姜田華  (杭州商學(xué)院 信息與電子工程學(xué)院 浙江 杭州)

　　1 概 述

　　隨著EDA技術(shù)的進(jìn)展，基于可編程ASIC的數(shù)字電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的完整方案越來(lái)越受到人們的重視，并且以EDA技術(shù)為核心的能在可編程ASIC上進(jìn)行系統(tǒng)芯片集成的新設(shè)計(jì)方法，也正在快速地取代基于PCB板的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式。

　　與利用微處理器(CPU或MCU)來(lái)實(shí)現(xiàn)樂(lè)曲演奏相比，以純硬件完成樂(lè)曲演奏電路的邏輯要復(fù)雜得多，如果不借助于功能強(qiáng)大的EDA工具和硬件描述語(yǔ)言，僅憑傳統(tǒng)的數(shù)字邏輯技術(shù)，即使最簡(jiǎn)單的演奏電路也難以實(shí)現(xiàn)。如何使用EDA工具設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)是人們普遍關(guān)心的問(wèn)題，本設(shè)計(jì)在美國(guó)ALTERA公司MAX + plusⅡ的EDA軟件平臺(tái)上，使用層次化設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了樂(lè)曲發(fā)生器的設(shè)計(jì)。樂(lè)曲選取《梁祝》中化蝶部分，其簡(jiǎn)譜如圖1所示。

   2 音符與頻率的關(guān)系

　　我們知道，組成樂(lè)曲的每個(gè)音符的發(fā)音頻率值及其持續(xù)的時(shí)間是樂(lè)曲能連續(xù)演奏所需的2個(gè)基本要素，首先讓我們來(lái)了解音符與頻率的關(guān)系。

　　樂(lè)曲的12平均率規(guī)定：每2個(gè)八度音(如簡(jiǎn)譜中的中音1與高音1)之間的頻率相差1倍。在2個(gè)八度音之間，又可分為12個(gè)半音，每2個(gè)半音的頻率比為12√2。另外，音符A(簡(jiǎn)譜中的低音6)的頻率為440Hz，音符B到C之間、E到F之間為半音，其余為全音。由此可以計(jì)算出簡(jiǎn)譜中從低音l至高音1之間每個(gè)音符的頻率，如表1所示。

    產(chǎn)生各音符所需的頻率可用一分頻器實(shí)現(xiàn)，由于各音符對(duì)應(yīng)的頻率多為非整數(shù)，而分頻系數(shù)又不能為小數(shù)，故必須將計(jì)算得到的分頻數(shù)四舍五入取整。若分頻器時(shí)鐘頻率過(guò)低，則由于分頻系數(shù)過(guò)小，四舍五入取整后的誤差較大；若時(shí)鐘頻率過(guò)高，雖然誤差變小，但會(huì)增加分頻器的分頻級(jí)數(shù)。實(shí)際的設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮兩方面的因素，在盡量減小頻率誤差的前提下取合適的時(shí)鐘頻率。本文設(shè)計(jì)的樂(lè)曲發(fā)生器選取6MHz的基準(zhǔn)頻率。若無(wú)6MHz的時(shí)鐘頻率，則可以先分頻得到6MHz或換一個(gè)新的基準(zhǔn)頻率。實(shí)際上，只要各個(gè)音符間的相對(duì)頻率關(guān)系不變，演奏出的樂(lè)曲聽(tīng)起來(lái)都不會(huì)"走調(diào)"。

　　化蝶簡(jiǎn)譜中各音符對(duì)應(yīng)的分頻系數(shù)如表2所示。為了減小輸出的偶次諧波分量，最后輸出到揚(yáng)聲器的波形應(yīng)為對(duì)稱(chēng)方波，因此在到達(dá)揚(yáng)聲器之前，有一個(gè)二分頻的分頻器。表2中的分頻系數(shù)是從6MHz頻率二分頻得到的3MHz頻率基礎(chǔ)上計(jì)算得出的。由于最大的分頻系數(shù)為9101，故采用14位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器已能滿(mǎn)足分頻要求。

    每個(gè)音符持續(xù)的時(shí)間是樂(lè)曲能連續(xù)演奏所需的另一個(gè)基本要素�；淖钚〉墓�(jié)拍為1／4拍，將1拍的時(shí)間長(zhǎng)度定為1s，則只需要再提供一個(gè)4Hz的時(shí)鐘頻率即可產(chǎn)生1／4拍的時(shí)長(zhǎng)。演奏的時(shí)間控制通過(guò)記錄來(lái)完成，對(duì)于占用時(shí)間較長(zhǎng)的節(jié)拍(一定是1／4拍的整數(shù)倍，如2／4拍)，只需將該音符連續(xù)記錄2次即可。

　　3 層次化設(shè)計(jì)

　　我們?cè)诿绹?guó)AI。TERA公司MAX + plusⅡ的EDA軟件平臺(tái)上，使用層次化設(shè)計(jì)手段，實(shí)現(xiàn)了化蝶樂(lè)曲發(fā)生器的設(shè)計(jì)。圖2為化蝶樂(lè)曲發(fā)生器的頂層電路。

    音符的頻率可以由PUI。SE元件的輸出SPEAK獲得，這是一個(gè)數(shù)控分頻器，由其CLK 6MHz端輸入6MHz脈沖信號(hào)，分頻比由預(yù)置輸入端D[13．．0]決定。輸出為方波信號(hào)，其頻率為3 000 000／(1+D[13．．0])，單位為Hz。

　　音符的持續(xù)時(shí)間需根據(jù)樂(lè)曲的速度及每個(gè)音符的節(jié)拍數(shù)來(lái)確定，TABLE元件首先是為PULSE元件提供決定所發(fā)音符的分頻預(yù)置數(shù)，而此數(shù)停留的時(shí)間即為此音符的節(jié)拍值。在TABLE元件中設(shè)置了一個(gè)8位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器(計(jì)數(shù)最大值為138)，這個(gè)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)頻率選為4 Hz，所以每一計(jì)數(shù)值的停留時(shí)間為0．25s，即四四拍的4分音符持續(xù)時(shí)間。例如，化蝶樂(lè)曲的第一個(gè)音符?quot;低音3"(1拍)，停留的時(shí)間需用4個(gè)計(jì)數(shù)時(shí)鐘節(jié)拍，即1s。相應(yīng)地，所對(duì)應(yīng)的"低音3"音符分頻預(yù)置值為9 100，其值在AF[13．．0]輸出端停留了1s。隨著TABLE元件中的計(jì)數(shù)器按4Hz的時(shí)鐘速率作加法計(jì)數(shù)時(shí)，化蝶樂(lè)曲就開(kāi)始連續(xù)自然地演奏起來(lái)了。

　　底層元件的VHDL邏輯描述如下：

--PULSE元件
LIBRARY IEEE；
USE IEEE．STD_LOGIC_1164．ALL；
USE IEEE．STD_LOGIC_UNSIGNED．ALL；
ENTITY pulse IS
PORT(clk：INSTD_LOGIC； 一一待分頻時(shí)鐘
d：IN STD_LOGIC_VECTOR(13 DOWNTO 0)；
--分頻預(yù)置數(shù)輸入
fout：OUTSTD_LOGIC)； 一一發(fā)音輸出
END pulses
ARCHITECTURE behav OF pulse IS
SIGNAL count ： STD_LOGIC-VECTOR(13DOWNTO 0