蜂鳴器音樂程序與最簡單蜂鳴器電路圖之FPGA學習課程

蜂鳴器是一種一體化結構的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應用于計算機、打印機、復印機、報警器、電子玩具、汽車電子設備、電話機、定時器等電子產品中作發聲器件。在一般設計中，可利用蜂鳴器檢測有些按鍵是否按下，或者有些功能是否正常等，當然如果足夠浪漫，也可以讓蜂鳴器演奏音樂。
?

? ? ? 簡單蜂鳴器電路圖

本設計使用的是無源蜂鳴器，也可稱為聲響器，原理電路圖如下所示。它沒有內部驅動電路，無源蜂鳴器工作的理想信號為方波，如果給直流，蜂鳴器是不響應的，因為磁路恒定，鉬片不能震動發音。

根據電路圖可知，由于FPGA的驅動能力不夠，這里增加了一個三極管來驅動這個無源蜂鳴器。在驅動時，只需要向蜂鳴器發送一定頻率的方波，就可以使蜂鳴器發聲。那么應該發送怎樣的頻率呢？具體則可參考下表（音節頻率表）：

樂曲能連續演奏所需要的兩個基本數據是：組成樂曲的每個音符的頻率值（音調）和每個音符持續的時間（音長）。因此只要控制FPGA輸出到蜂鳴器的激勵信號頻率的高低和持續時間，就可以使蜂鳴器發出連續的樂曲聲。

蜂鳴器音樂程序

在本設計中，由于至芯開發板的晶振為50MHz，所以我們需要一個一個分頻模塊（PLL）產生一個較低的基準頻率（1MHz）。還需要一個空間儲存樂譜，由于樂譜是固定的不需要更改，所以我們選擇ROM IP 核進行存儲。

基準頻率1MHz可分頻得到所有不同頻率的信號。最大的分頻比為1_000_000/262/2。既然是音樂，那么就需要節拍，一般采用4拍，即音長為0.25s，所以還需設計一個模塊，控制每0.25s，ROM地址加1,。如果需要發送一個低音1并維持1秒，則只需要在ROM的連續四個地址中寫入低音1的對應信息即可。

在設計中為了方便在ROM中儲存數據，這里數據格式為8’hAB，其中A暫時為三個值1、2、4，分別表示低音、中音、高音。B暫時為七個值1、2、3、4、5、6、7。比如要產生一個低音1，只需在ROM中存儲8’h11，如要產生一個高音7，只需在ROM中存儲8’h47，以此類推即可。這時，就需要一個解碼模塊，將ROM中的數據還原成音樂發生器所需要的數據。

設計架構圖:?

根據上述的分析，得到如下的架構圖：

本設計包括6個模塊，PLL模塊把50MHz的時鐘信號降到1MHz，rom模塊存儲音樂數據，time_counter是一個計數模塊，產生節拍，每到0.25s，輸出的time_finsh變為一個周期的高電平。并發送給addr_gen模塊，產生addr，讓rom輸出下一個地址的數據。rom輸出的數據rom_data輸入到decode解碼模塊，將解碼后的數據music_data輸入到music_gen模塊，通過計數器，如果計數器小于music_data的值，則beep保持不變，否則，beep取反，并且計數器清1，從而產生特定的方波頻率。

設計代碼:?

time_counter模塊代碼如下：

0???module?time_counter(clk,?rst_n,?time_finsh);

1???????????????????????????????

2???????input?clk,?rst_n;???????//輸入1Mhz時鐘信號，復位信號

3???????output?time_finsh;??//輸出時間計數標志位（沒0.25s變高電平一次）

4???????

5???????reg?[17:0]count;????????//計數器count

6???????

7???????always@(posedge?clkor?negedge?rst_n)

8???????begin

9???????????if(!rst_n)

10??????????????count ??<=??18'd0;??//計數器復位

11??????????else????if(time_finsh)

12??????????????count ??<=??18'd0;??//每到0.25s計數器歸零

13??????????else

14??????????????count ??<=??count ??+???1'd1;???//未到0.25s，計數器繼續累加

15??????end

16??????/*****每到0.25s，time_finsh拉高，表示已經達到0.25s*****/

17??????assign?time_finsh ??=???(count==?18'd249_999)??1'd1????:???1'd0;

18??????/*****用于仿真，因為真正的0.25是會仿真很長*****/

19??????//assign time_finsh = ??(count == 22'd25_00)? 1'd1 ?: ??1'd0; ??

20

21??endmodule

addr_gen模塊代碼如下：

0???module?addr_gen(clk,?rst_n,?addr,?time_finsh);

1???????????????????????????

