FPGA零基础学习：基于FPGA的音乐蜂鸣器设计（附代码）
叁芯智能科技-郝旭帅团队打造“FPGA 设计与研发”学习系列， 可以让设计者从“小白”到“入门”再到“精通”。本系列从基础的数字电路为起点，避免学习者“腾空造楼”；中间讲解各类基础外设驱动，保证设计能力逐步加深；后期讲解 FPGA 设计理论和复杂外设、协议驱动实现，确保与现实企业研发对接。
学习过程中涉及 INTEL（原 Altera）、XILINX 等多家设计方法， 让学习者掌握主流设计工具、仿真工具等使用。
本系列将带来FPGA的系统性学习，从最基本的数字电路基础开始，最详细操作步骤，最直白的言语描述，手把手的“傻瓜式”讲解，让电子、信息、通信类专业学生、初入职场小白及打算进阶提升的职业开发者都可以有系统性学习的机会。
系统性的掌握技术开发以及相关要求，对个人就业以及职业发展都有着潜在的帮助，希望对大家有所帮助。后续会陆续更新 Xilinx 的 Vivado、ISE 及相关操作软件的开发的相关内容，学习FPGA设计方法及设计思想的同时，实操结合各类操作软件，会让你在技术学习道路上无比的顺畅，告别技术学习小BUG卡破脑壳，告别目前忽悠性的培训诱导，真正的去学习去实战应用，这种快乐试试你就会懂的。话不多说，上货。
音乐蜂鸣器设计
作者：郝旭帅 校对：陆辉
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。
图1 ：蜂鸣器实物图
蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。
- 压电式蜂鸣器 压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成，当接通电源后(1.5~15V直流工作电压)，多谐振荡器起振，输出1.5~2.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。
- 电磁式蜂鸣器 电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。
按照内部有无震荡源可以分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器。有源蜂鸣器内部带震荡源，所以只要一通电就会发出声音;而无源内部不带震荡源，所以如果用直流信号无法令其鸣叫。必须用一定频率的方波去驱动它。
首先设计分频器，设计一个1KHz的方波，驱动蜂鸣器，观测蜂鸣器是否会有声音产生。
本小节研究如何利用蜂鸣器演唱一首曲子《世上只有妈妈好》。
下图为《世上只有妈妈好》的简谱。
图2：世上只有妈妈好的简谱
简谱是一种比较简单易学的音乐记谱法。据说简谱是由法国思想家卢梭于1742年发明的。而最早把简谱引进我国的是我国近代音乐教育家沈心工。简谱应该说是一种比较简单易学的音乐记谱法。它的最大好处是仅用7个阿拉伯数字----1234567，就能将万千变化的音乐曲子记录并表示出来.
在简谱中，用以表示音的高低及相互关系的基本符号为七个阿拉伯数字，即１、２、３、４、５、６、７，唱作do、re、mi、fa、sol、la、si，称为唱名。
音符：１２３４５６７
唱名：do re mi fa sol la si
汉字：哆来米发梭拉西
显然，单用以上七个音是无法表现众多的音乐形象的。在实际作品中，还有一些更高或更低的音，如在基本音符上方加记一个"·"，表示该音升高一个八度，称为高音；加记两个" ："，则表示该音升高两个八度，称为倍高音。在基本音符下方加记一个"·"，表示该音降低一个八度，称为低音；加记两个" ："，则表示该音降低两个八度，称为倍低音。
在一般歌曲中，无论是在基本音符上方或下方加记两个以上的"·"的音符都是很少见的。
在简谱中，1、2、3、4、5、6、7这七个基本音符，不仅表示音的高低，而且还是表示时值长短的基本单位，称为四分音符，其他音符均是在四分音符的基础上，用加记短横线"-"和附点"·"表示。
在基本音符右侧加记一条短横线，表示增长一个四分音符的时值。这类加记在音符右侧、使音符时值增长的短横线，称为增时线。增时线越多，音符的时值越长。
在基本音符下方加记一条短横线，表示缩短原音符时值的一半。这类加记在音符下方、使音符时值缩短的短横线，称为减时线。减时线越多，音符的时值越短。
在简谱中，加记在单纯音符的右侧的、使音符时值增长的小圆点"·"，称为附点。加记附点的音符称为附点音符。附点本身并无一定的长短，其长短由前面的单纯音符来决定。附点的意义在于增长原音符时值的一半，常用于四分音符和小于四分音符的各种音符之后。
在《世上只有妈妈好》的简谱中，每两个竖线之间为2秒钟的时长。每两个竖线之间有4个音符时长，但是其中有较多半个音符的长，本设计采用1/4秒为基本单位。
蜂鸣器给予不同的频率是可以发出近似1、2、3、4、5、6、7这七个基本音符。
图3 ：各个音符所对应的频率
此模块命名为music_beep，clk为50MHz的时钟，rst_n为低电平有效的复位，beep为蜂鸣器的驱动信号。
图4 ：music_beep的模型
在设计时，首先将简谱中的音符存起来；利用计数器产生1/4秒为周期的脉冲，在此脉冲驱动下，将事先存好的音符一个个输出；根据音符的值，计算出分频比；根据分频比，产生对应频率的波形。将此波形输出即可。
图5 ：架构图
在进行多模块设计时，可以对每个模块只设计端口，将架构完成后。再分别设计每个模块。
《世上只有妈妈好》的简谱中共有8个四拍，每个四拍我们用8个音符来表示，合计共64个音符。在speed_ctrl中，输出的cnt为6位，正好可以表示64个状态。
在speed_ctrl中，每1/8秒让cnt增加1即可。
speed_ctrl 模块的设计代码如下：
代码语言：javascript复制module speed_ctrl (
input wire clk,
input wire rst_n,
output reg [5:0] cnt
);
parameter T_250ms = 12_500_000;
