基于VHDL的音乐演奏电路设计开发【开题报告】.doc

1、毕业设计开题报告 电子信息工程 基于 VHDL 的音乐演奏电路设计开发 1 选题的背景、意义 1598年，意大利籍耶稣会士利马窦第一次来到北京 ,随行礼物中有八音琴一台。这是有史书记载的最早进入中国的八音琴 1。 1780年前后，拉匀芳的瑞士人从人偶自动钟的原理获得了启示， 发明了一种令人赞叹的机制 机械鸟鸣钟。 1796 年，日内瓦钟匠的发明，给机械音乐盒带来了革命性改变，使音乐盒的体积缩小达到极限 ,而在接下来的世纪得以成功的发展。 17世纪初，音乐盒的工业成为瑞士超过制表和缝制蕾丝业的 第一大产业， 这使得位于瑞士侏罗山边的小镇闻名于世。当时音乐盒的发声原理如下：一个圆轴上焊上有规律的凸

2、点，附近有一个金属片，圆轴转动，凸点从金属片边缘扫过，由于凸点不同，使发音不同，再加上固定的转速，一周转下来，会作出一支固定美妙的乐曲 2。 随着时代的发展，这些老的音乐盒逐渐被人们遗忘，取而代之的是用电的音乐盒。因为它成本低，使用方便，更适合广大消费者。一般的用电的音乐盒，它们的发声原理如下：首先将 6V、 3A 光源装置固定在底盖上，通过底座上的电源接线柱与直流电源相接 3，然后将 AM 硅光电池板竖放在底座 上，导线和音乐盒的电源线都接在底座上的另一对接线柱上。光源光应直射在 AM 硅光电池板上。音乐盒由三极管 S9013、音乐集成块 HF9300、喇叭、发光二极管、塑料盒等组成。焊接时

3、应切断三极管发射极和音乐 IC 负端的连线 4，在断线处两端焊上发光二极管。塑料盒体积为 60 54 20(mm)3，面板上方钻一个 =5mm圆孔作为透光孔，再在面板上钻数个小孔作为透音孔，然后将音乐 IC 等组件装入塑料盒内即成一个带闪光的发音盒 5。开启直流电源，光源发光，音乐盒即播放音乐并闪光显示。现在 FPGA技术越来越强大，用 FPGA实现它能使其造价更低，功能更强大 6。 2 相关研究的最新成果及动态 随着近几年来电子技术取得突破性的发展，全世界 FPGA的应用市场扩大，FPGA得到了更好的发展。主要发展特点趋于如下 7： 1.向更高密度、更大容量的千万门系统级方向迈进 当前的个人

4、电脑使用双核、 4核、 16核处理器来执行各项任务。如今，美英研究人员开发的中央处理器 (CPU)将 1000个内核有效集成于一个芯片上。这项突破或许将在今后几年开启一个超高速运算的新时代，使家庭用户不再对运行缓慢的电脑系统感到沮丧了。虽然速度更快，但 由于新型“超级”电脑的能耗远低于当前电脑，所以就更加环保 11。 研究人员采用一种名为“现场可编程门阵列” (以下简称“ FPGA” )的芯片，使得微晶片就像都含有数百万个晶体管一样，而晶体管则是任何电路的基本组成部分。不过， FPGA 芯片可由用户安装到特定的电路，它们的功能不是在出厂时就设定好的。这样一来，用户可以将晶体管划分成一个个“小群

5、体”，要求每个“小群体”完成不同任务 6 。 通过在 FPGA 芯片内创建 1000个微电路，研究人员便将这个芯片变成了 1000个内核的处理器 每个内核都可以遵照自己 的指令工作。在测试中， FPGA芯片每秒能处理多达 5GB的数据，处理速度大概相当于当前台式机的 20倍。这项研究由美国马萨诸塞大学卢维尔分校的同行和英国格拉斯哥大学的韦姆范德堡韦德 (Wim Vanderbauwhede)博士共同实施 。 2. 向低成本、低电压、微功耗、微封装和绿色化发展 随着问题规模越来越复杂和对速度等性能要求不断提高， FPGA设计的功耗问题日益成为开发设计的瓶颈，对于以电池供电的便携式的设计而言，降低

6、功耗意味着更长的电池寿命和续航时间，也能扩大 FPGA 在诸如小型手持设备终端上的应 用；对于使用交流电网设计而言，降低功耗则意味着降低设备的工作温度，减少对冷却设备的要求，同时更低的功耗也减少器件的过多的发热可以提高设计的稳定性和延长芯片的寿命。有研究表明，当温度降低 20，可以使芯片的总体寿命延长 10倍到 11倍 。降低 FPGA功耗的技术主要也就包含两大类：第一类是降低 FPGA 的动态功耗，主要是在保证设计满足应用要求的情况下，通过降低设计中的有效信号翻转率 8，减少毛刺无效信号的产生和传播来降低功耗；第二类就是降低 FPGA 的静态功耗，这可以使用更好的架构如三层氧化物防泄露，更低

