基于FPGA的音乐流水灯控制系统的设计

　　FPGA是现场可编程门阵列的简称, 它既有门阵列器件的高度集成和通用性, 又有可编程逻辑器件用户可编程的灵活性。通过 FPGA实现音乐流水灯的控制, 实质上就是将不同音阶与特定频率的方波信号对应起来, 以方波信号驱动蜂鸣器发出音乐, 再根据不同音阶来控制流水灯的闪烁。与借助微处理器实现乐曲演奏相比, 以纯硬件方式完成乐曲演奏电路更直观。EDA工具和硬件描述语言发挥了强大功能,提供了设计可能性。

　　1、总体设计方案

　　音乐流水灯主要是点缀公共场合的装饰品, 音乐的播放和流水灯有节奏地闪烁, 同时达到听觉和视觉的完美结合, 成为构成其必不可少的条件。要了解如何产生不同音阶的音乐, 首先要对乐音的特性有所了解。乐音实际上是有固定频率的信号。在乐曲的构成中, 乐音的频率和持续的时间是其构成的要素。音阶的频率可以通过高频时钟进行分频得到。音频的高低可以通过外部的 LED灯的闪烁来显示, 这样在音乐和流水灯的配合下可以使人产生强烈的节奏感。再辅以 LCD来显示音阶的高低长短, 不懂乐理知识的人便可以直观的看到不同音调对应的音阶。

　　总体设计要求如下:

　　( 1)分频主要是通过一个可控分频器实现的。采用时钟的频率越高, 分频系数越大, 分频后的音阶频率就越准确。但同时由于分频系数大使用的计数单元增加, 从而耗费更多的硬件逻辑单元, 因此可以采取一个较为适中的时钟频率 12MH z 。

　　( 2)经过分频后的信号是一个脉宽极窄的时钟信号, 必须对其进行脉冲宽度调整, 增大占空比, 才能有效地驱动蜂鸣器。在脉冲宽度调整时会对此信号再次二分频, 所以在计算时, 以乐音音阶的二倍频率去求取在特定时钟信号下的分频系数, 以便在调整占空比后得到正确的音阶频率。

　　( 3)乐曲的频率变化多端, 对应的分频系数也不断变化, 因此需要将播放的乐曲的分频系数事先存放在 ROM 中便于读取。如果将分频系数直接作为存储码存放在寄存器中, 势必会占有更大的容量。因此在这里选取索引值来作为存储码以减小容量。

　　( 4)开发平台上的 LED灯数量有限, 可以选用有规律的闪烁, 例如从左到右依次点亮、渐亮、渐灭等; 也可以用灯闪烁的多少来表示频率的大小。本设计选用第二种。

　　图 1为音乐流水灯控制系统的总原理框图。可以看到该系统包含乐曲播放控制模块, 流水灯控制模块和 LCD显示模块 3个模块。其中乐曲播放控制模块分为乐谱播放控制模块, 音阶分频模块和音阶频率产生模块。

图1 音乐流水灯控制系统的总体原理框图