reg [25:0] count;
wire flag_250ms;
always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin
if (rst_n == 1'b0)
count <= 26'd0;
else
if (count < T_250ms - 1'b1)
count <= count 1'b1;
else
count <= 26'd0;
end
assign flag_250ms = (count == T_250ms - 1'b1) ? 1'b1 : 1'b0;
always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin
if (rst_n == 1'b0)
cnt <= 6'd0;
else
if (flag_250ms == 1'b1)
cnt <= cnt 1'b1;
else
cnt <= cnt;
end
endmodule在music_mem中存储音符，存储方式为低音用1到7表示，中音用8到14表示，高音用15到21表示，music为5bit位宽。
music_mem模块的设计代码如下：
代码语言：javascript复制module music_mem (
input wire clk,
input wire rst_n,
input wire [5:0] cnt,
output reg [4:0] music
);
// 1 2 3 4 5 6 7
// 8 9 10 11 12 13 14
// 15 16 17 18 19 20 21
always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin
if (rst_n == 1'b0)
music <= 5'd0;
else
case (cnt)
6'd0 : music <= 5'd13;
6'd1 : music <= 5'd13;
6'd2 : music <= 5'd13;
6'd3 : music <= 5'd12;
6'd4 : music <= 5'd10;
6'd5 : music <= 5'd10;
6'd6 : music <= 5'd12;
6'd7 : music <= 5'd12;
6'd8 : music <= 5'd15;
6'd9 : music <= 5'd15;
6'd10 : music <= 5'd13;
6'd11 : music <= 5'd12;
6'd12 : music <= 5'd13;
6'd13 : music <= 5'd13;
6'd14 : music <= 5'd13;
6'd15 : music <= 5'd13;
6'd16 : music <= 5'd10;
6'd17 : music <= 5'd10;
6'd18 : music <= 5'd12;
6'd19 : music <= 5'd13;
6'd20 : music <= 5'd12;
6'd21 : music <= 5'd12;
6'd22 : music <= 5'd10;
6'd23 : music <= 5'd10;
6'd24 : music <= 5'd8;
6'd25 : music <= 5'd6;
6'd26 : music <= 5'd12;
6'd27 : music <= 5'd10;
6'd28 : music <= 5'd9;
6'd29 : music <= 5'd9;
6'd30 : music <= 5'd9;
6'd31 : music <= 5'd9;
6'd32 : music <= 5'd9;
6'd33 : music <= 5'd9;
6'd34 : music <= 5'd9;
6'd35 : music <= 5'd10;
6'd36 : music <= 5'd12;
6'd37 : music <= 5'd12;
6'd38 : music <= 5'd13;
6'd39 : music <= 5'd13;
6'd40 : music <= 5'd10;
6'd41 : music <= 5'd10;
6'd42 : music <= 5'd10;
6'd43 : music <= 5'd9;
6'd44 : music <= 5'd8;
6'd45 : music <= 5'd8;
6'd46 : music <= 5'd8;
6'd47 : music <= 5'd8;
6'd48 : music <= 5'd12;
6'd49 : music <= 5'd12;
6'd50 : music <= 5'd12;
6'd51 : music <= 5'd10;
6'd52 : music <= 5'd9;
6'd53 : music <= 5'd8;
6'd54 : music <= 5'd6;
6'd55 : music <= 5'd8;
6'd56 : music <= 5'd5;
6'd57 : music <= 5'd5;
6'd58 : music <= 5'd5;
6'd59 : music <= 5'd5;
6'd60 : music <= 5'd5;
6'd61 : music <= 5'd5;
6'd62 : music <= 5'd5;
6'd63 : music <= 5'd5;
default : music <= 5'd0;
endcase
end
endmodule根据频率和音符的关系，将音符对应的频率值取出来，根据频率值算出分频比。驱动时钟为50MHz，所以分频比为50M除以频率。
cal_divmum模块的设计代码如下：
代码语言：javascript复制module cal_divnum (
input wire clk,
input wire rst_n,
input wire [4:0] music,
