基于FPGA的音樂(lè)蜂鳴器設(shè)計(jì)案例解析

本系列將帶來(lái)FPGA的系統(tǒng)性學(xué)習(xí)，從最基本的數(shù)字電路基礎(chǔ)開(kāi)始，最詳細(xì)操作步驟，最直白的言語(yǔ)描述，手把手的“傻瓜式”講解，讓電子、信息、通信類專業(yè)學(xué)生、初入職場(chǎng)小白及打算進(jìn)階提升的職業(yè)開(kāi)發(fā)者都可以有系統(tǒng)性學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)。

系統(tǒng)性的掌握技術(shù)開(kāi)發(fā)以及相關(guān)要求，對(duì)個(gè)人就業(yè)以及職業(yè)發(fā)展都有著潛在的幫助，希望對(duì)大家有所幫助。后續(xù)會(huì)陸續(xù)更新 Xilinx 的 Vivado、ISE 及相關(guān)操作軟件的開(kāi)發(fā)的相關(guān)內(nèi)容，學(xué)習(xí)FPGA設(shè)計(jì)方法及設(shè)計(jì)思想的同時(shí)，實(shí)操結(jié)合各類操作軟件，會(huì)讓你在技術(shù)學(xué)習(xí)道路上無(wú)比的順暢，告別技術(shù)學(xué)習(xí)小BUG卡破腦殼，告別目前忽悠性的培訓(xùn)誘導(dǎo)，真正的去學(xué)習(xí)去實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用，這種快樂(lè)試試你就會(huì)懂的。話不多說(shuō)，上貨。

音樂(lè)蜂鳴器設(shè)計(jì)

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。

圖1 ：蜂鳴器實(shí)物圖

蜂鳴器主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器兩種類型。

壓電式蜂鳴器

壓電式蜂鳴器主要由多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器及共鳴箱、外殼等組成。有的壓電式蜂鳴器外殼上還裝有發(fā)光二極管。多諧振蕩器由晶體管或集成電路構(gòu)成，當(dāng)接通電源后(1.5~15V直流工作電壓)，多諧振蕩器起振，輸出1.5~2.5kHZ的音頻信號(hào)，阻抗匹配器推動(dòng)壓電蜂鳴片發(fā)聲。

電磁式蜂鳴器

電磁式蜂鳴器由振蕩器、電磁線圈、磁鐵、振動(dòng)膜片及外殼等組成。接通電源后，振蕩器產(chǎn)生的音頻信號(hào)電流通過(guò)電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)。振動(dòng)膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下，周期性地振動(dòng)發(fā)聲。

按照內(nèi)部有無(wú)震蕩源可以分為有源蜂鳴器和無(wú)源蜂鳴器。有源蜂鳴器內(nèi)部帶震蕩源，所以只要一通電就會(huì)發(fā)出聲音;而無(wú)源內(nèi)部不帶震蕩源，所以如果用直流信號(hào)無(wú)法令其鳴叫。必須用一定頻率的方波去驅(qū)動(dòng)它。

首先設(shè)計(jì)分頻器，設(shè)計(jì)一個(gè)1KHz的方波，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，觀測(cè)蜂鳴器是否會(huì)有聲音產(chǎn)生。

本小節(jié)研究如何利用蜂鳴器演唱一首曲子《世上只有媽媽好》。

下圖為《世上只有媽媽好》的簡(jiǎn)譜。

圖2：世上只有媽媽好的簡(jiǎn)譜

簡(jiǎn)譜是一種比較簡(jiǎn)單易學(xué)的音樂(lè)記譜法。據(jù)說(shuō)簡(jiǎn)譜是由法國(guó)思想家盧梭于1742年發(fā)明的。而最早把簡(jiǎn)譜引進(jìn)我國(guó)的是我國(guó)近代音樂(lè)教育家沈心工。簡(jiǎn)譜應(yīng)該說(shuō)是一種比較簡(jiǎn)單易學(xué)的音樂(lè)記譜法。它的最大好處是僅用7個(gè)阿拉伯?dāng)?shù)字----1234567，就能將萬(wàn)千變化的音樂(lè)曲子記錄并表示出來(lái).

