基于FPGA的花样音乐喷泉设计.docx
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基于FPGA的花样音乐喷泉设计
摘要
进入了21世纪,随着人们生活水平的提高和建立绿色城市的向往,音乐喷泉以其独特的魅力和特殊的功能,愈来愈成为休闲娱乐产业中的一项重要产品,音乐喷泉的兴建也越来越多。
采用程序控制或人工按键控制电磁阀来控制喷泉。
音频信号还影响灯光色彩和灯光光线明暗的变化。
从而使灯光色彩、灯光的闪烁和喷泉水姿随音乐节奏而变化。
音乐喷泉是通过千变万化的喷泉造型,结合五颜六色的彩光照明,来反映音乐的内涵及音乐的主题,一座好的音乐喷泉,水形的变化应该能够充分地表现乐曲。
音乐表演喷泉是在程序控制喷泉的基础上加入了音乐控制系统,本程序设计的是基于FPGA的花样音乐喷泉,使喷泉水姿、灯光色彩及音乐节奏的变化相融合着变化。
采用EDA作为开发工具,VHDL语言为硬件描述语言,QUARTUSII作为程序运行平台,所开发的程序通过调试运行、波形仿真验证,初步实现了设计目标。
关键词:
花样音乐喷泉,FPGA,EDA,VHDL,QUARTUSII
1绪论
1.1引言
随着人们生活水平的提高,人们对环境的美化要求愈来愈高。
音乐喷泉是现代科技与艺术的综合,音乐喷泉将喷水图形、彩色灯光及音乐旋律构成一个有机的整体,随着乐曲旋律和节奏的变化,各种不同的喷水花形相应的配合变换,在五彩绚丽的变幻灯光照耀下,构成一幅幅奇妙无比的景观、令人赏心悦目,叹为观止,在视听上获得极大的享受。
音乐喷泉的起源于1930年,德国发明家奥图皮士特先生首先带出喷泉的概念,此后经过多年的发展,其音乐喷泉的设计及构造已变得更大型及复杂。
1952年的夏天,西柏林的工业展览中,展出了音乐喷泉的表演。
1953年1月15日音乐喷泉在美国首次表演,表演期间超过一百五十万人观看。
音乐喷泉经过多年的改良已大大减低建造和维修的成本,电脑已用在音乐喷泉上,使其表演能更复杂和美丽。
1998年开发的魔术师电脑音乐喷泉系统软件更是将计算机控制技术、计算机多媒体技术、音乐模糊分析处理技术等高技术应用于喷泉系统的典范。
魔术师电脑音乐系统采用数字同步处理技术,使音乐与水型变化在0.1秒内完成,给在感官上和听觉上得到满意的效果,采用多级分散控制结构和隔离化设计,保证系统安全性、可靠性和稳定性;采用模块化设计,使系统扩展性好,兼容性强,安装和维护使用方便。
随着我国改革开放政策的不断80实施,年代中,我国也相继引进和自行设计建造了多座音乐喷泉,为美化环境,活跃人民的文化生活起了良好的作用。
通过学习和引进国外先进技术,加上自行研究和开发,喷泉的面貌不断更新,各种新水型层出不穷,音乐喷泉还可以同水幕电影、激光表演和舞台表演相结合,产生令人难忘的艺术效果。
我国现有上百家喷泉水景设备制造厂,经过市场竞争、优胜劣汰,我国已经出现了几家综合实力较强的大型喷泉水景工程公司,能够独立建设投资上千万元的特大型喷泉水景工程,并创造了一些世界之最的新记录。
总体上说,我国的喷泉水景技术已经达到了国际先进水平,其建设规模和市场需求更是其他国家所难以相比的。
本次设计内容有:
首先进行音乐喷泉产品的市场分析并制定总体方案及其系统规范,其次进行音乐喷泉硬件模块化设计,再次进行音乐喷泉软件模块化设计,最后是组装调试,并进行总结。
2音乐喷泉概述
2.1音乐喷泉的起源
一九三零年,德国发明家奥图皮士特先生首先带出喷泉的概念,起初他只在百货商店和餐馆建造小型喷泉,及后经过多年的发展,其音乐喷泉的设计及构造已变得更大型及复杂。
根德皮斯特域先生早于十二岁已跟随父亲设计及建造喷泉,一九五二年的夏天,西柏林的工业展览中,一个美国人看到音乐喷泉的表演,并把它带回纽约电台音乐会堂。
一九五三年一月十五日音乐喷泉在美国首次表演,表演期间超过一百五十万人观看。
现在根德皮斯特域先生继续改善其音乐喷泉及推向全世界,多年的改良已大大减低建造和维修的成本,电脑更已用在音乐喷泉上,使其表演能更复杂和美丽。
