基于fpga的花樣音樂噴泉設計(已修改)

　

【正文】 摘要進入了21世紀，隨著人們生活水平的提高和建立綠色城市的向往，音樂噴泉以其獨特的魅力和特殊的功能，愈來愈成為休閑娛樂產業中的一項重要產品,音樂噴泉的興建也越來越多。采用程序控制或人工按鍵控制電磁閥來控制噴泉。音頻信號還影響燈光色彩和燈光光線明暗的變化。從而使燈光色彩、燈光的閃爍和噴泉水姿隨音樂節奏而變化。　音樂噴泉是通過千變萬化的噴泉造型，結合五顏六色的彩光照明，來反映音樂的內涵及音樂的主題，一座好的音樂噴泉，水形的變化應該能夠充分地表現樂曲。音樂表演噴泉是在程序控制噴泉的基礎上加入了音樂控制系統，本程序設計的是基于FPGA的花樣音樂噴泉，使噴泉水姿、燈光色彩及音樂節奏的變化相融合著變化。采用EDA作為開發工具，VHDL語言為硬件描述語言，QUARTUSII作為程序運行平臺，所開發的程序通過調試運行、波形仿真驗證，初步實現了設計目標。關鍵詞：花樣音樂噴泉，FPGA,EDA,VHDL,QUARTUSII目錄摘要 1目錄 21緒論 3 32 音樂噴泉概述 4 音樂噴泉的起源 4 噴泉種類 5 噴泉的審美 5 音樂噴泉的現狀和發展前景 53 音樂噴泉總體設計思路 64 EDA技術、VHDL語言、及QUARTUSII簡介 7 EDA技術概述 7 EDA技術硬件描述語言VHDL 8 QUARTUSII概述 85 簡譜簡介 9 9 音的力度 9 96小型音樂噴泉硬件化模塊設計 噴頭 10 噴泉的管道布置 11 水下彩燈布置 11 水形花樣的改變 117小型音樂噴泉軟件化模塊設計 12 12 12 12“梁祝”音樂設計的VHDL程序 13“上學歌”音樂設計的VHDL程序 15“一剪梅”音樂設計的VHDL程序 17“歌聲與微笑”音樂設計的VHDL程序 21 23 23“ToneTaba”設計的VHDL程序 23 24 24“.Speakera”設計的VHDL程序這就是一個數控分頻器 25\自動選擇模塊 26\自動選擇模塊的功能 26“mux212”設計的VHDL程序 26“mux41”設計的VHDL程序 27 28 30“二分頻”的VHDL程序設計 30“二選一”設計的VHDL程序 31“水形花樣控制”的VHDL程序 31 34 358結束語 35致謝詞 36附錄 37參考文獻 411緒論 隨著人們生活水平的提高，人們對環境的美化要求愈來愈高。音樂噴泉是現代科技與藝術的綜合，音樂噴泉將噴水圖形、彩色燈光及音樂旋律構成一個有機的整體，隨著樂曲旋律和節奏的變化，各種不同的噴水花形相應的配合變換，在五彩絢麗的變幻燈光照耀下，構成一幅幅奇妙無比的景觀、令人賞心悅目，嘆為觀止，在視聽上獲得極大的享受。音樂噴泉的起源于1930年，德國發明家奧圖皮士特先生首先帶出噴泉的概念，此后經過多年的發展，其音樂噴泉的設計及構造已變得更大型及復雜。1952年的夏天，西柏林的工業展覽中，展出了音樂噴泉的表演。1953年1月15日音樂噴泉在美國首次表演，表演期間超過一百五十萬人觀看。音樂噴泉經過多年的改良已大大減低建造和維修的成本，電腦已用在音樂噴泉上，使其表演能更復雜和美麗。1998年開發的魔術師電腦音樂噴泉系統軟件更是將計算機控制技術、計算機多媒體技術、音樂模糊分析處理技術等高技術應用于噴泉系統的典范。魔術師電腦音樂系統采用數字同步處理技術，給在感官上和聽覺上得到滿意的效果，采用多級分散控制結構和隔離化設計，保證系統安全性、可靠性和穩定性；采用模塊化設計，使系統擴展性好，兼容性強，安裝和維護使用方便。隨著我國改革開放政策的不斷80實施，年代中，我國也相繼引進和自行設計建造了多座音樂噴泉，為美化環境，活躍人民的文化生活起了良好的作用。通過學習和引進國外先進技術，加上自行研究和開發，噴泉的面貌不斷更新，各種新水型層出不窮，音樂噴泉還可以同水幕電影、激光表演和舞臺表演相結合，產生令人難忘的藝術效果。我國現有上百家噴泉水景設備制造廠，經過市場競爭、優勝劣汰，我國已經出現了幾家綜合實力較強的大型噴泉水景工程公司，能夠獨立建設投資上千萬元的特大型噴泉水景工程，并創造了一些世界之最的新記錄。總體上說，我國的噴泉水景技術已經達到了國際先進水平，其建設規模和市場需求更是其他國家所難以相比的。