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FPGA学习——蜂鸣器实现音乐播放器并播放两只老虎
文章目录
- 一、蜂鸣器简介
- 1.1 蜂鸣器分类
- 1.2 PWM
- 二、C4开发板原理图
- 三、如何产生不同的音调
- 四、代码实现及分析
- 五、总结
一、蜂鸣器简介
1.1 蜂鸣器分类
蜂鸣器一般分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器。二者的区别在于，有源蜂鸣器内部含有振动源和功放电路，只需上电便可发出鸣叫。而无源蜂鸣器内部不含振动源和功放电路，因此我们需要给予其PWM方波，才能驱动无源蜂鸣器正常工作。
1.2 PWM
PWM即脉冲脉宽调制，PWM的占空比是指在一个完整的时钟周期内，高电平所占时间占整个时钟周期的比例（50%占空比即高低电平各占一半时钟周期），为方便代码编写，本项目产生的PWM均为50%占空比。
二、C4开发板原理图
博主所用开发板为Cyclone Ⅳ开发板，开发板芯片为：EP4CE6F17C8，由开发板原理图可以看出，本开发板蜂鸣器低电平有效。
三、如何产生不同的音调
我们可以通过给予无源蜂鸣器不同频率的PWM方波信号从而实现不同的音调音符。
相关数据参考可见下图：
举个例子：博主所用开发板晶振为50MHz，而低音Do的频率为262，因此我们需要在一秒内产生50MHz/262次PWM方波信号，此时蜂鸣器变会发出低音Do（如有错误请指正，博主是这样理解的，乐理知识匮乏，请见谅）。
两只老虎的乐谱如下：
四、代码实现及分析
本次项目较为简单，仅有一个蜂鸣器模块。
源码分析：
- 本次项目首先需要一个音符计数器，用来存放歌曲中的音符数目，由乐谱可知两只老虎共含有34个音符，因此我们需要一个6位宽的计数器用来计数到34（后续发现好像乐谱中间隔比较大的是空拍？各位可以自行调整）
- 除此之外，本次项目需要一个节拍计数器，不过这方面也是乐理知识，博主不太懂，两只老虎好像是一秒四拍，所以我们需要设计一个250ms计数器用来记一拍（也就是一个音符播放的时间）
- 同时我们自然需要一个计数音符频率的计数器。由于不同音符的频率不尽相同，因此我们可以很自然地想到需要引入一个中间信号，通过case第几个音符，给予中间信号不同的频率值。
- 另外由于本项目生成的PWM均为50%占空比，因此需要一个中间信号duty，duty为音符频率的一半，音符频率计数器小于duty时蜂鸣器输出0，否则输出1.
module beep (input wire clk ,input wire rst_n ,input wire beep_en ,output reg beep //输出蜂鸣器
);//内部参数定义
parameter CYCLE = 26'd50_000_000 ;
parameter TIME = 24'd12_500_000 ;
parameter NUM = 6'd34 ;
parameter DOL = CYCLE/262 ,REL = CYCLE/294 ,MIL = CYCLE/330 ,FAL = CYCLE/349 ,SOL = CYCLE/392 ,LAL = CYCLE/440 ,XIL = CYCLE/494 ,DOM = CYCLE/523 ,REM = CYCLE/587 ,MIM = CYCLE/659 ,FAM = CYCLE/698 ,SOM = CYCLE/784 ,LAM = CYCLE/880 ,XIM = CYCLE/988 ,DOH = CYCLE/1047 ,REH = CYCLE/1175 ,MIH = CYCLE/1319 ,FAH = CYCLE/1397 ,SOH = CYCLE/1568 ,LAH = CYCLE/1760 ,XIH = CYCLE/1967 ;//内部信号定义
reg [5:0] cnt_num ;//音符个数寄存器
wire add_cnt_num ;
wire end_cnt_num ;reg [23:0] cnt_250 ;//一拍时间寄存器
wire add_cnt_250 ;
wire end_cnt_250 ;reg [17:0] cnt_frq ;//音符频率寄存器
wire add_cnt_frq ;
wire end_cnt_frq ;reg [17:0] frq ;//中间信号，存储音符频率
wire [16:0] duty ;//中间信号，用于比较产生50%PWM//250ms计数器
always @(posedge clk or negedge rst_n) beginif(!rst_n)begincnt_250 <= 1'b0;endelse if(add_cnt_250)beginif(end_cnt_250)begincnt_250 <= 1'b0;endelse begincnt_250 <= cnt_250 + 1'b1;endendelse begincnt_250 <= cnt_250;end
endassign add_cnt_250 = beep_en;
assign end_cnt_250 = add_cnt_250 && cnt_250 == TIME - 1'b1;//音符个数寄存器
always @(posedge clk or negedge rst_n) beginif(!rst_n)begincnt_num <= 1'b0;endelse if(add_cnt_num)beginif(end_cnt_num)begincnt_num <= 1'b0;endelse begincnt_num <= cnt_num + 1'b1;endendelse begincnt_num <= cnt_num;end
endassign add_cnt_num = end_cnt_250;
assign end_cnt_num = add_cnt_num && cnt_num == NUM - 1'b1;//音符频率计数器
always @(posedge clk or negedge rst_n) beginif(!rst_n)begincnt_frq <= 1'b0;endelse if(add_cnt_frq)beginif(end_cnt_frq || end_cnt_250)begincnt_frq <= 1'b0;endelse begincnt_frq <= cnt_frq + 1'b1;endendelse begincnt_frq <= cnt_frq;end
endassign add_cnt_frq = beep_en;
assign end_cnt_frq = add_cnt_frq && cnt_frq == frq - 1'b1;//音频赋值
always@(*)begincase(cnt_num)6'd0 : frq = DOM;6'd1 : frq = REM;6'd2 : frq = MIM;6'd3 : frq = DOM;6'd4 : frq = DOM;6'd5 : frq = REM;6'd6 : frq = MIM;6'd7 : frq = DOM;6'd8 : frq = MIM;6'd9 : frq = FAM;6'd10 : frq = SOM;6'd11 : frq = MIM;6'd12 : frq = FAM;6'd13 : frq = SOM;6'd14 : frq = SOM;6'd15 : frq = LAM;6'd16 : frq = SOM;6'd17 : frq = FAM;6'd18 : frq = MIM;6'd19 : frq = DOM;6'd20 : frq = SOM;6'd21 : frq = LAM;6'd22 : frq = SOM;6'd23 : frq = FAM;6'd24 : frq = MIM;6'd25 : frq = DOM;6'd26 : frq = REM;6'd27 : frq = SOL;6'd28 : frq = DOM;6'd29 : frq = 0 ;6'd30 : frq = REM;6'd31 : frq = SOL;6'd32 : frq = DOM;6'd33 : frq = 0 ;default : frq = 0 ;endcase
end//beep输出赋值
always@(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)beginbeep <= 1'b1;endelse if(cnt_frq < duty && beep_en)beginbeep <= 1'b0;endelse beginbeep <= 1'b1;end
end//生成占空比为50%的音频PWM方波的比较信号
assign duty = frq >> 1;endmodule
五、总结
本项目较为简单，基本是在做计数器的练习和PWM方波信号产生练习，希望大家能够掌握。
如有没有讲清楚的地方还请大家指正。
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