电脑音乐喷泉是通过千变万化的喷泉造型,结合五颜六色的彩光照明,来反映音乐的内涵及音乐的主题,一座好的音乐喷泉,水形的变化应该能够充分地表现乐曲。
我们运用了许多高科技手段,经过多年反复探索和不断改进,在技术上能够得到保证。
1998年开发的魔术师电脑音乐喷泉系统软件更是将计算机控制技术、计算机多媒体技术、音乐模糊分析处理技术等高技术应用于喷泉系统的典范。
魔术师电脑音乐系统采用数字同步处理技术,使音乐与水型变化在0.1秒内完成,给在感官上和听觉上得到满意的效果,采用多级分散控制结构和隔离化设计,保证系统安全性、可靠性和稳定性;采用模块化设计,使系统扩展性好,兼容性强,安装和维护使用方便。
2.2喷泉种类
喷泉的种类普通喷泉分音乐喷泉、程控喷泉、旱地喷泉、跑动喷泉、光亮喷泉、趣味喷泉、激光水幕电影、超高喷泉等。
音乐喷泉由计算机控制,集声、光、色为一体,喷头灯光伴随着优雅的乐曲,梦幻般的起伏,交叉生辉,构成一幅五彩缤纷、优美动人的场景,热烈欢乐的水姿,令人心旷神怡,叹为观止,留恋忘返。
2.3喷泉的审美
当人们感受各种音响时,会不自觉的把这些听觉感受和其它非听觉器官的感受联系起来,这种现象称为联觉,属于一种异质异构多一同态对应现象。
一般情况下,高音区的音符经常和明亮的视觉感受、积极或快乐的情态感受等联系在一起,低音区的音符经常和昏暗的视觉感受、消沉或哀伤的情态感受等联系在一起;舒缓的节奏容易让人感受到开阔的空间或较为平静的情绪,而急促的节奏则容易让人感到空间狭窄、情绪躁动等等。
喷泉曲目的编配就是根据联觉现象来组态各种水型,好比编导一场舞蹈一样,为使演出成功,导演需要考虑舞蹈演员以何种体态动作来表现音乐的情感魅力。
2.4音乐喷泉的现状和发展前景
北京石景山古城公园的音乐喷泉,在悠扬动听的音乐声中,喷水可产生五六种变化,时而转动如银伞,时而飘忽如玉带,时而如金蛇狂舞,时而旋转飞溅……喷出的花形有昙花、菊花、扶桑花、百合花和曼陀罗花,这是在80年代初期中国较早修建的一个音乐喷泉。
南昌的秋水广场是由“落霞与孤雁齐飞,秋水共长天一色”的意境而得名,秋水广场就是以喷泉为主题,集旅游、观光、购物的大型休闲广场。
他的音乐喷泉最吸引人注目,是国内最大的音乐喷泉群,泉水面积1.2万平方米,主喷高达128米,是南昌的一倩丽景观,人们可以一边欣赏音乐,一边观看滕王阁的美景。
新加坡圣陶沙旅游区的音乐喷泉的设计与效果也是值得参考的,它布置在一个空旷而略有坡度的空间,面积很大,与圣陶沙车站前的长形喷水池共同组成为一个长达数百米的综合系列喷泉,音乐喷泉位于系列喷泉的顶端。
舞台为一假山堆叠的西洋式半圆柱廊组成,共分3层。
白天,假山瀑布及两侧的喷泉群与3层水池形成一处动静结合的较为文雅悠扬的水景园,入夜则有五光十色,优美动听的喷泉景观,整个舞台区域东西面阔近百米,南北深度约40m成为目前亚洲最大的之一音乐喷泉。
表现出壮阔、绚丽的水景之美。
以上几处从音乐喷泉建筑形式、音乐曲调及水舞表演的角度展现了的音乐喷泉美丽姿态,。
国内外的控音乐喷泉制系统设计均已达到成熟的水平,而且还有专门的生产设厂家,提供设计、喷泉设备及安装等服务。
目前,国内的音乐喷泉逐渐向智能化、分散化、综合化、多样化的方向发展,于是对喷泉控制系统的设计也提出了更高的要求。
金融危机为外资企业入驻中国音乐喷泉行业创造了条件,国际许多音乐喷泉企业已经看中在中国低成本拓展市场的机会,随着外资投入逐步加大,中国国内企业改革重组迅速加快。
同时新的行业制度等政策的颁布和实施将促使我国音乐喷泉行业洗牌,企业兼并重组将在政策的促使下大力发展。
随着国内环保经济的发展,低碳已经成为“十二五规划”中的主题,音乐喷泉行业的产业升级已经迫在眉睫。
3音乐喷泉总体设计思路
本次音乐喷泉设计共分成两大部分
(1)第一部分:
手动控制
音乐是四首音乐,我们通过两个按钮k1和k2来控制,我们可以自己选择自己想听的音乐,而喷泉是受音乐控制的,我们通过软件设计,每当音乐播放时都会输出和显示音符即:
