FPGA之蜂鸣器播放音乐《花海》

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前言

蜂鸣器是我们常用的电子元器件，本文使用无源蜂鸣器进行音乐《花海》的播放

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一、蜂鸣器

1.蜂鸣器简介：

蜂鸣器按其是否带有信号源分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器，有源蜂鸣器内部装有集成电路，不需要音频驱动电路，只需要接通直流电源就可以直接发出声响，而无源蜂鸣器只有外加音频驱动才能发出响声。

2.有源蜂鸣器：

内部自带震荡源，只需要加上适当的直流电源即可发生，程序控制比较简单，通常使用于报警、提示等，但因为声音是固定的，所以无法实现音乐播放。

3.无源蜂鸣器：

相比于有源蜂鸣器，无源蜂鸣器成本更低，声音频率可控，需要输入PWM方波才能驱动其发声，通过改变PWM波的频率，可以实现不同音调的改变；通过改变PWM波的占空比，可以实现声音大小的改变，所以我们只需要产生不同频率和占空比的PWM方波去驱动无源蜂鸣器就能让无源蜂鸣器发出不同的音调了。

二、简谱常识

作为一个资深的只会唱歌，不会看谱子的音乐小白痴，对简谱的理解我是废了九牛二虎之力，问了好几个人，才明白具体原理：

1.音符时值：

4/4拍是指按四分音符为一拍，每小节有四拍，我们按照一拍时间为一秒计算，半拍就是1/2秒，四分之一拍就是1/4秒，如果音符后面加一个圆点，时值延长本身时长的二分之一。

2.简谱名：

中音就是我们常见的Do,Re,Mi,Fa,Sol,La,Si，在下面加一点表示低音，加两点表示超低音，在上面加一点表示高音，加两点表示超高音，本实验中只编码了低、中、高、超高音（因为我找到了这些音的现成频率计数值，所以就没编码超低音，想要更完整的可以自己去搜索一下）

3.简谱名频率：

每个音调的高低，是因为声音频率的不同，以下是各简谱名对应的频率，在播放某一个简谱名时，只需要转换出相应的频率给蜂鸣器就可以了。

三、程序设计

1.调用ROM IP核储存每个简谱名所播放的时间：

我们把一秒分为8份，这样一拍就是8✖一个数，这个数是八分之一秒的计数值，这样我们就得到了每一个简谱名对应的拍数对应的计数值：
time_cycle<=time_music(CLK_FRE1000000/8)**
我们在ROM里面储存的数据即为每个简谱名对应的拍数。
ROM选用单口，位宽8位，深度256即可（可根据储存的简谱长度来做适当调整）。这里给出《花海》的一些简谱时间

可以看到，我们储存了112（0~111）个简谱名，对应的我们在调用ROM的时候需要注意address即地址的长度，一定要大于111，否则就可能出现歌没唱完就结束了的情况。

2.编写频率计数值选用代码及用ROM IP核储存对应选择值：

频率计数值选用代码：

module hz(
	input wire [7:0]hz_sel,
	
	output reg [19:0]cycle
);
	parameter CLK_FRE = 50 ;

	always @(*)
	begin
		case(hz_sel)
			8'h01 : cycle <= CLK_FRE*1000000/261 ; //low 1 261Hz
			8'h02 : cycle <= CLK_FRE*1000000/293 ; //low 2 293Hz
			8'h03 : cycle <= CLK_FRE*1000000/329 ; //low 3 329Hz
			8'h04 : cycle <= CLK_FRE*1000000/349 ; //low 4 349Hz
			8'h05 : cycle <= CLK_FRE*1000000/392 ; //low 5 392Hz
			8'h06 : cycle <= CLK_FRE*1000000/440 ; //low 6 440Hz
			8'h07 : cycle <= CLK_FRE*1000000/499 ; //low 7 499Hz
			8'h11 : cycle <= CLK_FRE*1000000/523 ; //middle 1 523Hz
			8'h12 : cycle <= CLK_FRE*1000000/587 ; //middle 2 587Hz
			8'h13 : cycle <= CLK_FRE*1000000/659 ; //middle 3 659Hz
			8'h14 : cycle <= CLK_FRE*1000000/698 ; //middle 4 698Hz
			8'h15 : cycle <= CLK_FRE*1000000/784 ; //middle 5 784Hz
			8'h16 : cycle <= CLK_FRE*1000000/880 ; //middle 6 880Hz
			8'h17 : cycle <= CLK_FRE*1000000/998 ; //middle 7 998Hz
			8'h21 : cycle <= CLK_FRE*1000000/1046 ; //high 1 1046Hz
			8'h22 : cycle <= CLK_FRE*1000000/1174 ; //high 2 1174Hz
			8'h23 : cycle <= CLK_FRE*1000000/1318 ; //high 3 1318Hz
			8'h24 : cycle <= CLK_FRE*1000000/1396 ; //high 4 1396Hz
			8'h25 : cycle <= CLK_FRE*1000000/1568 ; //high 5 1568Hz
			8'h26 : cycle <= CLK_FRE*1000000/1760 ; //high 6 1760Hz
			8'h27 : cycle <= CLK_FRE*1000000/1976 ; //high 7 1976Hz
			8'h31 : cycle <= CLK_FRE*1000000/2093 ; //super high 1 2093Hz
			8'h32 : cycle <= CLK_FRE*1000000/2349 ; //super high 2 2349Hz
			8'h33 : cycle <= CLK_FRE*1000000/2637 ; //super high 3 2637Hz
			8'h34 : cycle <= CLK_FRE*1000000/2794 ; //super high 4 2794Hz
			8'h35 : cycle <= CLK_FRE*1000000/3136 ; //super high 5 3136Hz
			8'h36 : cycle <= CLK_FRE*1000000/3520 ; //super high 6 3520Hz
			8'h37 : cycle <= CLK_FRE*1000000/3951 ; //super high 7 3951Hz
			default:cycle<=20'd0;
		endcase
	end

endmodule 

低音对应的选择值为1-7，中音为11-17，高音为21-27，超高音为31-37。我们在使用ROM进行储存时只需要储存简谱名对应的选择值即可。
ROM选用单口，位宽8位，深度256即可（可根据储存的简谱长度来做适当调整）。这里给出《花海》的一些简谱频率计数值

