基于FPGA的音樂蜂鳴器設(shè)計(jì)

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(cè)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(wú)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(dòng)電路，無(wú)源蜂鳴器工作的理想信號(hào)為方波，如果給直流，蜂鳴器是不響應(yīng)的，因?yàn)榇怕泛愣?，鉬片不能震動(dòng)發(fā)音。根據(jù)電路圖可知，由于 FPGA 的驅(qū)動(dòng)能力不夠，這里增加了一個(gè)三極管來(lái)驅(qū)動(dòng)這個(gè)無(wú)源蜂鳴器。在驅(qū)動(dòng)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(zhǎng)）。因此只要控制 FPGA輸出到蜂鳴器的激勵(lì)信號(hào)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(chǔ)存樂譜，由于樂譜是固定的不需要更改，所以我們選擇 ROMIP 核進(jìn)行存儲(chǔ)。基準(zhǔn)頻率 1MHz 可分頻得到所有不同頻率的信號(hào)。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(zhǎng)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(duì)應(yīng)信息即可。在設(shè)計(jì)中為了方便在 ROM 中儲(chǔ)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(chǔ) 8’h11，如要產(chǎn)生一個(gè)高音 7，只需在 ROM中存儲(chǔ) 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(hào)降到 1MHz，rom 模塊存儲(chǔ)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：

addr_gen 模塊代碼如下：

decode 解碼模塊代碼如下：

music_gen 模塊代碼如下：

beep 頂層模塊代碼如下：

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。

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