01234567这8个音符我们都事先用软件控制好每种音符所对应的喷泉喷水方式,这样我们就能使喷泉随音乐而翩翩起舞,给人音乐的听觉美感和喷泉的视觉美感以完美的结合。
(2)第二部分:
自动控制
通过按钮s来控制第一部分与第二部分的运行,当s=1时第二部分就开始执行。
第二部分的音乐部分是4首歌连在一起的,就跟一个会自动播放的mp3的效果是一样的,同时这部分的喷泉花样是我们事先用软件编好的三种花样,这时的喷泉有着另一番的美感。
喷泉花样是具有2种节拍的三种花样,其中两种节拍是4Hz与2Hz,通过一个分频器来进行实现控制的。
喷泉的三种花样是:
(1)8个喷泉口从左至右按次序依次喷水,全起后逆次序依次停止。
(2)8个喷泉口从中间到两边对称地渐起喷水,全起后仍由中间向两边逐次停止。
(3)8个喷泉口从中间分成两半,每半从左至右顺序依次进行喷水,全起后则全部停止。
当一个大的周期结束后,该三种花样将会自动按照另一种节拍进行喷水。
以上就是本次毕业设计的小型音乐喷泉的总体设计思想。
4EDA技术、VHDL语言、及QUARTUSII简介
4.1EDA技术概述
EDA技术是ElectronicDesignAutomation(电子设计自动化)的缩写,EDA技术就是以微电子技术为物理层面,现代电子设计技术为灵魂,计算机软件技术为手段,最终形成集成电子系统或专用集成电路ASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuit)为目的的一门新兴技术。
EDA技术可简单概括为以大规模可编程逻辑旗舰为设计载体,通过硬件描述语言输入给相应开发软件,经过编译和仿真,最终下载到设计载体中,从而完成系统电路设计任务的一门新技术。
4.2EDA技术硬件描述语言VHDL
VHDL的英文全名是(Very-High-SpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage)诞生于1982年。
1987年底,VHDL被IEEE和美国国防部确认为标准硬件描述语言。
一个完整的VHDL程序(或称为设计实体)具有比较固定的结构。
通常包含实体(Entity)、结构体(Architecture)、配置(Configuration)、程序包(Package)和库(Library)5个部分。
VHDL语言的结构
VHDL语言主要组成构件有设计实体(Entity)、结构体(Architecture)、子程序(FunctionProcedure)、集合包(Package)和库(Library),前四种称为可编译的设计单元。
一个VHDL设计就是有这四种构件的组成,编译之后将它们放在制定的库中共享。
其中,实体用于描述设计的接口界面信号,它规定端口数目,端口方向和端口类型。
它与硬件电路设计中
的符号相对应。
而结构体指定设计的真实行为,性能和结构,与硬件电路设计中的原理图相对应。
子程序是可被调用的执行某一特定功能算法的集合。
集合包则是为了使常用的数据类型、常数和子程序对于其他设计块可用而集中充放的一批设计单元和约定。
4.3QUARTUSII概述
QuartusII是Altera提供的FPGA/CPLD开发集成环境,Altera是世界最大可编程逻辑器件供应商之一。
QuartusII在21世纪初推出,是Altera前一代FPGA/CPLD集成开发环境MAX+plusII的更新换代产品,其界面友好,使用便捷。
在QuartusII上可以完成设计输入、HDL综合、布线布局(适配)、仿真和下载和硬件测试等流程,它提供了一种与结构无关的设计环境,使设计者能方便地进行设计输入、快速处理和器件编程。
5简谱简介
5.1简谱中音的长短
音乐中的音符有长短之分。
这里引用一个基础的音乐术语----拍子。
拍子是表示音符长短的重要概念。
表示音乐的长短需要有一个相对固定的时间概念。
简谱里将音符分为全音符、二分音符、四分音符、十六分音符、三十二
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