基于FPGA的电子琴设计（按键和蜂鸣器）---第一版---郝旭帅电子设计团队

本篇为各位朋友介绍基于FPGA的电子琴设计（按键和蜂鸣器）----第一版。

功能说明：

外部输入七个按键，分别对应音符的“１、２、３、４、５、６、７”，唱作do、re、mi、fa、sol、la、si。当某个按键按下时，蜂鸣器发出对应的声音----1. 默认发出0.2秒（可以调整）。2. 蜂鸣器发出对应的中音。

使用平台：本次设计应用Altera的平台设计（芯片：EP4CE10F17C8N）。

仿真平台：Modelsim。

作者QQ：746833924

说明：本篇设计中不涉及到IP和原语，代码在其他平台依然可以适用；当其他板卡电路不同时，会导致不同的现象出现，如有需要修改代码请联系作者；如需作者使用的板卡，请联系作者；

蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。

蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。

压电式蜂鸣器 压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。当接通电源后(1.5_{15V直流工作电压),多谐振荡器起振,输出1.5}2.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。

电磁式蜂鸣器电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。

按照内部有无震荡源可以分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器。有源蜂鸣器内部带震荡源，所以只要一通电就会发出声音;而无源内部不带震荡源，所以如果用直流信号无法令其鸣叫。必须用一定频率的方波去驱动它。

蜂鸣器给予不同的频率是可以发出近似1、2、3、4、5、6、7这七个基本音符。

设计思想如下：

    key_ctrl模块负责将外部的按键信号进行消抖，并且产生对应边沿变化时的脉冲；piano_beep_ctrl模块负责根据脉冲信号产生输出控制脉冲（一个周期）和应该输出音符对应波形的半周期数；beep_ctrl模块根据piano_beep_ctrl产生脉冲时，接收半周期数，然后产生对应的方波持续0.2秒。

key_ctrl模块设计思想为：按键信号是由外部机械式按键产生，每次按下或者抬起时，会产生一定的抖动。如果直接对其进行边沿检测就会导致多次触发。故而需要设计按键消抖，进而对消抖之后的波形进行边沿检测。消抖原理为：外部按键信号发生改变后，如果能够持续20ms，没有新的改变，就认为此次改变不是抖动，而是真正的按下，然后进行采样即可。

// 记录任意边沿之后没有遇到新的边沿的时间长度是否达到20Ms

//---------------------------------------------------------------------------------------

always@(posedgeclk)begin

if(rst_n ==1'b0)

 cnt_20ms <=20'd0;

else

 if(pulse_key_negedge ==1'b1||pulse_key_posedge ==1'b1)

   cnt_20ms <=20'd1;

 else

   if(cnt_20ms >20'd0&&cnt_20ms <T_20ms)

     cnt_20ms <=cnt_20ms +1'b1;

   else

       cnt_20ms <=20'd0;

end

// ---------------------------------------------------------------------------------------

// 任意边沿之后没有遇到新的边沿的时间长度达到20Ms，认为按键稳定，此时采样

//--------------------------------------------------------------------------------------

initial key_wave = 1'b1;

always@(posedgeclk)begin

if(rst_n ==1'b0)

 key_wave <=1'b1;

else

 if(cnt_20ms ==T_20ms)

   key_wave <=key_rr;

 else

   key_wave <=key_wave;

end

//--------------------------------------------------------------------------------------

// 对消抖之后的按键信号进行边沿检测

//---------------------------------------------------------------------------------------------

initialkey_wave_r =1'b1;

always@(posedgeclk)key_wave_r <=key_wave;

assignflag_neg =(key_wave_r ==1'b1&&key_wave ==1'b0)?1'b1:1'b0;

assignflag_pos =(key_wave_r ==1'b0&&key_wave ==1'b1)?1'b1:1'b0;

//--------------------------------------------------------------------------------------------

piano_beep_crtl模块中，计算半周期数的方法如下：

假如要发出中音“1”，就需要输出频率为523.3hz的方波。此方波对应的周期为1910949.742021785 ns，我们取1910950ns。因为我们使用的基本时钟为50MHz，周期为20ns，以及我们预计计数一半取反来生成方波，所以只需要计数一般，即：1910950/2/20 = 47774;

