設(shè)計(jì)背景：

蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、報(bào)警器、電子玩具、汽車電子設(shè)備、電話機(jī)、定時(shí)器等電子產(chǎn)品中作發(fā)聲器件。在一般設(shè)計(jì)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(dāng)然如果足夠浪漫，也可以讓蜂鳴器演奏音樂。

設(shè)計(jì)原理:

本設(shè)計(jì)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(nèi)部驅(qū)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(yīng)的，因?yàn)榇怕泛愣ǎ?/span>鉬片不能震動發(fā)音。

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

樂曲能連續(xù)演奏所需要的兩個(gè)基本數(shù)據(jù)是：組成樂曲的每個(gè)音符的頻率值（音調(diào)）和每個(gè)音符持續(xù)的時(shí)間（音長）。因此只要控制FPGA輸出到蜂鳴器的激勵(lì)信號頻率的高低和持續(xù)時(shí)間，就可以使蜂鳴器發(fā)出連續(xù)的樂曲聲。

在本設(shè)計(jì)中，由于至芯開發(fā)板的晶振為50MHz，所以我們需要一個(gè)一個(gè)分頻模塊（PLL）產(chǎn)生一個(gè)較低的基準(zhǔn)頻率（1MHz）。還需要一個(gè)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(jìn)行存儲。

基準(zhǔn)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(jié)拍，一般采用4拍，即音長為0.25s，所以還需設(shè)計(jì)一個(gè)模塊，控制每0.25s，ROM地址加1,。如果需要發(fā)送一個(gè)低音1并維持1秒，則只需要在ROM的連續(xù)四個(gè)地址中寫入低音1的對應(yīng)信息即可。

在設(shè)計(jì)中為了方便在ROM中儲存數(shù)據(jù)，這里數(shù)據(jù)格式為8’hAB，其中A暫時(shí)為三個(gè)值1、2、4，分別表示低音、中音、高音。B暫時(shí)為七個(gè)值1、2、3、4、5、6、7。比如要產(chǎn)生一個(gè)低音1，只需在ROM中存儲8’h11，如要產(chǎn)生一個(gè)高音7，只需在ROM中存儲8’h47，以此類推即可。這時(shí)，就需要一個(gè)解碼模塊，將ROM中的數(shù)據(jù)還原成音樂發(fā)生器所需要的數(shù)據(jù)。

設(shè)計(jì)架構(gòu)圖:

根據(jù)上述的分析，得到如下的架構(gòu)圖：

本設(shè)計(jì)包括6個(gè)模塊，PLL模塊把50MHz的時(shí)鐘信號降到1MHz，rom模塊存儲音樂數(shù)據(jù)，time_counter是一個(gè)計(jì)數(shù)模塊，產(chǎn)生節(jié)拍，每到0.25s，輸出的time_finsh變?yōu)橐粋€(gè)周期的高電平。并發(fā)送給addr_gen模塊，產(chǎn)生addr，讓rom輸出下一個(gè)地址的數(shù)據(jù)。rom輸出的數(shù)據(jù)rom_data輸入到decode解碼模塊，將解碼后的數(shù)據(jù)music_data輸入到music_gen模塊，通過計(jì)數(shù)器，如果計(jì)數(shù)器小于music_data的值，則beep保持不變，否則，beep取反，并且計(jì)數(shù)器清1，從而產(chǎn)生特定的方波頻率。

設(shè)計(jì)代碼:

time_counter模塊代碼如下：

0moduletime_counter (clk,rst_n,time_finsh);

1

2inputclk,rst_n;//輸入1Mhz時(shí)鐘信號，復(fù)位信號

3outputtime_finsh;//輸出時(shí)間計(jì)數(shù)標(biāo)志位（沒0.25s變高電平一次）

4

5reg[17:0]count;//計(jì)數(shù)器count

6

7always@(posedgeclk ornegedgerst_n)

8begin

9if(!rst_n)

10count <=18'd0;//計(jì)數(shù)器復(fù)位

11elseif(time_finsh)

12count <=18'd0;//每到0.25s計(jì)數(shù)器歸零

13else

14count <=count +1'd1;//未到0.25s，計(jì)數(shù)器繼續(xù)累加

15end

16/*****每到0.25s，time_finsh拉高，表示已經(jīng)達(dá)到0.25s*****/

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

18/*****用于仿真，因?yàn)檎嬲?/span>0.25是會仿真很長*****/

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

20

21endmodule

addr_gen模塊代碼如下：

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

1

2inputclk,rst_n;//輸入1Mhz時(shí)鐘信號，復(fù)位信號

3inputtime_finsh;//輸入時(shí)間計(jì)數(shù)標(biāo)記位（每0.25s變高電平一次）

4outputreg[6:0]addr;//輸出給ROM的地址信號

5

6always@(posedgeclk ornegedgerst_n)

