PLD的MIDI音乐播放器设计制作
PLD的MIDI音乐播放器设计制作[20200131183401]
摘要
本设计主要利用VHDL语言进行编程，在CPLD内部设计出音调发生器，音乐编码器，彩灯闪烁控制三个模块，再配上时钟，彩灯，开关，扬声器等必要的外围电路，从而实现四首音乐选择播放，并配有随音乐节奏而闪烁变化的彩灯等功能的EDA应用系统
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:EDA,CPLD,VHDL语言。
目录
一、绪论 5
（一）课题的背景和意义 5
1.课题的背景 5
2.国内外研究现状 5
3.应用及发展趋势 6
(二) 研究的基本内容 6
1.CPLD的设计 6
2.外围电路的设计 7
二、 总体设计概述 7
（一）MAX II 系列CPLD 7
（二）总体设计思路 8
1.总体设计框图与设计思路 8
2.CPLD设计思路 9
3.外围电路设计思路 9
三、MIDI音乐播放器芯片设计 10
（一）工作原理 10
（二）模块设计 10
1.音乐编码器模块设计 10
2.音调发生模块设计 11
3.彩灯闪烁控制模块设计 16
4.开关选择模块设计 19
5.顶层模块设计 20
（三）歌曲选择 22
四、 外围电路设计 23
（一）时钟电路 23
1.音乐节奏时钟 23
2.彩灯闪烁节奏时钟产生电路 24
（二）音频功率放大电路 24
（三）音乐选择开关与彩灯闪烁控制电路 25
五、芯片制作及系统调试 28
（一） CPLD程序下载 28
（二）系统调试 28
1.音乐节奏时钟的调试 28
2.彩灯控制时钟的调试 28
3.音频功率放大的调试 29
结论 31
致谢 32
参考文献 33
附录音符储存模块代码 34
◆（一）课题的背景和意义
在通信，航天，国防，仪器仪表，工业自动化，等领域的电子系统设计工作中，微电子技术和计算机技术得到不断发展，EDA技术的发展以高速度上升，它已经成为当今电子技术发展领域的前沿之一。EDA(Electronics Design Automation)也就是电子设计自动化技术，是以计算机为基础的工作平台，融入应用电子，智能化，计算机等技术的最新成果而研制出的的一整套软件工具，集中辅助实行三方面的设计工作：IC设计，PCB设计以及电子电路设计。
大规模可编程逻辑器件CPLD（Complex Programmable Logic Device,复杂可编程逻辑器件）和FPGA(Field Programmable Gates Array,现场可编辑门阵列)是当今应用最广泛的两类可编程逻辑器件。可编程逻辑器件具有静态可重复编程和动态在系统重构特性，这样会使得硬件的功能像软件一样可以通过编程来修改，这样就极大的提高了电子系统设计的灵活性和通用性。另外它还可以缩短产品上市时间，降低开发成本。
◆1.课题的背景
FPGA与CPLD都是可编程逻辑器件，是在PAL,GAL等逻辑器件的基础上发展起来的，与分立元件相比，具有速度快，容量大，功耗小和可靠性高等优点。由于集成度高。设计方法先进，现场可编程，它可以替代几十甚至上百片通用IC芯片。这种芯片具有现场可编程和方案容易改动的特点。所以FPGA和CPLD芯片受到世界范围内电子工程设计人员的广泛关注和普遍欢迎，可以设计各种数字电路和数字系统。
◆2.国内外研究现状
PLD生产厂商众多，有Xilinx,Altera,Actel,Lattic,Atmel等，其中以Xilinx和Altera的产品较有代表性，Xilinx的产品称为FPGA, Altera的产品称为CPLD,他们各有特点：
1， 同样藉由EPROM和SRAM的结构。
2， Altera CPLD适合完成各类算法和组合逻辑，而Xilinx FPGA更适合于完成时序较多的逻辑电路。
3， 对于SRAM结构的产品，Altera公司的PLD的输出电流可达25mA，而Xilinx的FPGA只有16mA。
3， Altera公司的PLD延时时间可预测，弥补了FPGA的缺点。
4， Altera公司的FLEX10K10E系列的产品具有更大的集成度。
因此，针对上述特点，结合本设计题目的要求，我们采用Altera公司的CPLD芯片，7128型号，这是目前市场最为通用的一种CPLD，采用其构成的最小系统通用板，利用外围电路的拓展，可以完成许多设计员需要的电路系统功能。
基于PLD的设计，有以下几种较为成熟的设计方法：
1，原理图设计
2，程序设计方法
3，状态机设计
4，功能模块输入法
5，IP模块使用
6，基于平台的设计方法
其中，最为广泛普遍应用的为程序设计方法。
