FPGA学习系列：23. 音乐蜂鸣器的设计

设计背景：

蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。在一般设计中，可利用蜂鸣器检测有些按键是否按下，或者有些功能是否正常等，当然如果足够浪漫，也可以让蜂鸣器演奏音乐。

设计原理:

本设计使用的是无源蜂鸣器，也可称为声响器，原理电路图如下所示。它没有内部驱动电路，无源蜂鸣器工作的理想信号为方波，如果给直流，蜂鸣器是不响应的，因为磁路恒定，钼片不能震动发音。

根据电路图可知，由于FPGA的驱动能力不够，这里增加了一个三极管来驱动这个无源蜂鸣器。在驱动时，只需要向蜂鸣器发送一定频率的方波，就可以使蜂鸣器发声。那么应该发送怎样的频率呢？具体则可参考下表（音节频率表）：

乐曲能连续演奏所需要的两个基本数据是：组成乐曲的每个音符的频率值（音调）和每个音符持续的时间（音长）。因此只要控制FPGA输出到蜂鸣器的激励信号频率的高低和持续时间，就可以使蜂鸣器发出连续的乐曲声。

在本设计中，由于至芯开发板的晶振为50MHz，所以我们需要一个一个分频模块（PLL）产生一个较低的基准频率（1MHz）。还需要一个空间储存乐谱，由于乐谱是固定的不需要更改，所以我们选择ROM IP 核进行存储。

基准频率1MHz可分频得到所有不同频率的信号。最大的分频比为1_000_000/262/2。既然是音乐，那么就需要节拍，一般采用4拍，即音长为0.25s，所以还需设计一个模块，控制每0.25s，ROM地址加1,。如果需要发送一个低音1并维持1秒，则只需要在ROM的连续四个地址中写入低音1的对应信息即可。

在设计中为了方便在ROM中储存数据，这里数据格式为8’hAB，其中A暂时为三个值1、2、4，分别表示低音、中音、高音。B暂时为七个值1、2、3、4、5、6、7。比如要产生一个低音1，只需在ROM中存储8’h11，如要产生一个高音7，只需在ROM中存储8’h47，以此类推即可。这时，就需要一个解码模块，将ROM中的数据还原成音乐发生器所需要的数据。

设计架构图:

根据上述的分析，得到如下的架构图：

本设计包括6个模块，PLL模块把50MHz的时钟信号降到1MHz，rom模块存储音乐数据，time_counter是一个计数模块，产生节拍，每到0.25s，输出的time_finsh变为一个周期的高电平。并发送给addr_gen模块，产生addr，让rom输出下一个地址的数据。rom输出的数据rom_data输入到decode解码模块，将解码后的数据music_data输入到music_gen模块，通过计数器，如果计数器小于music_data的值，则beep保持不变，否则，beep取反，并且计数器清1，从而产生特定的方波频率。

设计代码:

time_counter模块代码如下：

0moduletime_counter (clk,rst_n,time_finsh);

1

2inputclk,rst_n;//输入1Mhz时钟信号，复位信号

3outputtime_finsh;//输出时间计数标志位（没0.25s变高电平一次）

4

5reg[17:0]count;//计数器count

6

7always@(posedgeclk ornegedgerst_n)

8begin

9if(!rst_n)

10count <=18'd0;//计数器复位

11elseif(time_finsh)

12count <=18'd0;//每到0.25s计数器归零

13else

14count <=count +1'd1;//未到0.25s，计数器继续累加

15end

16/*****每到0.25s，time_finsh拉高，表示已经达到0.25s*****/

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

18/*****用于仿真，因为真正的0.25是会仿真很长*****/

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

20

21endmodule

addr_gen模块代码如下：

0moduleaddr_gen (clk,rst_n,addr,time_finsh);

1

2inputclk,rst_n;//输入1Mhz时钟信号，复位信号

3inputtime_finsh;//输入时间计数标记位（每0.25s变高电平一次）

4outputreg[6:0]addr;//输出给ROM的地址信号

5

6always@(posedgeclk ornegedgerst_n)

7begin

8if(!rst_n)

9addr <=7'd0;//输出给ROM的地址信号复位

10elseif(time_finsh)//输出给ROM的地址信号自加1（每0.25s自加1）

11addr <=addr +1'd1;