7begin

8if(!rst_n)

9addr <=7'd0;//輸出給ROM的地址信號復(fù)位

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

11addr <=addr +1'd1;

12else

13addr <=addr;//未夠0.25s,ROM的地址信號不變

14end

15

16endmodule

decode解碼模塊代碼如下：

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

1

2inputclk,rst_n;//輸入1Mhz時(shí)鐘信號，復(fù)位信號

3input[7:0]rom_data;//輸入的ROM的數(shù)據(jù)

4outputreg[10:0]music_data;//輸出ROM的解碼數(shù)據(jù)

5

6always@(posedgeclk ornegedgerst_n)

7begin

8if(!rst_n)

9music_data <=11'd0;//輸出ROM的解碼數(shù)據(jù)復(fù)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，停止節(jié)拍

37endcase

38end

39

40endmodule

music_gen模塊代碼如下：

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

1

2inputclk,rst_n;//輸入1Mhz時(shí)鐘信號，復(fù)位信號

3input[10:0]music_data;//輸入音樂頻率控制字

4outputregbeep;//輸出方波

5

6reg[10:0]data,count;//寄存音樂控制字的data，計(jì)數(shù)器count

7

8always@(posedgeclk ornegedgerst_n)

9begin

10if(!rst_n)

11data <=11'd0;//寄存器data復(fù)位

12else

13data <=music_data;//data寄存音樂控制字

14end

15

16always@(posedgeclk ornegedgerst_n)

17begin

18if(!rst_n)

19begin

20count <=11'd1;//計(jì)數(shù)器復(fù)位

21beep <=1'd0;//輸出方波復(fù)位

22end

23elseif(data ==11'd0)//當(dāng)data==11‘d0，（停止節(jié)拍）

24begin

25count <=11'd1;//計(jì)數(shù)器歸一

26beep <=1'd0;//輸出方波歸零

27end

28elseif(count <=data)//當(dāng)計(jì)數(shù)器小于等于data的值

29count <=count +1'd1;//計(jì)數(shù)器繼續(xù)累加

30else

31begin

32count <=11'd1;//當(dāng)計(jì)數(shù)器大于data的值，計(jì)數(shù)器歸一

33beep <=~beep;//輸出方波取反

34end

35end

36

37endmodule

beep頂層模塊代碼如下：

0modulebeep (clk,rst_n,beep);

1

2inputclk,rst_n;//輸入50Mhz時(shí)鐘信號,復(fù)位信號

3outputbeep;//輸出的方波

4

5wireclk_1M,time_finsh;//1Mhz時(shí)鐘信號線，0.25s時(shí)間計(jì)數(shù)標(biāo)記位

6wire[6:0]addr;//rom地址線

7wire[7:0]rom_data;//rom數(shù)據(jù)線

8wire[10:0]music_data;//rom數(shù)據(jù)解碼數(shù)據(jù)線

9

10/*****PLL模塊*****/

11my_pll my_pll_inst(

12.areset(~rst_n),

13.inclk0(clk),

14.c0(clk_1M)

15);

16

17/*****0.25s時(shí)間計(jì)數(shù)器模塊*****/

18time_counter time_counter_inst(

19.clk(clk_1M),

20.rst_n(rst_n),

21.time_finsh(time_finsh)

22);

23

24/*****ROM地址發(fā)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模塊*****/

33my_rom my_rom_inst(

34.address(addr),

35.clock(clk_1M),

36.q(rom_data)

37);

38

39/*****解碼模塊*****/

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/*****音樂發(fā)生器模塊*****/

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頂層測試模塊代碼如下：

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

仿真圖:

仿真結(jié)果如下：

由仿真圖可知：當(dāng)rom輸出rom_data為8’h16時(shí)，代表輸出低音6，解碼后結(jié)果music_data為1136，輸出的beep頻率為440Hz，與實(shí)際低音6的音節(jié)頻率表的值一致；當(dāng)rom輸出rom_data為8’h22時(shí)，代表輸出中音2，解碼后結(jié)果music_data為851，輸出的beep頻率為563Hz，與實(shí)際中音2的音節(jié)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(zhǔn)頻率提高。