本次設計內容有：首先進行音樂噴泉產品的市場分析并制定總體方案及其系統規范，其次進行音樂噴泉硬件模塊化設計，再次進行音樂噴泉軟件模塊化設計，最后是組裝調試，并進行總結。2 音樂噴泉概述 音樂噴泉的起源 一九三零年，德國發明家奧圖皮士特先生首先帶出噴泉的概念，起初他只在百貨商店和餐館建造小型噴泉，及后經過多年的發展，其音樂噴泉的設計及構造已變得更大型及復雜。根德皮斯特域先生早于十二歲已跟隨父親設計及建造噴泉，一九五二年的夏天，西柏林的工業展覽中，一個美國人看到音樂噴泉的表演，并把它帶回紐約電臺音樂會堂。一九五三年一月十五日音樂噴泉在美國首次表演，表演期間超過一百五十萬人觀看。現在根德皮斯特域先生繼續改善其音樂噴泉及推向全世界，多年的改良已大大減低建造和維修的成本，電腦更已用在音樂噴泉上，使其表演能更復雜和美麗。電腦音樂噴泉是通過千變萬化的噴泉造型，結合五顏六色的彩光照明，來反映音樂的內涵及音樂的主題，一座好的音樂噴泉，水形的變化應該能夠充分地表現樂曲。我們運用了許多高科技手段，經過多年反復探索和不斷改進，在技術上能夠得到保證。1998年開發的魔術師電腦音樂噴泉系統軟件更是將計算機控制技術、計算機多媒體技術、音樂模糊分析處理技術等高技術應用于噴泉系統的典范。魔術師電腦音樂系統采用數字同步處理技術，給在感官上和聽覺上得到滿意的效果，采用多級分散控制結構和隔離化設計，保證系統安全性、可靠性和穩定性；采用模塊化設計，使系統擴展性好，兼容性強，安裝和維護使用方便。 噴泉種類噴泉的種類普通噴泉分音樂噴泉、程控噴泉、旱地噴泉、跑動噴泉、光亮噴泉、趣味噴泉、激光水幕電影、超高噴泉等。音樂噴泉由計算機控制，集聲、光、色為一體，噴頭燈光伴隨著優雅的樂曲，夢幻般的起伏，交叉生輝，構成一幅五彩繽紛、優美動人的場景，熱烈歡樂的水姿，令人心曠神怡，嘆為觀止，留戀忘返。 噴泉的審美當人們感受各種音響時，會不自覺的把這些聽覺感受和其它非聽覺器官的感受聯系起來，這種現象稱為聯覺，屬于一種異質異構多一同態對應現象。一般情況下，高音區的音符經常和明亮的視覺感受、積極或快樂的情態感受等聯系在一起，低音區的音符經常和昏暗的視覺感受、消沉或哀傷的情態感受等聯系在一起；舒緩的節奏容易讓人感受到開闊的空間或較為平靜的情緒，而急促的節奏則容易讓人感到空間狹窄、情緒躁動等等。噴泉曲目的編配就是根據聯覺現象來組態各種水型，好比編導一場舞蹈一樣，為使演出成功，導演需要考慮舞蹈演員以何種體態動作來表現音樂的情感魅力。 音樂噴泉的現狀和發展前景北京石景山古城公園的音樂噴泉，在悠揚動聽的音樂聲中，噴水可產生五六種變化，時而轉動如銀傘，時而飄忽如玉帶，時而如金蛇狂舞，時而旋轉飛濺……噴出的花形有曇花、菊花、扶桑花、百合花和曼陀羅花，這是在80年代初期中國較早修建的一個音樂噴泉。南昌的秋水廣場是由“落霞與孤雁齊飛，秋水共長天一色”的意境而得名，秋水廣場就是以噴泉為主題，集旅游、觀光、購物的大型休閑廣場。他的音樂噴泉最吸引人注目，是國內最大的音樂噴泉群，主噴高達128米，是南昌的一倩麗景觀，人們可以一邊欣賞音樂，一邊觀看滕王閣的美景。新加坡圣陶沙旅游區的音樂噴泉的設計與效果也是值得參考的，它布置在一個空曠而略有坡度的空間，面積很大，與圣陶沙車站前的長形噴水池共同組成為一個長達數百米的綜合系列噴泉，音樂噴泉位于系列噴泉的頂端。舞臺為一假山堆疊的西洋式半圓柱廊組成，共分3層。白天，假山瀑布及兩側的噴泉群與3層水池形成一處動靜結合的較為文雅悠揚的水景園，入夜則有五光十色，優美動聽的噴泉景觀，整個舞臺區域東西面闊近百米，南北深度約40m成為目前亞洲最大的之一音樂噴泉。表現出壯闊、絢麗的水景之美。以上幾處從音樂噴泉建筑形式、音樂曲調及水舞表演的角度展現了的音樂噴泉美麗姿態。國內外的控音樂噴泉制系統設計均已達到成熟的水平，而且還有專門的生產設廠家，提供設計、噴泉設備及安裝等服務。目前，國內的音樂噴泉逐漸向智能化、分散化、綜合化、多樣化的方向發展，于是對噴泉控制系統的設計也提出了更高的要求。金融危機為外資企業入駐中國音樂噴泉行業創造了條件，國際許多音樂噴泉企業已經看中在中國低成本拓展市場的機會，隨著外資投入逐步加大，中國國內企業改革重組迅速加快。同時新的行業制度等政策的頒布和實施將促使我國音樂噴泉行業洗牌，企業兼并重組將在政策的促使下大力發展。