2???????input?clk,?rst_n;???//輸入1Mhz時鐘信號，復位信號

3???????input?time_finsh;???//輸入時間計數標記位（每0.25s變高電平一次）

4???????output?reg?[6:0]addr;?//輸出給ROM的地址信號

5???????

6???????always@(posedge?clkor?negedge?rst_n)

7???????begin

8???????????if(!rst_n)

9???????????????addr ???<=??7'd0;???//輸出給ROM的地址信號復位

10??????????else????if(time_finsh)?//輸出給ROM的地址信號自加1（每0.25s自加1）

11??????????????addr ???<=??addr ???+???1'd1;???

12??????????else

13??????????????addr ???<=??addr;???????//未夠0.25s,ROM的地址信號不變

14??????end

15??????

16??endmodule

decode解碼模塊代碼如下：

0???module?decode(clk,?rst_n,?rom_data,?music_data);

1???????????????????????

2???????input?clk,?rst_n;???????//輸入1Mhz時鐘信號，復位信號

3???????input?[7:0]rom_data;????//輸入的ROM的數據

4???????output?reg?[10:0]music_data;????//輸出ROM的解碼數據

5???????

6???????always@(posedge?clkor?negedge?rst_n)

7???????begin

8???????????if(!rst_n)

9???????????????music_data ?<=??11'd0;??????//輸出ROM的解碼數據復位

10??????????else????

11??????????case?(rom_data)

12??????????????8'h11???:???music_data ?<=??11'd1911;???//(1Mhz/261.63Hz)/2)=1191 ??低音1

13??????????????8'h12???:???music_data ?<=??11'd1702;???//(1Mhz/293.67Hz)/2)=1702 ??低音2

14??????????????8'h13???:???music_data ?<=??11'd1517;???//(1Mhz/329.63Hz)/2)=1517 ??低音3

15??????????????8'h14???:???music_data ?<=??11'd1431;???//(1Mhz/349.23Hz)/2)=1431 ??低音4

16??????????????8'h15???:???music_data ?<=??11'd1276;???//(1Mhz/391.99Hz)/2)=1276 ??低音5

17??????????????8'h16???:???music_data ?<=??11'd1136;???//(1Mhz/440.00Hz)/2)=1136 ??低音6

18??????????????8'h17???:???music_data ?<=??11'd1012;???//(1Mhz/493.88Hz)/2)=1012 ??低音7

19??????????????

20??????????????8'h21???:???music_data ?<=??11'd939;????//(1Mhz/532.25Hz)/2)=939 ???中音1

21??????????????8'h22???:???music_data ?<=??11'd851;????//(1Mhz/587.33Hz)/2)=851 ???中音2

22??????????????8'h23???:???music_data ?<=??11'd758;????//(1Mhz/659.25Hz)/2)=758 ???中音3

23??????????????8'h24???:???music_data ?<=??11'd716;????//(1Mhz/698.46Hz)/2)=716 ???中音4

24??????????????8'h25???:???music_data ?<=??11'd638;????//(1Mhz/783.99Hz)/2)=638 ???中音5

25??????????????8'h26???:???music_data ?<=??11'd568;????//(1Mhz/880.00Hz)/2)=568 ???中音6

26??????????????8'h27???:???music_data ?<=??11'd506;????//(1Mhz/987.76Hz)/2)=506 ???中音7

27??????????????

28??????????????8'h41???:???music_data ?<=??11'd478;????//(1Mhz/1046.50Hz)/2)=478 ??高音1

29??????????????8'h42???:???music_data ?<=??11'd425;????//(1Mhz/1174.66Hz)/2)=425 ??高音2

30??????????????8'h43???:???music_data ?<=??11'd379;????//(1Mhz/1318.51Hz)/2)=379 ??高音3

31??????????????8'h44???:???music_data ?<=??11'd358;????//(1Mhz/1396.51Hz)/2)=358 ??高音4

32??????????????8'h45???:???music_data ?<=??11'd319;????//(1Mhz/1567.98Hz)/2)=319 ??高音5

33??????????????8'h46???:???music_data ?<=??11'd284;????//(1Mhz/1760.00Hz)/2)=284 ??高音6

34??????????????8'h47???:???music_data ?<=??11'd253;????//(1Mhz/1975.52Hz)/2)=253 ??高音7

35??????????????

36??????????????8'h00???:???music_data ?<=??11'd0;??????//0HZ，停止節拍

37??????????endcase

38??????end?????

39??????

40??endmodule???????????????

music_gen模塊代碼如下：

0???module?music_gen ???(clk,?rst_n,?music_data,?beep);

1???????????????????????????????

2???????input?clk,?rst_n;???????????//輸入1Mhz時鐘信號，復位信號

3???????input?[10:0]music_data;?//輸入音樂頻率控制字

4???????output?reg?beep;????????????//輸出方波

5???????