12else

13addr <=addr;//未够0.25s,ROM的地址信号不变

14end

15

16endmodule

decode解码模块代码如下：

0moduledecode (clk,rst_n,rom_data,music_data);

1

2inputclk,rst_n;//输入1Mhz时钟信号，复位信号

3input[7:0]rom_data;//输入的ROM的数据

4outputreg[10:0]music_data;//输出ROM的解码数据

5

6always@(posedgeclk ornegedgerst_n)

7begin

8if(!rst_n)

9music_data <=11'd0;//输出ROM的解码数据复位

10else

11case(rom_data)

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

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

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

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

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

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

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

19

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

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

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

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

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

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

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

27

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

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

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

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

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

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

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

35

368'h00:music_data <=11'd0;//0HZ，停止节拍

37endcase

38end

39

40endmodule

music_gen模块代码如下：

0modulemusic_gen (clk,rst_n,music_data,beep);

1

2inputclk,rst_n;//输入1Mhz时钟信号，复位信号

3input[10:0]music_data;//输入音乐频率控制字

4outputregbeep;//输出方波

5

6reg[10:0]data,count;//寄存音乐控制字的data，计数器count

7

8always@(posedgeclk ornegedgerst_n)

9begin

10if(!rst_n)

11data <=11'd0;//寄存器data复位

12else

13data <=music_data;//data寄存音乐控制字

14end

15

16always@(posedgeclk ornegedgerst_n)

17begin

18if(!rst_n)

19begin

20count <=11'd1;//计数器复位

21beep <=1'd0;//输出方波复位

22end

23elseif(data ==11'd0)//当data==11‘d0，（停止节拍）

24begin

25count <=11'd1;//计数器归一

26beep <=1'd0;//输出方波归零

27end

28elseif(count <=data)//当计数器小于等于data的值

29count <=count +1'd1;//计数器继续累加

30else

31begin

32count <=11'd1;//当计数器大于data的值，计数器归一

33beep <=~beep;//输出方波取反

34end

35end

36

37endmodule

beep顶层模块代码如下：

0modulebeep (clk,rst_n,beep);

1

2inputclk,rst_n;//输入50Mhz时钟信号,复位信号

3outputbeep;//输出的方波

4

5wireclk_1M,time_finsh;//1Mhz时钟信号线，0.25s时间计数标记位

6wire[6:0]addr;//rom地址线

7wire[7:0]rom_data;//rom数据线

8wire[10:0]music_data;//rom数据解码数据线

9

10/*****PLL模块*****/

11my_pll my_pll_inst(

12.areset(~rst_n),

13.inclk0(clk),

14.c0(clk_1M)

15);

16

17/*****0.25s时间计数器模块*****/

18time_counter time_counter_inst(

19.clk(clk_1M),

20.rst_n(rst_n),

21.time_finsh(time_finsh)

22);

23

24/*****ROM地址发生器*****/

25addr_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模块*****/

33my_rom my_rom_inst(

34.address(addr),

35.clock(clk_1M),

36.q(rom_data)

37);

38

39/*****解码模块*****/

40decode decode_inst(

41.clk(clk_1M),

42.rst_n(rst_n),

43.rom_data(rom_data),

44.music_data(music_data)

45);

46

47/*****音乐发生器模块*****/

48music_gen music_gen_inst(

49.clk(clk_1M),

50.rst_n(rst_n),

51.music_data(music_data),

52.beep(beep)

53);

54

55endmodule

beep_tp顶层测试模块代码如下：

0`timescale1ns/1ps

1

2modulebeep_tb;

3

4regclk,rst_n;

5wirebeep;

6

7initialbegin

8clk =1;

9rst_n =0;

10#200.1rst_n=1;

11

12//#100000000 $stop;

13end

14

15beep beep_dut(

16.clk(clk),

17.rst_n(rst_n),

18.beep(beep)

19);

20

21always#10clk =~clk;

22

23endmodule

仿真图:

仿真结果如下：

由仿真图可知：当rom输出rom_data为8’h16时，代表输出低音6，解码后结果music_data为1136，输出的beep频率为440Hz，与实际低音6的音节频率表的值一致；当rom输出rom_data为8’h22时，代表输出中音2，解码后结果music_data为851，输出的beep频率为563Hz，与实际中音2的音节频率表的值相差24Hz，存在一定的误差，但是不影响乐曲的播放。如果想提高beep频率的精度，减小误差，则可以将1MHz的基准频率提高。