7、的或根据不同性能要求对电路不同模块提供不同的供电电压、合适的 CMOS 门限电压等一些电路基本组成结构上的调整来减少泄露电流这些方法包括使用流水线，门控电路，内嵌的定制功能块，能减少平均布线长度和平均节点负载电容的更好的自适应探索布局布线算法 10，更好的适合于 FPGA 逻辑实现的设计算法等 8 。降低 FPGA 功耗的各种方法可以结合起来获得更好的降低功耗的效果和获得更满意的性能。同时为了达到整个系统功耗尽量低，降低功耗并不仅仅是降低每个时钟周期的功耗，而应该考虑完成完整的计算需要消耗的功耗。比如有人做的流水线设计，在很长的组合逻辑路径中插入了寄存器 ,虽然增加了运算周期数 ,却能大大减少

8、组合逻辑链路延时 , 减少设计的逻辑深度，在提高整个系统的工作频率的同时，也降低了设计的功耗 9 。 3.IP资源复用理念将得到普遍认同并成为主要设计方式。 4.MCU、 DSP、 MPU等嵌入式处理器 IP将成为 FPGA应用的核心。 因此，使用 FPGA 技术制作音乐盒具有很大的优势。首先可以降低音乐盒的成本，使其向大众化发展；其次，与八宝音乐盒相比，它里面的歌曲会 更多。 3 课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、研究难点及预期达到的目标 1.技术路线 音乐盒制作的基本原理是：先将某种乐器的声音转换为电信号，然后分析该乐器的电信号的波形和频谱，最后利用电子技术产生与该乐器相仿的电

9、信号。仅从电子乐器发出的信号电特性来看，其表现力主要体现在 4个方面：长短，音高，强弱和音色。由于本课程设计所研究的电子乐器在演奏时，它所产生的信号是方波，其波形是占空比为 50%的脉冲波行，频谱中仅含有基频和其奇次谐波 14。 (1)振荡电路：振荡电路应能产生一个时钟信号的 CP。 (2)12 音节分频电路：音阶分频电路应能在分频控制电路的控制下，产生 12 个音阶频率中的一个。 (3)8度分频电路： 2 个 8度信号就是 2分频关系， 4个 8度信号就是 4个有 2分频关系信号。设计这一点路试，应考虑用何种方式可以使分频电路和 8度分频的控制电路最为简便。 (4)控制电路：它的逻辑流程可概

10、括为：开机启动后进入“等待”状态，在此状态下不演奏乐曲；如果此时有乐曲信号，则根据选取信号的编码得到乐曲在EEPROM 中的首地址；得到某一乐曲首地址后，则进入演奏状态，每奏出一个最小时值单位的乐符判断一次是否有演奏结束信号；若没有结 束，则 ROM 地址加 1，从下一个字节中取出分频控制信号；若从 ROM 取出的信号有结束标志，则返回“等待”状态。如果此时选取信号未取消，则按上述逻辑操作进行操作。 （ 5） 音频功率放大器：设计音频功率放大器时，应考虑负载的额定功率，一是输出功率不能大于负载的额定功率，二是功率放大器输出应能够驱动负载，否则就会将烧坏负载 15。 2.难点 虽然这个音乐盒在设

11、计上并不难，但是要真正要实现它的功能，要各个功能协调起来，放出音乐还有有一定的难度的。这个的焊接技术也非常重要，要有有一个地方 焊接部成功就不能实现它的功能 13。 3.预期达到目标 我想最后达到的目标是音乐盒能放出动听的音乐，然后还有能切换歌曲。 4 研究工作详细进度和安排 2010.11.23 2011.1.10：查阅相关资料，深入了解所选课题，完成外文翻译，文献综述。 2011.1.10 2011.2.27：完成开题报告定稿。 2011.3.1 2009.3.20：确定系统研究方法与技术路线。 2011.3.21 2011.4.17：完成系统软硬件设计。 2011.4.18 2011.5

12、.1: 完成系统调试。 2011.5.2 2011.5.15： 完成论文初稿。 2011.5.16 2011.5.22：完善系统设计，修改论文，论文定稿。 5 参考文献 1 Tuan T, Steve T. The power consumptions of FPGAarchitecturesJ. 今日电子 , 2007, 15(9):31 33. 2倪继利 ,陈曦 ,李挥 .CPU 源代码分析与芯片设计及 linux 移植 M.北京 :电子工业出版社 ,2007.36 45. 3许文曜，徐新民 . 基于新型 FPGA 的自可重构系统设计研究 J.杭州 :浙江大学 , 2008. 4 黄琳，陈

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