6???????reg?[10:0]data,?count;??//寄存音樂控制字的data，計數器count

7???????

8???????always@(posedge?clkor?negedge?rst_n)

9???????begin

10??????????if(!rst_n)

11??????????????data ???<=??11'd0;??????????//寄存器data復位

12??????????else

13??????????????data ???<=??music_data;?????//data寄存音樂控制字

14??????end

15??????????

16??????always@(posedge?clkor?negedge?rst_n)

17??????begin

18??????????if(!rst_n)

19??????????????begin

20??????????????????count ??<=??11'd1;??????//計數器復位

21??????????????????beep ???<=??1'd0;???????//輸出方波復位

22??????????????end

23??????????else????if(data==?11'd0)???//當data==11‘d0，（停止節拍）

24??????????????begin

25??????????????????count ??<=??11'd1;???//計數器歸一

26??????????????????beep ???<=??1'd0;?????//輸出方波歸零

27??????????????end

28??????????else????if(count ???<=??data)???//當計數器小于等于data的值

29??????????????count ??<=??count ??+???1'd1;//計數器繼續累加

30??????????else

31??????????????begin

32??????????????????count ??<=??11'd1;??//當計數器大于data的值，計數器歸一

33??????????????????beep ???<=??~beep;??//輸出方波取反

34??????????????end

35??????end

36

37??endmodule

beep頂層模塊代碼如下：

0???module?beep(clk,?rst_n,?beep);

1???????????????????

2???????input?clk,?rst_n;???????????//輸入50Mhz時鐘信號,復位信號

3???????output?beep;????????????//輸出的方波

4???????

5???????wire?clk_1M,?time_finsh;????//1Mhz時鐘信號線，0.25s時間計數標記位

6???????wire?[6:0]addr;?????????????//rom地址線

7???????wire?[7:0]rom_data;?????????//rom數據線

8???????wire?[10:0]music_data;??????//rom數據解碼數據線

9???????

10??????/*****PLL模塊*****/

11??????my_pll my_pll_inst(?????????????

12??????????.areset(~rst_n),

13??????????.inclk0(clk),

14??????????.c0(clk_1M)

15??????);

16??????

17??????/*****0.25s時間計數器模塊*****/

18??????time_counter time_counter_inst(

19??????????.clk(clk_1M),

20??????????.rst_n(rst_n),

21??????????.time_finsh(time_finsh)

22??????);??

23??????????

24??????/*****ROM地址發生器*****/

25??????addr_gen addr_gen_inst(?????????

26??????????.clk(clk_1M),

27??????????.rst_n(rst_n),

28??????????.addr(addr),

29??????????.time_finsh(time_finsh)

30??????);??

31??????

32??????/*****ROM模塊*****/

33??????my_rom my_rom_inst(?????????????

34??????????.address(addr),

35??????????.clock(clk_1M),

36??????????.q(rom_data)

37??????);

38??????

39??????/*****解碼模塊*****/

40??????decode decode_inst(?????????????

41??????????.clk(clk_1M),

42??????????.rst_n(rst_n),??

43??????????.rom_data(rom_data),

44??????????.music_data(music_data)

45??????);??????????????????

46??????

47??????/*****音樂發生器模塊*****/

48??????music_gen music_gen_inst(???????

49??????????.clk(clk_1M),

50??????????.rst_n(rst_n),

51??????????.music_data(music_data),

52??????????.beep(beep)

53??????);??????????????????

54??????????

55??endmodule

beep_tp頂層測試模塊代碼如下：

0???`timescale?1ns/1ps??

1???????????????????

2???module?beep_tb;

3?

4???????reg?clk,?rst_n;?????????????????????

5???????wire?beep;??????????????????????

6?

7???????initial?begin

8???????????clk=?1;????????????????????????

9???????????rst_n=?0;??????????????????????

10??????????#200.1?rst_n=1;

11

12??????????//#100000000 $stop;

13??????end

14

15??????beep beep_dut(

16??????????.clk(clk),

17??????????.rst_n(rst_n),

18??????????.beep(beep)

19??????);

20??????

21??????always?#10?clk=?~clk;

22

23??endmodule???????

仿真圖:?

仿真結果如下：

由仿真圖可知：當rom輸出rom_data為8’h16時，代表輸出低音6，解碼后結果music_data為1136，輸出的beep頻率為440Hz，與實際低音6的音節頻率表的值一致；當rom輸出rom_data為8’h22時，代表輸出中音2，解碼后結果music_data為851，輸出的beep頻率為563Hz，與實際中音2的音節頻率表的值相差24Hz，存在一定的誤差，但是不影響樂曲的播放。如果想提高beep頻率的精度，減小誤差，則可以將1MHz的基準頻率提高。