相信大家已經(jīng)在網(wǎng)上見(jiàn)識(shí)過(guò)很多“民間大神”們的天才（奇葩）手工DIY了，一些簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單的材料在他們的搗鼓下，瞬間華麗轉(zhuǎn)身，變廢為寶。今天，我們?yōu)榇蠹艺砹艘晃皇止ご笊竦?a target="_blank">DIY心得——如何利用FPGA開(kāi)發(fā)板DIY一個(gè)音樂(lè)盒，也就是如何使我們的FPGA播放聲音和音樂(lè)！

首先需生成單個(gè)音調(diào)，然后慢慢地做更有趣的事情，如制作警報(bào)聲和播放曲調(diào)。

需要準(zhǔn)備的硬件

該項(xiàng)目使用的是一個(gè)Pluto的FPGA開(kāi)發(fā)板，還有一個(gè)揚(yáng)聲器和一個(gè)1kΩ的電阻。

更加直觀(guān)的展示是下面這樣的：

本次DIY的音樂(lè)盒分為4個(gè)部分：

1.簡(jiǎn)單的嗶嗶聲

2.警報(bào)聲

3.音調(diào)

4.曲子

1.簡(jiǎn)單的嗶嗶聲

FPGA可以輕松實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制計(jì)數(shù)器。例如，在回滾之前，16位計(jì)數(shù)器將從0到65535（65536個(gè)不同的值）計(jì)數(shù)。Pluto板具有一個(gè)25MHz的時(shí)鐘振蕩器，因此我們可以輕松構(gòu)建一個(gè)25MHz時(shí)鐘16位自動(dòng)計(jì)數(shù)器。其最高位切換頻率為25000000/65536 = 381Hz。

其VerilogHDL的代碼如下：

modulemusic(clk,speaker);

inputclk;

outputspeaker;

// 首先創(chuàng)建一個(gè)16位二級(jí)制計(jì)數(shù)器

reg[15:0]counter;

always@(posedgeclk)counter<=counter+1;

// 使用計(jì)數(shù)器的最高有效位來(lái)驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器

assignspeaker=counter[15];

endmodule

詳細(xì)講解的話(huà)就是，“clk”在25MHz下運(yùn)行，“counter [0]”看起來(lái)像是一個(gè)12.5MHz信號(hào)（它以25MHz的頻率進(jìn)行更新變化，變化的值為0 1 0 1 ......因此看起來(lái)像12.5MHz信號(hào)），“counter [1]“是6.125MHz信號(hào)，依此類(lèi)推。

由于我們使用計(jì)數(shù)器的最高有效位（第15位）來(lái)驅(qū)動(dòng)輸出，因此“揚(yáng)聲器”輸出會(huì)產(chǎn)生一個(gè)完美的381Hz方波信號(hào)。

2.警報(bào)聲

我們可以在兩個(gè)音調(diào)之間循環(huán)。我們首先用一個(gè)24位計(jì)數(shù)器的“音調(diào)”來(lái)產(chǎn)生一個(gè)較慢的方波。其MSB（最高有效位）“tone[23]”是一1.5Hz的頻率進(jìn)行變換的。

然后我們就可以用這個(gè)最高有效位切換到另一個(gè)計(jì)數(shù)器，從而在兩個(gè)頻率之間切換。

代碼如下：

modulemusic(clk,speaker);

inputclk;

outputspeaker;

parameterclkdivider=25000000/440/2;

reg[23:0]tone;

always@(posedgeclk)tone<=tone+1;

reg[14:0]counter;

always@(posedgeclk)if(counter==0)counter<=(tone[23]?clkdivider-1:clkdivider/2-1);elsecounter<=counter-1;

regspeaker;

always@(posedgeclk)if(counter==0)speaker<=~speaker;

endmodule

3.演奏音符

現(xiàn)在我們想要演奏一首曲子，所以需要來(lái)獲取不同的音符，就像電子琴一樣。

如果我們用6位來(lái)實(shí)現(xiàn)音符，那么我可以獲得64個(gè)音符。每個(gè)八度一共有12個(gè)音符，所以64個(gè)音符可以實(shí)現(xiàn)5個(gè)八度，完全足夠彈奏一首曲目了。

步驟1

要想實(shí)現(xiàn)一組音調(diào)不斷升高的聲音，我們用一個(gè)28位計(jì)數(shù)器來(lái)距離，提取其中6個(gè)MSB，從而給到6位的音調(diào)。

代碼如下：

reg[27:0]tone;

always@(posedgeclk)tone<=tone+1;

wire[5:0]fullnote=tone[27:22];