隨著國內環保經濟的發展，低碳已經成為“十二五規劃”中的主題，音樂噴泉行業的產業升級已經迫在眉睫。3 音樂噴泉總體設計思路本次音樂噴泉設計共分成兩大部分（1）第一部分：手動控制 音樂是四首音樂，我們通過兩個按鈕k1和k2來控制，我們可以自己選擇自己想聽的音樂，而噴泉是受音樂控制的，我們通過軟件設計，每當音樂播放時都會輸出和顯示音符即：0 1 2 3 4 5 6 7 這8個音符我們都事先用軟件控制好每種音符所對應的噴泉噴水方式，這樣我們就能使噴泉隨音樂而翩翩起舞，給人音樂的聽覺美感和噴泉的視覺美感以完美的結合。（2）第二部分：自動控制 通過按鈕s來控制第一部分與第二部分的運行，當s=1時第二部分就開始執行。第二部分的音樂部分是4首歌連在一起的，就跟一個會自動播放的mp3的效果是一樣的，同時這部分的噴泉花樣是我們事先用軟件編好的三種花樣，這時的噴泉有著另一番的美感。 噴泉花樣是具有2種節拍的三種花樣，其中兩種節拍是4Hz與2Hz，通過一個分頻器來進行實現控制的。噴泉的三種花樣是：（1）8個噴泉口從左至右按次序依次噴水，全起后逆次序依次停止。（2）8個噴泉口從中間到兩邊對稱地漸起噴水，全起后仍由中間向兩邊逐次停止。（3）8個噴泉口從中間分成兩半，每半從左至右順序依次進行噴水，全起后則全部停止。 當一個大的周期結束后，該三種花樣將會自動按照另一種節拍進行噴水。以上就是本次畢業設計的小型音樂噴泉的總體設計思想。4 EDA技術、VHDL語言、及QUARTUSII簡介 EDA技術概述EDA技術是Electronic Design Automation（電子設計自動化）的縮寫，EDA技術就是以微電子技術為物理層面，現代電子設計技術為靈魂，計算機軟件技術為手段，最終形成集成電子系統或專用集成電路ASIC(Application Specific Integrated Circuit)為目的的一門新興技術。EDA技術可簡單概括為以大規模可編程邏輯旗艦為設計載體，通過硬件描述語言輸入給相應開發軟件，經過編譯和仿真，最終下載到設計載體中，從而完成系統電路設計任務的一門新技術。 EDA技術硬件描述語言VHDLVHDL的英文全名是(VeryHighSpeed Integrated Circuit Hardware Description Language)誕生于1982年。1987年底，VHDL被IEEE和美國國防部確認為標準硬件描述語言。一個完整的VHDL程序（或稱為設計實體）具有比較固定的結構。通常包含實體(Entity)、結構體(Architecture)、配置(Configuration)、程序包(Package)和庫(Library)5個部分。VHDL語言的結構VHDL語言主要組成構件有設計實體（Entity）、結構體（Architecture）、子程序（FunctionProcedure）、集合包（Package）和庫（Library），前四種稱為可編譯的設計單元。一個VHDL設計就是有這四種構件的組成，編譯之后將它們放在制定的庫中共享。其中，實體用于描述設計的接口界面信號，它規定端口數目，端口方向和端口類型。它與硬件電路設計中的符號相對應。而結構體指定設計的真實行為，性能和結構，與硬件電路設計中的原理圖相對應。子程序是可被調用的執行某一特定功能算法的集合。集合包則是為了使常用的數據類型、常數和子程序對于其他設計塊可用而集中充放的一批設計單元和約定。 QUARTUSII概述QuartusII是Altera提供的FPGA/CPLD開發集成環境，Altera是世界最大可編程邏輯器件供應商之一。QuartusII在21世紀初推出，是Altera前一代FPGA/CPLD集成開發環境MAX+plusII的更新換代產品，其界面友好，使用便捷。在QuartusII上可以完成設計輸入、HDL綜合、布線布局（適配）、仿真和下載和硬件測試等流程，它提供了一種與結構無關的設計環境，使設計者能方便地進行設計輸入、快速處理和器件編程。5 簡譜簡介　音樂中的音符有長短之分。這里引用一個基礎的音樂術語拍子。拍子是表示音符長短的重要概念。　表示音樂的長短需要有一個相對固定的時間概念。簡譜里將音符分為全音符、二分音符、四分音符、十六分音符、三十二分音符等。在這幾個音