程序设计方法是使用硬件描述语言（简称HDL），在EDA软件提供的设计向导或语言助手的支持之下进行设计。HDL设计是目前工程设计最重要的设计方法。程序设计的语言种类较多，近年来广泛使用的有ABEL,VHDL和VerilogHDL语言。本次设计，主要采用VHDL语言设计。VHDL语言是随着集成电路系统化和高度集成化发展起来的，是一种用于数字系统的设计和测试方法的描述语言。
◆3.应用及发展趋势
CPLD/FPGA的发展已经非常普及，在各个行业及领域都有广泛的应用，包括在机械，电子，通信，航空航天，化学，矿产，生物，医学，军事等各个领域，都有EDA的应用。
2008年，Altrea公司宣布，深圳华禹高科技有限公司在其新的携式手持机中选用了MAY IIZ CPLD。选用Altrea MAY IIZ CPLD，是因为它具有最低的功耗和最小的电路板面积，以及可以迅速安全地实现新特性和功能。这个逻辑器件管理P1200便携式手持机中的许多个接口，有射频识别（RFID）读卡器，红外数据协会（IRDA）传感器以及LED控制端口等。
◆（二）研究的基本内容
◆1.CPLD的设计
本设计的关键还是在于内部芯片的设计。由于EDA软件的功能日益强大，原来功能比较单一的软件，现在增加了很多新用途。本次设计采用的是Altera公司的CPLD芯片，我们会利用Quartus II进行设计，其中采用软件中的集成文本编辑器，来进行VHDL语言的设计。
关于音乐的选择方面，尽量选择一些节奏缓慢，节拍清晰的歌曲，且音律范围不要太广的歌曲，这样在设计上，即可尽量节约芯片内部资源。
另外，CPLD器件的选择也是一个关键。我们拟采用CPLD通用板来设计，这样的话包括基准时钟在内的所有芯片外的东西，都需要外部接入来完成，因此，对芯片的结构了解也是一个关键。
◆2.外围电路的设计
外围电路都是一些最基本，最常见的模拟电路，因此在使用不会有太大问题，但有一个要注意的地方，就是在一些电阻和电容的取值上，要比较细心，比如说在放大器的发生模块上，要求驱动扬声器的电阻值就比较小，而且非常精确，一旦太大，可能会导致无法驱动扬声器，因此可以尽量采用滑动变阻器，通过计算与调试后，得出比较精准的数据。外围电路的调试工作要配合芯片设计一起进行，这样可以调试出音乐输出的最佳状态。
摘要
本设计主要利用VHDL语言进行编程，在CPLD内部设计出音调发生器，音乐编码器，彩灯闪烁控制三个模块，再配上时钟，彩灯，开关，扬声器等必要的外围电路，从而实现四首音乐选择播放，并配有随音乐节奏而闪烁变化的彩灯等功能的EDA应用系统
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:EDA,CPLD,VHDL语言。
目录
一、绪论 5
（一）课题的背景和意义 5
1.课题的背景 5
2.国内外研究现状 5
3.应用及发展趋势 6
(二) 研究的基本内容 6
1.CPLD的设计 6
2.外围电路的设计 7
二、 总体设计概述 7
（一）MAX II 系列CPLD 7
（二）总体设计思路 8
1.总体设计框图与设计思路 8
2.CPLD设计思路 9
3.外围电路设计思路 9
三、MIDI音乐播放器芯片设计 10
（一）工作原理 10
（二）模块设计 10
1.音乐编码器模块设计 10
2.音调发生模块设计 11
3.彩灯闪烁控制模块设计 16
4.开关选择模块设计 19
5.顶层模块设计 20
（三）歌曲选择 22
四、 外围电路设计 23
（一）时钟电路 23
1.音乐节奏时钟 23
2.彩灯闪烁节奏时钟产生电路 24
（二）音频功率放大电路 24
（三）音乐选择开关与彩灯闪烁控制电路 25
五、芯片制作及系统调试 28
（一） CPLD程序下载 28
（二）系统调试 28
1.音乐节奏时钟的调试 28
2.彩灯控制时钟的调试 28
3.音频功率放大的调试 29
结论 31
致谢 32
参考文献 33
附录音符储存模块代码 34
◆（一）课题的背景和意义
在通信，航天，国防，仪器仪表，工业自动化，等领域的电子系统设计工作中，微电子技术和计算机技术得到不断发展，EDA技术的发展以高速度上升，它已经成为当今电子技术发展领域的前沿之一。EDA(Electronics Design Automation)也就是电子设计自动化技术，是以计算机为基础的工作平台，融入应用电子，智能化，计算机等技术的最新成果而研制出的的一整套软件工具，集中辅助实行三方面的设计工作：IC设计，PCB设计以及电子电路设计。
