指导教师 阮伟华 随着半导体工艺的不断深度发展，今天集成电路技术已经近乎成熟。对于传统pcb板电路工艺的要求也越来越高，许多实验需求也越来越频繁，因此成本相对就提高。鉴于此，现场可编程逻辑门电路（FPGA）工艺异军突起，EDA工具逐渐成为电路设计工具并且技术日益成熟。采用VerilogHDL设计语言在EDA开发平台quartus16.1和quartus12.0上分别实验设计基于FPGA的乐曲演奏电路。从音频分析、计算，时钟分频实验，基本电路搭建以及模块代码的完成，能做到音调的准确发声以及整首音乐的播放。本设计从成本上大大减少了芯片的使用，从成本和开发周期上也大大缩短。选择《东方红》为参考文本，乐曲可以通过替换代码顺序进行更换。经过测试，本设计布局布线明确，程序模块清晰，效果有佳，适合深度研究和开发。
Key words：musical performance; frequency divisigning; note; circuit design目 录
第一章 绪论 1
1.1研究背景 1
1.2国内外现状 1
1.3研究的意义和前景 1
1.4研究内容 2
1.5本章小结 2
第二章 理论综述 3
2.1EDA和verilogHDL语言介绍 3
2.1.1EDA 3
2.1.2verilogHDL语言 3
2.2音符频率的获取 3
2.3音乐节奏控制 4
2.4FPGA工作原理 4
2.5本章小结 5
第三章 系统需求分析 6
3.1系统需求目标 6
3.2设计功能需求 6
3.2.1自动播放功能 6
3.2.2乐曲可变功能 6
3.2.3重复演奏功能 6
3.3设计硬件需求 7
3.4开发环境 7
3.4.1集成开发环境 7
3.4.2仿真环境 8
3.4.3下载环境与下载流程 8
3.5本章小结 9
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第四章 系统设计 10
4.1系统工作原理 10
4.3系统硬件电路设计 11
4.4本章小结 14
第五章 系统实现 15
5.1软件部分实现过程 15
5.1.1分频工程搭建 15
5.1.2乐曲演奏主程序 16
5.2工程仿真 18
5.3系统顶层原理图展示 20
5.4硬件下载 20
5.5本章小结 21
结束语 22
致 谢 23
参考文献 24
附录 25
附录A系统主程序文件 25
附录B分频程序 26
第一章 绪论
1.1研究背景
随着微电子工艺、集成电路技术和计算机的深度发展，世界各个电子领域的相关技术也得到了进一步的发展，数字式电子应用的相关设计方法也发生了变化。尤其是在可编程逻辑器件方面格外突出，比如FPGA的出现使得电路设计进入可编程片上系统的设计时代。与此同时集成电路硬件描述语言VerilogHDL，具有多层次描述系统硬件功能的功能，同时还具有模块化和层次化设计的能力，各种电子系统可以以描述芯片功能的形式而实现电子系统功能，这让产品在开发周期和设计成本以及产品体积上都表现出很好的优势，另外在产品功耗、系统灵活性、可靠性等方面非常优秀。这种设计方法已经成为设计主流并且逐渐取代传统的电子电路设计。
1.2国内外现状
如今国内EDA技术的快速发展，利用FPGA设计和开发电子产品已经成为大流，目前已有很多科研人员都采用EDA和硬件描述语言设计完成了音乐播放电路，夏冰、饶敏等等研究者都成功利用EDA和硬件描述语言结合PGA、quartus上成功设计音乐播放电路的频率获取、分频电路设计，把音调频率转换成进制数，在播放时通过读取的方式逐个读取及时产生的频率实现音乐播放。除了这些FPGA还能用类似的方式进行SD卡读取的方式播放曲目等等项目，对于FPGA的外设也是丰富，对于FPGA的研究相比国外，国内的研究更勤一点，在一些实际电路的模拟实验中能替代传统pcb工艺，而且效果明显、方法简单、电路简明。
1.3研究的意义和前景
世界进入EDA技术发展的时代，利用可编程逻辑器件进行数字电路设计和产品开发已经是大势所趋。这种技术可以对芯片高度集成，可以取代传统的pcb板设计方式。传统的电子电路设计方法是预先根据需求设计数字电路进行模拟，然后做出应用电路进行实际验证，最终确定电路可能性。这种方法不仅周期长成本较高，而且设计电路功能方向单一。而FPGA可以根据需要而变化门与门之间的关系，形成不同的电路，而设计方法是通过描述语言对芯片进行描述，各个模块之间相互关联。这种设计方式方便快捷，成本低，可修改性强。
1.4研究内容
本次设计是基于FPGA的设计与实现，在EDA开发平台quartus prime16.1和quartusⅡ12.0上使用VerilogHDL语言编写，采用分频进行音乐播放电路设计完成，这种设计方式，方便制作和存储数据，如果需要更换曲目只修改case里面的已经转换的进制数音频即可。
本次研究的主要几个内容有以下：
对FPGA音乐播放电路的背景研究，包括EDA工具、quartusⅡ12.0和quartus prime16.1软件、FPGA及仿真软件Modelsim的主要功能的分析和应用，尤其是对语言编写软件quartus的特性以及VerilogHDL语言设计的基本流程的研究。另外本次采用的ALTERA公司的EP1C3T144C8N和EP4CE6E22C8N为主芯片。
对基于FPGA的音乐播放电路的远离的研究，尤其是无源发声元件和发生原理，用程序控制FPGA的分频输出产生不同频率，不同的音频对应不同的矩形波，占空比即对应的音调高低，在整个设计过程中主要有音频的获得、节奏控制、地址发生器设计，硬件演奏电路流程设计。

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