实现中涉及的EDA技术，以及EDA技术中常用的开发器件CPLD／FPGA可编程逻辑器件，开发语言VHDL以及开发软件MAX+PLUSII作简单介绍。

1.2 可编程逻辑控件FPGA

本设计中选用FPGA,主要是因为它与传统的MCU相比有以下几个方面的优点： ①编程方式简便先进。FPGA产品中部分是采用菊花链在系统编程方式的。这种先进的编程方式已成为当今世界上各类可编程器件发展的趋势。因为它省却了价格昂贵,操作不便的专用编程器,只需要一个十分简单的下载编程电路和一条PC机的打

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印机通讯线就行了。它无须编程高压,在TTL电平下随时可进行在线编程,并可进行所谓菊花链式多片串行编程。

②高可靠性。在高可靠应用领域,MCU的缺憾为FPGA的应用留下了很大的用武之地。这族器件尽管在功能开发上是通过EDA软件实现的。但物理机制却像一片74LS164那样纯属硬件电路,十分可靠。通过合理设计,大多数应用中,无须考虑复杂的复位和初始化。设计中只需利用简单的语句将闲置状态导入同一初始入口,就能有效防止任何可能的“死机”现象。由于是并行工作,它的任一输入脚都可用作类似于MCU的中断监测引脚,且反应速度仅为纳妙级。FPGA的高可靠性还表现在几乎可将整个系统下载于同一芯片中,从而大大缩小了体积,易于管理和屏蔽。

③高速。FPGA的时钟延迟可达纳秒级,结合其并行工作方式,在超高速应用领域和实时测控方面有非常广阔的应用前景。

④功能强大,应用广阔。目前,FPGA的可选择范围很大,可根据不同的应用选用不同容量的芯片,如Lattice的ispLSI和AMD公司的MACH,最小芯片的等效逻辑门为1000门,最大达数十万门。ALTERA和XILINX公司推出的百万门的FPGA可实现几乎任何形式的数字电路或数字系统的设计。随着这类器件的广泛应用和成本的大幅下降,以及产品上市速率的提高,FPGA在系统中的直接应用率正直逼ASIC的开发。

⑤易学易用,开发便捷。单片机应用系统的设计对于行家里手来说是十分简单的事。然而,对于初学者,诸如CPU的工作方式、众多特殊寄存器的用法、中断概念等等,着实不是一件容易的事。相比之下,FPGA应用的学习却不需要太多的预备知识,只要稍具一点数字电路和计算机软件设计的基础知识,就能在短期内掌握基本的设计方法和开发技巧。而且反过来去学用单片机,就显得轻车熟路多了。这无疑是高技术为我们的学习提供了捷径,站在巨人的肩膀当然能更快地获得成功。可以预言,我国EDA技术的学习热潮和FPGA的应用热潮决不会逊色于过去10年的单片机热潮。

⑥开发周期短。由于相应的EDA软件功能完善而强大,仿真能力便捷而实时,开发过程形象而直观,兼之硬件因素涉及甚少,因此可以在很短时间内完成十分复杂的系统设计,这是产品快速进入市场的最宝贵的特征。一些EDA专家预言,未来的大系统的FPGA设计仅仅是各类再应用逻辑与IP核(CORE)的拼装,其设计周期仅以小时计。TI公司认为,一个ASIC百分之八十的功能可用IP核等现成逻辑合成。

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