Thiết kế midi player theo phương pháp tra bảng cài đặt FPGA

Luận văn Thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Đề tài: Thiết kế MIDI Player theo phương pháp tra bảng – cài đặt FPGA Đại học Quốc Gia Thành phố Hồ Chí Minh Trường Đại học Bách khoa LA HOÀNG DŨNG THIẾT KẾ MIDI PLAYER THEO PHƯƠNG PHÁP TRA BẢNG - CÀI ĐẶT FPGA CBHD1 CBHD2 Chuyên ngành Khoá : ThS Hồ Trung Mỹ : TS Nguyễn Như Anh : Kỹ thuật Điện tử : K2006 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2008 GVHD1: ThS Hồ Trung Mỹ GVHD2: TS Nguyễn Như Anh HVTH: La Hoàng Dũng Luận văn Thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Đề tài: Thiết kế MIDI Player theo phương pháp tra bảng – cài đặt FPGA CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm GVHD1: ThS Hồ Trung Mỹ GVHD2: TS Nguyễn Như Anh HVTH: La Hoàng Dũng Luận văn Thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Đề tài: Thiết kế MIDI Player theo phương pháp tra bảng – cài đặt FPGA LỜI CẢM ƠN Em xin bày tỏ lòng biết ơn đến cô Nguyễn Như Anh thầy Hồ Trung Mỹ cương vị người hướng dẫn đề tài tận tình giúp đỡ suốt trình thực luận văn Em xin bày tỏ lịng biết ơn đến thầy trường Đại học Bách khoa TPHCM tận tình dạy dỗ truyền thụ kinh nghiệm quý báu suốt thời gian qua Cuối xin chân thành cảm ơn đóng góp ý kiến cuả tất bạn học viên suốt trình thực luận văn Học viên thực La Hoàng Dũng GVHD1: ThS Hồ Trung Mỹ GVHD2: TS Nguyễn Như Anh HVTH: La Hoàng Dũng Luận văn Thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Đề tài: Thiết kế MIDI Player theo phương pháp tra bảng – cài đặt FPGA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC - -oOo Tp HCM, ngày tháng năm NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Giới tính : Nam LA HOÀNG DŨNG Ngày, tháng, năm sinh : 08/08/1983 Nơi sinh : TPHCM Chuyên ngành : KĨ THUẬT ĐIỆN TỬ MSHV : 01406296 Khoá (Năm trúng tuyển) : K2006 1- TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MIDI PLAYER THEO PHƯƠNG PHÁP TRA BẢNG – CÀI ĐẶT FPGA 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN : 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS Nguyễn Như Anh ThS Hồ Trung Mỹ Nội dung đề cương Luận văn thạc sĩ Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN (Họ tên chữ ký) QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) GVHD1: ThS Hồ Trung Mỹ GVHD2: TS Nguyễn Như Anh HVTH: La Hoàng Dũng Luận văn Thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Đề tài: Thiết kế MIDI Player theo phương pháp tra bảng – cài đặt FPGA LỜI NÓI ĐẦU MIDI (Musical Instrument Digital Interface) – dạng chuẩn âm phổ biến Những dàn máy karaoke vi tính hay điện thoại đời đọc Ngồi chuẩn MIDI cịn có nhiều chuẩn âm khác WAV, MP3, WMA … Những chuẩn chiếm dung lượng nhớ lớn lưu trữ mẫu âm Tuy nhiên, MIDI hồn tồn khác Nó lưu trữ lệnh dùng để điều khiển thiết bị khác phát âm Do đó, dung lượng hát với định dạng MIDI thường không lớn (vài chục KB) so với chuẩn thông thường (vài MB) Tuy nhiên chất lượng hát MIDI lại đáng quan tâm Chất lượng hay hay không phụ thuộc vào tổng hợp MIDI Bộ MIDI Player có khả nhận thông điệp MIDI tổng hợp lại thành âm analog Có nhiều phương pháp tổng hợp MIDI như: Phương pháp cộng (Additive Synthesis), phương pháp kết hợp (Granular Synthesis), phương pháp phân tích phổ (Spectral Modeling Synthesis) Tuy nhiên, công nghệ tổng hợp phổ biến hãng nhạc cụ lừng danh Yamaha Roland phát triển Hãng Yamaha dùng kĩ thuật điều tần (Frequency Modulation – FM) Phần lớn MIDI-built-in sound card hiệu Sound Blaster, Sound Power, Audiowave … sử dụng chip FM Yamaha Công nghệ hãng Roland dựa âm dạng sóng lấy mẫu (Sampled Waveform hay gọi Wavetable) Phương pháp đơn giản, người ta lấy mẫu âm chuẩn, số hoá lưu trữ bảng gọi Wavetable, sau phát lại mẫu để tạo âm mong muốn nhờ trình biến đổi DAC Tuy nhiên, để đạt chất lượng âm hay cần nhiều nhớ để lưu trữ mẫu Nhưng điều không vấn đề lớn nhớ thiết bị lưu trữ cải tiến đáng kể, giá thành lại thấp GVHD1: ThS Hồ Trung Mỹ GVHD2: TS Nguyễn Như Anh HVTH: La Hoàng Dũng Luận văn Thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Đề tài: Thiết kế MIDI Player theo phương pháp tra bảng – cài đặt FPGA ABSTRACT MIDI (Musical Instrument Digital Interface) – a kind of very popular sound format nowadays Many Karaoke systems or new mobile phones also can play it easily Beside MIDI, there are a lot of other sound formats like WAV, MP3, WMA … but these formats have a little bit disadvantage that they occupy lot of capacities for each song MIDI, however, it’s quite different MIDI just stores commands to control devices to sound., that is called MIDI Player Therefore, the capacity of a MIDI song is just about a few of KBs compare to few of MBs of other formats However, the quality of sound MIDI is the thing that should be considered the most The quality’s good or bad quite depends on the MIDI Player MIDI Player can receive MIDI message then make analog sound There are many methods such as Additive Synthesis, Granular Synthesis, Spectral Modeling Synthesis… The most popular two approaches used by Yamaha and Roland are FM (Frequency Modulation) and Wavetable at present Most of MIDI-built-in sound card such as Sound Blaster, Sound Power, Audiowave… are used FM chip of Yamaha The Roland technology is based on sampled waveforms (also called Wavetable Synthesis) This method is quite simple Firstly, the standard waveform is sampled, digitalized and then stored into a table called Wavetable The samples, finally, can be reused to sound based on DAC process The better quality of sound is, the more memory capacites are needed to store But, it’s not a big deal due to low price memory chip today GVHD1: ThS Hồ Trung Mỹ GVHD2: TS Nguyễn Như Anh HVTH: La Hoàng Dũng Luận văn Thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Đề tài: Thiết kế MIDI Player theo phương pháp tra bảng – cài đặt FPGA MỤC LỤC PHẦN I 13 CƠ SỞ LÝ THUYẾT .13 Giới thiệu 14 So sánh phương pháp Wavetable phương pháp khác .14 Phạm vi nghiên cứu 15 3.1 Tìm hiểu cấu trúc tập tin MIDI thông điệp MIDI 15 3.2 Tìm hiểu phương pháp tra bảng cách ứng dụng thực tế cho KIT Spartan 3E 15 3.3 Thiết kế tổng hợp MIDI dùng phương pháp tra bảng (cài đặt KIT Spartan3E) 15 Sơ lược lý thuyết cấu trúc thông điệp MIDI tập tin MIDI .15 4.1 Cấu trúc thông điệp MIDI .15 4.2 Tập tin MIDI 17 Tổ chức lấy mẫu lưu trữ ROM .22 Sơ lược Card MMC/SDC 24 6.1 Sơ đồ chân Card .25 6.2 Chế độ hoạt động Card 26 6.3 Tập lệnh (Command set) 26 6.4 Đáp ứng (Response) 27 6.5 Quá trình khởi động Card chế độ SPI 28 6.5.1 Power On (Insertion) .28 6.5.2 Software Reset 28 6.5.3 Initialization 28 6.6 Đọc khối liệu (Single Block Read) 29 6.7 Đọc nhiều khối liệu (Multiple Block Read) 30 6.8 Ghi khối liệu vào Card 30 6.9 Ghi nhiều khối liệu 31 Sơ lược cấu trúc FAT .31 7.1 Giới thiệu FAT .31 7.2 Giới thiệu Sector 32 7.3 Giới thiệu Cluster 32 GVHD1: ThS Hồ Trung Mỹ GVHD2: TS Nguyễn Như Anh HVTH: La Hoàng Dũng Luận văn Thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Đề tài: Thiết kế MIDI Player theo phương pháp tra bảng – cài đặt FPGA 7.4 Bắt đầu hệ thống FAT32 32 7.5 Bảng FAT32 37 Giới thiệu phần mềm chơi nhạc tạo file MIDI 38 Các phần mềm có sẵn tự thiết kế: 39 9.1 Các phần mềm có sẵn: 39 9.2 Phần mềm tự thiết kế: 40 10 Sơ lược tính KIT Spartan 3E 41 PHẦN II 43 THIẾT KẾ VÀ CÀI ĐẶT .43 Giải pháp thực 44 1.1 Sơ đồ tổng quát 44 1.2 Sơ đồ thiết kế khối 44 1.3 Tính khối 45 1.3.1 Com port .45 1.3.2 Uart 45 1.3.3 MMC Card .46 1.3.4 LCD Interface .47 1.3.5 LCD ST7066U 47 1.3.6 Block RAM 48 1.3.7 WRITEREADRAM 49 1.3.8 RAM Interface 51 1.3.9 ROM Interface 52 1.3.10 ROM Block .54 1.3.11 Sound Gen 55 1.3.12 DAC 55 1.3.13 Amplifier .57 1.4 Trình tự bước lấy mẫu Note nhạc lưu vào ROM .58 1.4.1 Chơi Note nhạc lưu thành file MIDI: 58 1.4.2 Chuyển định dạng file MIDI thành WAV: 58 1.4.3 Tối thiểu dung lượng Note: .59 1.4.4 Tách chu kì Note nhạc: 60 1.4.5 Xử lí mẫu: 61 1.4.6 Lưu giá trị Hex vào file CGF: 64 1.4.7 Tạo file COE: 65 GVHD1: ThS Hồ Trung Mỹ GVHD2: TS Nguyễn Như Anh HVTH: La Hoàng Dũng Luận văn Thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Đề tài: Thiết kế MIDI Player theo phương pháp tra bảng – cài đặt FPGA 1.4.8 Dùng Memory Editor: 65 1.4.9 Tạo ROM: .66 Kết mô số khối 67 2.1 Khối UART 67 2.2 Khối RAMINTERFACE 67 2.3 Khối DAC .67 2.4 Khối Clock Divider 68 Kết đạt 68 Tài nguyên sử dụng 69 Ưu điểm, khuyết điểm hướng phát triển đề tài 70 5.1 Ưu điểm 70 5.2 Khuyết điểm 70 5.3 Hướng phát triển đề tài 70 PHỤ LỤC .71 TÀI LIỆU THAM KHẢO 90 GVHD1: ThS Hồ Trung Mỹ GVHD2: TS Nguyễn Như Anh HVTH: La Hoàng Dũng Luận văn Thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Đề tài: Thiết kế MIDI Player theo phương pháp tra bảng – cài đặt FPGA DANH MỤC HÌNH VẼ Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình 10 Hình 11 Hình 12 Hình 13 Hình 14 Hình 15 Hình 16 Hình 17 Hình 18 Hình 19 Hình 20 Hình 21 Hình 22 Hình 23 Hình 24 Hình 25 Hình 26 Hình 27 Hình 28 Hình 29 Hình 30 Hình 31 Hình 32 Cấu trúc âm 22 Bảng thể cao độ note nhạc 22 SDC MMC thực tế .25 Sơ đồ chân MMC SDC 25 Khung lệnh byte truyền đến Card 26 Tập lệnh giao tiếp với Card .27 Đáp ứng R1 R3 Card đa số trường hợp .28 Cấu trúc gói liệu, đáp ứng lỗi 29 Cấu trúc đọc khối liệu 30 Cấu trúc việc nhận nhiều khối liệu liên tiếp 30 Cấu trúc ghi khối liệu 31 Cấu trúc ghi nhiều khối liệu liên tiếp vào Card 31 Vùng MBR khởi động hệ thống ổ đĩa .32 Cấu trúc Partition 16 byte 33 Cấu trúc phần Volume ID 33 Bảng Offset vùng Volume ID 34 Sự xếp vùng hệ thống FAT32 34 Cấu trúc thư mục 32 bytes, định dạng tên ngắn 36 Bảng vị trí Offset thư mục 32 bytes 36 Bảng thuộc tính tập tin 37 Bảng FAT32 cho tập tin dung lượng nhỏ thư mục gốc 38 Giao diện phần mềm Keyboard Music .39 Giao diện chương trình Send MIDI to COM .40 Minh họa KIT Spartan 3E Xilinx thực tế 41 Sơ đồ tổng quát hệ thống 44 Sơ đồ khối MIDI Player dùng phương pháp tra bảng .44 Lưu đồ giải thuật khối UART 45 Hình minh họa mặt sau trước Card MMC .46 Sơ đồ chân MMC Card 46 Sơ đồ chân FPGA giao tiếp với thiết bị dùng chuẩn giao tiếp SPI 47 Tạo Single Block RAM dùng CORE GEN 48 Bảng Block RAM Series Spartan 48 GVHD1: ThS Hồ Trung Mỹ GVHD2: TS Nguyễn Như Anh 10 HVTH: La Hoàng Dũng Luận văn Thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Đề tài: Thiết kế MIDI Player theo phương pháp tra bảng – cài đặt FPGA dem