在簡(jiǎn)譜中，用以表示音的高低及相互關(guān)系的基本符號(hào)為七個(gè)阿拉伯?dāng)?shù)字，即１、２、３、４、５、６、７，唱作do、re、mi、fa、sol、la、si，稱為唱名。

音符：１２３４５６７

唱名：do re mi fa sol la si

漢字：哆來(lái)米發(fā)梭拉西

顯然，單用以上七個(gè)音是無(wú)法表現(xiàn)眾多的音樂(lè)形象的。在實(shí)際作品中，還有一些更高或更低的音，如在基本音符上方加記一個(gè)"·"，表示該音升高一個(gè)八度，稱為高音；加記兩個(gè)" ："，則表示該音升高兩個(gè)八度，稱為倍高音。在基本音符下方加記一個(gè)"·"，表示該音降低一個(gè)八度，稱為低音；加記兩個(gè)" ："，則表示該音降低兩個(gè)八度，稱為倍低音。

在一般歌曲中，無(wú)論是在基本音符上方或下方加記兩個(gè)以上的"·"的音符都是很少見(jiàn)的。

在簡(jiǎn)譜中，1、2、3、4、5、6、7這七個(gè)基本音符，不僅表示音的高低，而且還是表示時(shí)值長(zhǎng)短的基本單位，稱為四分音符，其他音符均是在四分音符的基礎(chǔ)上，用加記短橫線"-"和附點(diǎn)"·"表示。

在基本音符右側(cè)加記一條短橫線，表示增長(zhǎng)一個(gè)四分音符的時(shí)值。這類加記在音符右側(cè)、使音符時(shí)值增長(zhǎng)的短橫線，稱為增時(shí)線。增時(shí)線越多，音符的時(shí)值越長(zhǎng)。

在基本音符下方加記一條短橫線，表示縮短原音符時(shí)值的一半。這類加記在音符下方、使音符時(shí)值縮短的短橫線，稱為減時(shí)線。減時(shí)線越多，音符的時(shí)值越短。

在簡(jiǎn)譜中，加記在單純音符的右側(cè)的、使音符時(shí)值增長(zhǎng)的小圓點(diǎn)"·"，稱為附點(diǎn)。加記附點(diǎn)的音符稱為附點(diǎn)音符。附點(diǎn)本身并無(wú)一定的長(zhǎng)短，其長(zhǎng)短由前面的單純音符來(lái)決定。附點(diǎn)的意義在于增長(zhǎng)原音符時(shí)值的一半，常用于四分音符和小于四分音符的各種音符之后。

在《世上只有媽媽好》的簡(jiǎn)譜中，每?jī)蓚€(gè)豎線之間為2秒鐘的時(shí)長(zhǎng)。每?jī)蓚€(gè)豎線之間有4個(gè)音符時(shí)長(zhǎng)，但是其中有較多半個(gè)音符的長(zhǎng)，本設(shè)計(jì)采用1/4秒為基本單位。

蜂鳴器給予不同的頻率是可以發(fā)出近似1、2、3、4、5、6、7這七個(gè)基本音符。

圖3 ：各個(gè)音符所對(duì)應(yīng)的頻率

此模塊命名為music_beep，clk為50MHz的時(shí)鐘，rst_n為低電平有效的復(fù)位，beep為蜂鳴器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

圖4 ：music_beep的模型

在設(shè)計(jì)時(shí)，首先將簡(jiǎn)譜中的音符存起來(lái)；利用計(jì)數(shù)器產(chǎn)生1/4秒為周期的脈沖，在此脈沖驅(qū)動(dòng)下，將事先存好的音符一個(gè)個(gè)輸出；根據(jù)音符的值，計(jì)算出分頻比；根據(jù)分頻比，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)頻率的波形。將此波形輸出即可。