3.PWM产生：

如何控制PWM方波的产生呢？
首先是PWM频率：
我们需要定义一个频率计数器：cnt_cycle，计数时长为频率计数值，即为我们上面频率选择模块中的cycle，在播放一个频谱名时，计数器记满频率计数值或者本次频谱名播放时间结束，计数器清零。
然后是PWM占空比：
我们需要定义一个PWM占空比数值：duty_data，当占空比为50%时，duty_data=cycle/2，通过调节占空比大小，可以调节声音大小，因为我的蜂鸣器声音有点大，所以我把占空比调到了25%。在频率计数器计数值小于duty_data时，输出到蜂鸣器为0，大于时为1。

//频率计数器
always @(posedge clk or negedge rst_n)
if(!rst_n)
	cnt_cycle<=1'b0;
else if(cnt_cycle==cycle || cnt==time_cycle)
	cnt_cycle<=1'b0;
else
	cnt_cycle<=cnt_cycle+1'b1;
	
//占空比
assign duty_data=cycle/4;

//蜂鸣器输出PWM
always @(posedge clk or negedge rst_n)
if(!rst_n)
	beep=1'b0;
else if(cnt_cycle>=duty_data)
	beep=1'b1;
else
	beep=1'b0;

4.ROM存储器地址改变：

每计数完成一个频谱名的时间，地址加一。

//频率rom计数器加一
always @(posedge clk or negedge rst_n)
if(!rst_n)
	address<=1'b0;
else if(address==8'd111 && cnt==time_cycle)
	address<=1'b0;
else if(cnt==time_cycle)
	address<=address+1'b1;

四、整体代码：

RTL代码：

module beep_music(

	input wire clk,
	input wire rst_n,
	
	output reg beep

);
	parameter CLK_FRE   = 50 ;

	reg [31:0]cnt;

	wire [19:0]duty_data;
	
	reg [7:0]address;
	wire [7:0]time_music;
	reg [31:0]time_cycle;

	wire [7:0]hz_sel;
	
	wire [19:0]cycle;
	reg [19:0]cnt_cycle;

	time_music time_music0(
		.address(address),
		.clock(clk),
		.q(time_music)
	);
	
	hz_sel hz_sel0(
		.address(address),
		.clock(clk),
		.q(hz_sel)
	);
	
	hz hz0(
		.hz_sel(hz_sel),
		.cycle(cycle)
	);


	
	//单个音符时间计数值
	always @(posedge clk or negedge rst_n)
	if(!rst_n)
		time_cycle<=32'd0;
	else
		time_cycle<=time_music*(CLK_FRE*1000000/8) ;
	
	//计时器
	always @(posedge clk or negedge rst_n)
	if(!rst_n)
		cnt<=1'b0;
	else if(cnt==time_cycle)
		cnt<=1'b0;
	else
		cnt<=cnt+1'b1;
	
	//频率rom计数器加一
	always @(posedge clk or negedge rst_n)
	if(!rst_n)
		address<=1'b0;
	else if(address==8'd111 && cnt==time_cycle)
		address<=1'b0;
	else if(cnt==time_cycle)
		address<=address+1'b1;
		
	//频率计数器
	always @(posedge clk or negedge rst_n)
	if(!rst_n)
		cnt_cycle<=1'b0;
	else if(cnt_cycle==cycle || cnt==time_cycle)
		cnt_cycle<=1'b0;
	else
		cnt_cycle<=cnt_cycle+1'b1;
		
	//占空比
	assign duty_data=cycle/4;
	
	//蜂鸣器输出PWM
	always @(posedge clk or negedge rst_n)
	if(!rst_n)
		beep=1'b0;
	else if(cnt_cycle>=duty_data)
		beep=1'b1;
	else
		beep=1'b0;

endmodule 

仿真测试模块：

`timescale 1ns/1ns
`define clk_period 20

module beep_music_tb;

	reg clk;
	reg rst_n;
	
	wire beep;

	beep_music beep_music(

		.clk(clk),
		.rst_n(rst_n),
		
		.beep(beep)

	);
	initial clk=1'b1;
	always #(`clk_period/2) clk=~clk;
	initial begin
		rst_n=1'b0;
		#(`clk_period*20+1);
		rst_n=1'b1;
		#(`clk_period*100000000);
		$stop;
	end
endmodule 

这个程序的仿真需要改变一些计数值来进行，否则运行时间过长，无法观察到有效波形，因此就不在此贴出仿真波形图了，想进行仿真的可以自行修改计数时长来观察仿真。

五、遇到的问题：

这个代码不算长也不难，但是我却调试了很久才正确播放，有几个细节问题导致了错误，希望对你有用：
1.设置寄存器的长度：cycle这个数值的长度不对是我一开始无法正确播放音乐的原因，因为长度不够，所以频率截止了，导致每个音都是同样的音调。
2.ROM调用时的地址长度，如果选小了就会一句音乐循环播放了。

总结

写完代码就可以上板听音乐了，但蜂鸣器的声音着实是不太好听，可以学着用扬声器（喇叭）来进行播放，音质会好很多。