大规模可编程逻辑器件CPLD（Complex Programmable Logic Device,复杂可编程逻辑器件）和FPGA(Field Programmable Gates Array,现场可编辑门阵列)是当今应用最广泛的两类可编程逻辑器件。可编程逻辑器件具有静态可重复编程和动态在系统重构特性，这样会使得硬件的功能像软件一样可以通过编程来修改，这样就极大的提高了电子系统设计的灵活性和通用性。另外它还可以缩短产品上市时间，降低开发成本。
◆1.课题的背景
FPGA与CPLD都是可编程逻辑器件，是在PAL,GAL等逻辑器件的基础上发展起来的，与分立元件相比，具有速度快，容量大，功耗小和可靠性高等优点。由于集成度高。设计方法先进，现场可编程，它可以替代几十甚至上百片通用IC芯片。这种芯片具有现场可编程和方案容易改动的特点。所以FPGA和CPLD芯片受到世界范围内电子工程设计人员的广泛关注和普遍欢迎，可以设计各种数字电路和数字系统。
◆2.国内外研究现状
PLD生产厂商众多，有Xilinx,Altera,Actel,Lattic,Atmel等，其中以Xilinx和Altera的产品较有代表性，Xilinx的产品称为FPGA, Altera的产品称为CPLD,他们各有特点：
1， 同样藉由EPROM和SRAM的结构。
2， Altera CPLD适合完成各类算法和组合逻辑，而Xilinx FPGA更适合于完成时序较多的逻辑电路。
3， 对于SRAM结构的产品，Altera公司的PLD的输出电流可达25mA，而Xilinx的FPGA只有16mA。
3， Altera公司的PLD延时时间可预测，弥补了FPGA的缺点。
4， Altera公司的FLEX10K10E系列的产品具有更大的集成度。
因此，针对上述特点，结合本设计题目的要求，我们采用Altera公司的CPLD芯片，7128型号，这是目前市场最为通用的一种CPLD，采用其构成的最小系统通用板，利用外围电路的拓展，可以完成许多设计员需要的电路系统功能。
基于PLD的设计，有以下几种较为成熟的设计方法：
1，原理图设计
2，程序设计方法
3，状态机设计
4，功能模块输入法
5，IP模块使用
6，基于平台的设计方法
其中，最为广泛普遍应用的为程序设计方法。
程序设计方法是使用硬件描述语言（简称HDL），在EDA软件提供的设计向导或语言助手的支持之下进行设计。HDL设计是目前工程设计最重要的设计方法。程序设计的语言种类较多，近年来广泛使用的有ABEL,VHDL和VerilogHDL语言。本次设计，主要采用VHDL语言设计。VHDL语言是随着集成电路系统化和高度集成化发展起来的，是一种用于数字系统的设计和测试方法的描述语言。
◆3.应用及发展趋势
CPLD/FPGA的发展已经非常普及，在各个行业及领域都有广泛的应用，包括在机械，电子，通信，航空航天，化学，矿产，生物，医学，军事等各个领域，都有EDA的应用。
2008年，Altrea公司宣布，深圳华禹高科技有限公司在其新的携式手持机中选用了MAY IIZ CPLD。选用Altrea MAY IIZ CPLD，是因为它具有最低的功耗和最小的电路板面积，以及可以迅速安全地实现新特性和功能。这个逻辑器件管理P1200便携式手持机中的许多个接口，有射频识别（RFID）读卡器，红外数据协会（IRDA）传感器以及LED控制端口等。
◆（二）研究的基本内容
◆1.CPLD的设计
本设计的关键还是在于内部芯片的设计。由于EDA软件的功能日益强大，原来功能比较单一的软件，现在增加了很多新用途。本次设计采用的是Altera公司的CPLD芯片，我们会利用Quartus II进行设计，其中采用软件中的集成文本编辑器，来进行VHDL语言的设计。
关于音乐的选择方面，尽量选择一些节奏缓慢，节拍清晰的歌曲，且音律范围不要太广的歌曲，这样在设计上，即可尽量节约芯片内部资源。
另外，CPLD器件的选择也是一个关键。我们拟采用CPLD通用板来设计，这样的话包括基准时钟在内的所有芯片外的东西，都需要外部接入来完成，因此，对芯片的结构了解也是一个关键。
◆2.外围电路的设计
外围电路都是一些最基本，最常见的模拟电路，因此在使用不会有太大问题，但有一个要注意的地方，就是在一些电阻和电容的取值上，要比较细心，比如说在放大器的发生模块上，要求驱动扬声器的电阻值就比较小，而且非常精确，一旦太大，可能会导致无法驱动扬声器，因此可以尽量采用滑动变阻器，通过计算与调试后，得出比较精准的数据。外围电路的调试工作要配合芯片设计一起进行，这样可以调试出音乐输出的最佳状态。
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