在25MHz的時(shí)鐘下，每個(gè)音符持續(xù)167ms，64個(gè)音符一共需要10.6s才能演奏完成。

步驟2

我們將“fullnote”分成12份。這樣就可以給到我們一個(gè)八度（一共有5個(gè)8度，所以我們只需要3位，從0到4）和音符（從0到11，需要4位）。

代碼如下：

wire[2:0]octave;

wire[3:0]note;

divide_by12 divby12(.numer(fullnote[5:0]),.quotient(octave),.remain(note));

此處用了一個(gè)叫divide_by12的子模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)分頻。細(xì)節(jié)稍后講解。

步驟3

從一個(gè)八度到另一個(gè)八度，頻率乘以了“2”。這個(gè)在硬件上很容易實(shí)現(xiàn)，我們?cè)诓襟E4上進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。但是要從一個(gè)音符到另一個(gè)音符，頻率就要乘以1.0594。這樣的話(huà)就沒(méi)那么容易在硬件上實(shí)現(xiàn)了，所以我們需要看下提前計(jì)算好的音符值。

我們將主時(shí)鐘除以512得到音符A，除以483得到音符A#，除以456得到音符B…記住，除以一個(gè)更低的值得到的是更高的音符。

一個(gè)八度下的音符數(shù)值如下：

always@(note)

case(note)

0:clkdivider=512-1;// A

1:clkdivider=483-1;// A#/Bb

2:clkdivider=456-1;// B

3:clkdivider=431-1;// C

4:clkdivider=406-1;// C#/Db

5:clkdivider=384-1;// D

6:clkdivider=362-1;// D#/Eb

7:clkdivider=342-1;// E

8:clkdivider=323-1;// F

9:clkdivider=304-1;// F#/Gb

10:clkdivider=287-1;// G

11:clkdivider=271-1;// G#/Ab

12:clkdivider=0;// should never happen

13:clkdivider=0;// should never happen

14:clkdivider=0;// should never happen

15:clkdivider=0;// should never happen

endcase

always@(posedgeclk)if(counter_note==0)counter_note<=clkdivider;elsecounter_note<=counter_note-1;

每當(dāng)counter_note等于0時(shí)，就進(jìn)入到下一個(gè)八度。

步驟4

現(xiàn)在我們要處理好不同的八度，對(duì)于最低的八度，我們將“counter_note”除以256，對(duì)于第二個(gè)八度，除以128，以此類(lèi)推。

reg[7:0]counter_octave;

always@(posedgeclk)

if(counter_note==0)

begin

if(counter_octave==0)

counter_octave<=(octave==0?255:octave==1?127:octave==2?63:octave==3?31:octave==4?15:7);

else

counter_octave<=counter_octave-1;

end

regspeaker;

always@(posedgeclk)if(counter_note==0&&counter_octave==0)speaker<=~speaker;

完整代碼如下：

modulemusic(clk,speaker);

inputclk;

outputspeaker;

reg[27:0]tone;

always@(posedgeclk)tone<=tone+1;

wire[5:0]fullnote=tone[27:22];

wire[2:0]octave;

wire[3:0]note;

divide_by12 divby12(.numer(fullnote[5:0]),.quotient(octave),.remain(note));

reg[8:0]clkdivider;

always@(note)

case(note)

0:clkdivider=512-1;// A

1:clkdivider=483-1;// A#/Bb

2:clkdivider=456-1;// B

3:clkdivider=431-1;// C

4:clkdivider=406-1;// C#/Db

5:clkdivider=384-1;// D

6:clkdivider=362-1;// D#/Eb

7:clkdivider=342-1;// E

8:clkdivider=323-1;// F

9:clkdivider=304-1;// F#/Gb

10:clkdivider=287-1;// G

11:clkdivider=271-1;// G#/Ab

12:clkdivider=0;// should never happen

13:clkdivider=0;// should never happen

14:clkdivider=0;// should never happen

15:clkdivider=0;// should never happen

endcase

reg[8:0]counter_note;

always@(posedgeclk)if(counter_note==0)counter_note<=clkdivider;elsecounter_note<=counter_note-1;

reg[7:0]counter_octave;

always@(posedgeclk)

if(counter_note==0)

begin

if(counter_octave==0)

counter_octave<=(octave==0?255:octave==1?127:octave==2?63:octave==3?31:octave==4?15:7);

else

counter_octave<=counter_octave-1;

end

regspeaker;

always@(posedgeclk)if(counter_note==0&&counter_octave==0)speaker<=~speaker;

endmodule