将其他的全部计算出来：

// 1 : 523.3Hz num : 47774

// 2 : 587.3Hz num : 42568

// 3 : 659.3Hz num : 37919

// 4 : 698.5Hz num : 35791

// 5 : 784Hz num : 31888

// 6 : 880Hz num : 28409

// 7 : 987.8Hz num : 25309

// 产生输出脉冲：无论外部那个脉冲有效，都对外产生一个脉冲

always @ (posedge clk) begin

if (rst_n == 1'b0)

 flag <= 1'b0;

else

 flag <= |key_flag;

end

// 如果外部多个脉冲同时有效，那么输出num为0

always @ (posedge clk) begin

if (rst_n == 14'b0)

 num <= 32'd0;

else

 case (key_flag)

   7'b100_0000    :   num <= 32'd47774;

   7'b010_0000    :   num <= 32'd42568;

   7'b001_0000    :   num <= 32'd37919;

   7'b000_1000    :   num <= 32'd35791;

   7'b000_0100    :   num <= 32'd31888;

   7'b000_0010    :   num <= 32'd28409;

   7'b000_0001    :   num <= 32'd25309;

   default        :   num <= 32'd0;

 endcase

end

以上即为piano_beep_ctrl模块的设计思想；

在beep_ctrl中，首先设计一个当输入脉冲时，就让一个计数器cnt_200ms记录0.2秒。

// 外部输入一个脉冲，cnt_200ms计数器记录200ms的时间

// 如果第一个脉冲输入后，没有计时到200ms，第二个脉冲没有任何作用

always @ (posedge clk) begin

if (rst_n == 1'b0)

 cnt_200ms <= 32'd0;

else

 if (flag == 1'b1 && cnt_200ms == 32'd0)

   cnt_200ms <= cnt_200ms + 1'b1;

 else

   if (cnt_200ms > 32'd0 && cnt_200ms < T_200ms - 1'b1)

     cnt_200ms <= cnt_200ms + 1'b1;

   else

     cnt_200ms <= 32'd0;

end

由于外部给予半周期数时，只有一个周期有效，所以需要寄存一下。

//外部输入脉冲时，寄存外部输入的半周期的时钟数

always @ (posedge clk) begin

if (rst_n == 1'b0)

 num_r <= 32'd0;

else

 if (flag == 1'b1 && cnt_200ms == 32'd0)

   num_r <= num;

 else

   num_r <= num_r;

end

当200ms计数器开始计数后，我们启动另外一个计数器ocnt，来记录需要输出方波的半周期数。然后当到半周期数的时候，将输出值取反。

// 当200ms开始计时后，输出计数器开始计数，

// 只需要计数到外部输入的半周期时钟数即可

always @ (posedge clk) begin

if (rst_n == 1'b0)

 ocnt <= 32'd0;

else

 if (cnt_200ms > 32'd0)

   if (ocnt < num_r)

     ocnt <= ocnt + 1'b1;

   else

     ocnt <= 32'd0;

 else

   ocnt <= 32'd0;

end

// 当外部输入的半周期时钟数为0时，蜂鸣器不动作

// 当不为0时，到半周期时钟数，将输出取反

always @ (posedge clk) begin

if (rst_n == 1'b0)

 beep <= 1'b0;

else

 if (num_r == 32'd0)

   beep <= 1'b0;

 else

   if (ocnt == num_r)

     beep <= ~beep;

   else

     beep <= beep;

end

以上即为所有的设计说明。

仿真时，需要将消抖模块中的20ms进行调小，否则仿真的时长将会格外的长。

下板后，经过按下不同的按键，蜂鸣器就可以产生对应的声音。

下板后，演示视频（链接）如下：

https://www.bilibili.com/video/BV1Gk4y1X7XT/?spm_id_from=333.999.0.0&vd_source=b5405faeab8632f02533bcbfc5e52e55

 本设计所有内容（设计代码、设计工程）链接为：

链接：https://pan.baidu.com/s/1VGbPqU9O_k2UBtOGkMJjIQ

提取码：dzye

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