基于FPGA芯片的音乐存储与回放系统实现.pdf

第22卷第6期北京工商大学学报(自然科学版)Vol122No16
812004年11月JournalofBeijingTechnologyandBusinessUniversity(NaturalScienceEdition)Nov.2004

文章编号:167121513(2004)0620018205

基于FPGA芯片的音乐存储与回放系统实现

郭培源,乔美华
(北京工商大学信息工程学院,北京100037)

摘要:采用现场可编程门阵列FPGA芯片和VHDL硬件描述语言,以及层次化的自顶向下工程
设计方法,实现了一个由数控分频器和四位拨码开关控制的可进行乐谱存储及演奏存储与回放的
系统,研究表明,采用FPGA实现音乐存储与回放演奏系统是可行的,为各类多媒体大容量语音芯
片系统设计开辟了一条新的技术方法L

关键词:高速集成硬件描述语言;现场可编程门阵列;音符;乐谱
中图分类号:TN40文献标识码:A

进入20世纪90年代以后,EDA技术得到了飞人员更能集中精力进行电路设计,快速将产品推向
速的发展,电子系统的设计方法发生了很大的变化,市场L
传统的设计方法正逐步退出历史舞台,而基于FP2
112关于VHDL语言
GA技术的芯片设计成为电子系统设计的主流L随
着电子技术的发展,功能强大的音乐播放器越来越硬件描述语言,就是利用该语言描述硬件电路
受到广大音乐爱好者们的青睐,存储容量已经成为的功能、信号连接关系及定时关系LVHDL(very
评价一个音乐播放器的主要指标之一L一张CD唱highspeedintegratedcircuithardwaredescription
片大约可存储十余首乐曲,一张MP3大约可存储上language)语言采用自顶向下(toptodown)的方法
百首乐曲L要想存储更多的乐曲以及提高其控制功来设计系统硬件,过程如图1所示L第一层次是行为
能,就得换一种储存控制方式L随着VlSI(verylarge
scaleIC,超大规模集成电路)工艺的不断提高,单片
逻辑门数已达到上百万门,FPGA芯片的规模越来
越大,其存储容量也越来越大,并且实现的功能也越
来越强,用FPGA技术设计乐曲演奏芯片及控制系
统为实现音乐存储与播放展示了良好的应用前景L

1研究方法

图1VHDL自顶向下的设计过程
111FPGA概述
描述,即对整个系统的数学模型的描述L通过对系统
FPGA(现场可编程门阵列)是在PAL,GAL等行为描述的仿真来发现设计中存在的问题L第二层
逻辑器件的基础之上发展起来的L比较典型的是次是RTL方式描述,即寄存器传输L经过RTL方
Xilinx公司和Altera公司的FPGA器件系列[1]L设式改写后,再用仿真工具进行仿真L第三层次是逻辑
计人员只需在自己的实验室里就可以通过相关的软综合L利用逻辑综合工具,将RTL方式描述的程序
硬件环境来完成芯片的最终功能设计;可以使设计转换成用基本逻辑元件表示的文件(门级网络表),

收稿日期:20040225
作者简介:郭培源(1958-),男,山西太原人,教授,主要从事现代微电子和光电子控制技术的研究L
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第22卷第6期郭培源等:基于FPGA芯片的音乐存储与回放系统实现91

在门级电路级进行仿真,并检查定时关系L变模值计数器原理,按照乐曲要求定时改变计数器
的预制数,即可产生乐曲所需要的频率信号L
113MAX+PLUS2研究开发平台
212电路模块组成
Max+plus2是Altera公司推出的第三代FP2
GA开发系统[2],主要用于设计6万～100万门的大音乐存储与回放演奏系统由五部分电路模块组
规模FPGA,其设计速度非常快L从设计输入到器件成,即音符产生电路;乐谱存储电路;声音输出控制
编程完毕,大约只需几小时L设计处理一般在数分钟电路;点阵显示电路以及键盘扫描电路L通过按键选
内完成L特别是在原理图输入等方面,Maxplus2被择播放曲目播放,并显示乐曲名称L
公认为是最易使用,人机界面最友善的FPGA开发音符产生电路模块:主要功能是提供每一个音
平台L符所对应的分频系数,而这又是通过分频器(计数
器)预置不同的初值来实现的L表2列出了各音符所
2音乐存储与回放演奏控制系统对应的分频系数以及初始值L

211音乐与频率的关系表2音符所对应分频系数以及初始值
分频分频分频
音名初值音名初值音名初值
组成乐曲的每个音符的发生频率及其持续时间系数系数系数
是乐曲演奏所需的两个基本要素,那么如何来获取低音11737310中音18691178高音143416