output reg [31:0] divnum
);
reg [31:0] freq;
always @ * begin
case (music)
5'd1 : freq = 32'd262;
5'd2 : freq = 32'd294;
5'd3 : freq = 32'd330;
5'd4 : freq = 32'd349;
5'd5 : freq = 32'd392;
5'd6 : freq = 32'd440;
5'd7 : freq = 32'd494;
5'd8 : freq = 32'd523;
5'd9 : freq = 32'd587;
5'd10 : freq = 32'd659;
5'd11 : freq = 32'd699;
5'd12 : freq = 32'd784;
5'd13 : freq = 32'd880;
5'd14 : freq = 32'd988;
5'd15 : freq = 32'd1050;
5'd16 : freq = 32'd1175;
5'd17 : freq = 32'd1319;
5'd18 : freq = 32'd1397;
5'd19 : freq = 32'd1568;
5'd20 : freq = 32'd1760;
5'd21 : freq = 32'd1976;
default : freq = 32'd1;
endcase
end
always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin
if (rst_n == 1'b0)
divnum <= 32'd50_000_000;
else
divnum <= 50_000_000/freq;
end
endmodule知道分频数后，利用任意分频的方式，产生对的波形即可。
wave_gen模块的设计代码如下：
代码语言：javascript复制module wave_gen (
input wire clk,
input wire rst_n,
input wire [31:0] divnum,
output reg beep
);
reg [31:0] cnt;
always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin
if (rst_n == 1'b0)
cnt <= 32'd0;
else
if (cnt < divnum - 1'b1)
cnt <= cnt 1'b1;
else
cnt <= 32'd0;
end
always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin
if (rst_n == 1'b0)
beep <= 1'b0;
else
if (cnt < divnum[31:1])
beep <= 1'b0;
else
beep <= 1'b1;
end
endmodule设计好上述四个模块后，将它们之前设计架构的连接方式，连接起来。
music_beep顶层模块的设计代码如下：
代码语言：javascript复制module music_beep (
input wire clk,
input wire rst_n,
output wire beep
);
wire [5:0] cnt;
wire [4:0] music;
wire [31:0] divnum;
speed_ctrl speed_ctrl_inst(
.clk (clk),
.rst_n (rst_n),
.cnt (cnt)
);
music_mem music_mem_inst(
.clk (clk),
.rst_n (rst_n),
.cnt (cnt),
.music (music)
);
cal_divnum cal_divnum_inst(
.clk (clk),
.rst_n (rst_n),
.music (music),
.divnum (divnum)
);
wave_gen wave_gen_inst(
.clk (clk),
.rst_n (rst_n),
.divnum (divnum),
.beep (beep)
);
endmoduleRTL视图如下，和所设计架构相同。
图11 ：RTL视图
在testbench中，将speed_ctrl_inst模块中的T_250ms改成10。
defparam可以重新定义参数。
testbench代码如下：
代码语言：javascript复制`timescale 1ns/1ps
module music_beep_tb;
reg clk;
reg rst_n;
wire beep;
defparam music_beep_inst.speed_ctrl_inst.T_250ms = 10;
music_beep music_beep_inst(
.clk (clk),
.rst_n (rst_n),
.beep (beep)
);
initial clk = 1'b0;
always # 10 clk = ~clk;
initial begin
rst_n = 1'b0;
# 200
@ (posedge clk);
# 2;
rst_n = 1'b1;
# 20000;
$stop;
end
endmodule由于输出的频率都较低，所以仿真时间都很长。
将参数改小，也只是加快切换输出音符的频率。由于wave_gen模块和分频模块相同，故而不在验证。只看RTL视图中，分频数是不是正确即可。
图13 ：RTL视图
在RTL视图中，也看到cnt每10个周期增长1，然后对应输出音符。音符得出频率，根据频率得出分频数。经过验证，数据都是正确的。
分配管脚，全编译形成下载文件，下板后就可以听到《世上只有妈妈好》的歌曲了。
通过更改speed_crtl中的控制音符前进的速度，可以控制播放的速度。如果将速度控制到1/2秒的话，那么听到的歌曲将会变慢。如果将速度控制到1/8秒的话，那么听到的歌曲将会变快。
