基于FPGA的音樂蜂鳴器設計

設計背景

蜂鳴器是一種一體化結構的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應用于計算機、打印機、復印機、報警器、電子玩具、汽車電子設備、電話機、定時器等電子產品中作發聲器件。在一般設計中，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，當然如果足夠浪漫，也可以讓蜂鳴器演奏音樂。

設計原理

本設計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。它沒有內部驅動電路，無源蜂鳴器工作的理想信號為方波，如果給直流，蜂鳴器是不響應的，因為磁路恒定，鉬片不能震動發音。根據電路圖可知，由于 FPGA 的驅動能力不夠，這里增加了一個三極管來驅動這個無源蜂鳴器。在驅動時，只需要向蜂鳴器發送一定頻率的方波，就可以使蜂鳴器發聲。那么應該發送怎樣的頻率呢？具體則可參考下表（音節頻率表）

樂曲能連續演奏所需要的兩個基本數據是：組成樂曲的每個音符的頻率值（音調）和每個音符持續的時間（音長）。因此只要控制 FPGA輸出到蜂鳴器的激勵信號頻率的高低和持續時間，就可以使蜂鳴器發出連續的樂曲聲。在本設計中，由于至芯開發板的晶振為 50MHz，所以我們需要一個一個分頻模塊（PLL）產生一個較低的基準頻率（1MHz）。還需要一個空間儲存樂譜，由于樂譜是固定的不需要更改，所以我們選擇 ROMIP 核進行存儲。基準頻率 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，那么就需要節拍，一般采用 4 拍，即音長為 0.25s，所以還需設計一個模塊，控制每 0.25s，ROM 地址加 1,。如果需要發送一個低音 1 并維持 1 秒，則只需要在 ROM 的連續四個地址中寫入低音 1 的對應信息即可。在設計中為了方便在 ROM 中儲存數據，這里數據格式為 8’hAB，其中 A 暫時為三個值 1、2、4，分別表示低音、中音、高音。B 暫時為七個值 1、2、3、4、5、6、7。比如要產生一個低音 1，只需在 ROM中存儲 8’h11，如要產生一個高音 7，只需在 ROM中存儲 8’h47，以此類推即可。這時，就需要一個解碼模塊，將 ROM 中的數據還原成音樂發生器所需要的數據。

設計架構圖

根據上述的分析，得到如下的架構圖

本設計包括 6 個模塊，PLL 模塊把 50MHz 的時鐘信號降到 1MHz，rom 模塊存儲音樂數據，time_counter 是一個計數模塊，產生節拍，每到 0.25s，輸出的 time_finsh 變為一個周期的高電平。并發送給addr_gen 模塊，產生 addr，讓 rom 輸出下一個地址的數據。rom 輸出的數據 rom_data 輸入到 decode 解碼模塊，將解碼后的數據music_data 輸入到 music_gen 模塊，通過計數器，如果計數器小于music_data 的值，則 beep 保持不變，否則，beep 取反，并且計數器

清 1，從而產生特定的方波頻率。

設計代碼

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

仿真結果如下：

由仿真圖可知：當 rom 輸出 rom_data 為 8’h16 時，代表輸出低音6，解碼后結果 music_data 為 1136，輸出的 beep 頻率為 440Hz，與實際低音 6 的音節頻率表的值一致；當 rom 輸出 rom_data 為 8’h22時，代表輸出中音 2，解碼后結果 music_data 為 851，輸出的 beep頻率為 563Hz，與實際中音 2 的音節頻率表的值相差 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 的基準頻率提高。

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