基于FPGA的音乐蜂鸣器设计

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。

图1 ：蜂鸣器实物图

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。

首先设计分频器，设计一个1KHz的方波，驱动蜂鸣器，观测蜂鸣器是否会有声音产生。

本小节研究如何利用蜂鸣器演唱一首曲子《世上只有妈妈好》。

下图为《世上只有妈妈好》的简谱。

图2：世上只有妈妈好的简谱

简谱是一种比较简单易学的音乐记谱法。据说简谱是由法国思想家卢梭于1742年发明的。而最早把简谱引进我国的是我国近代音乐教育家沈心工。简谱应该说是一种比较简单易学的音乐记谱法。它的最大好处是仅用7个阿拉伯数字----1234567，就能将万千变化的音乐曲子记录并表示出来.

在简谱中，用以表示音的高低及相互关系的基本符号为七个阿拉伯数字，即１、２、３、４、５、６、７，唱作do、re、mi、fa、sol、la、si，称为唱名。

音符：１２３４５６７

唱名：do re mi fa sol la si

汉字：哆来米发梭拉西

显然，单用以上七个音是无法表现众多的音乐形象的。在实际作品中，还有一些更高或更低的音，如在基本音符上方加记一个"·"，表示该音升高一个八度，称为高音；加记两个" ："，则表示该音升高两个八度，称为倍高音。在基本音符下方加记一个"·"，表示该音降低一个八度，称为低音；加记两个" ："，则表示该音降低两个八度，称为倍低音。

在一般歌曲中，无论是在基本音符上方或下方加记两个以上的"·"的音符都是很少见的。

在简谱中，1、2、3、4、5、6、7这七个基本音符，不仅表示音的高低，而且还是表示时值长短的基本单位，称为四分音符，其他音符均是在四分音符的基础上，用加记短横线"-"和附点"·"表示。

在基本音符右侧加记一条短横线，表示增长一个四分音符的时值。这类加记在音符右侧、使音符时值增长的短横线，称为增时线。增时线越多，音符的时值越长。

在基本音符下方加记一条短横线，表示缩短原音符时值的一半。这类加记在音符下方、使音符时值缩短的短横线，称为减时线。减时线越多，音符的时值越短。

在简谱中，加记在单纯音符的右侧的、使音符时值增长的小圆点"·"，称为附点。加记附点的音符称为附点音符。附点本身并无一定的长短，其长短由前面的单纯音符来决定。附点的意义在于增长原音符时值的一半，常用于四分音符和小于四分音符的各种音符之后。

在《世上只有妈妈好》的简谱中，每两个竖线之间为2秒钟的时长。每两个竖线之间有4个音符时长，但是其中有较多半个音符的长，本设计采用1/4秒为基本单位。

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。

图3 ：各个音符所对应的频率

此模块命名为music_beep，clk为50MHz的时钟，rst_n为低电平有效的复位，beep为蜂鸣器的驱动信号。

图4 ：music_beep的模型

在设计时，首先将简谱中的音符存起来；利用计数器产生1/4秒为周期的脉冲，在此脉冲驱动下，将事先存好的音符一个个输出；根据音符的值，计算出分频比；根据分频比，产生对应频率的波形。将此波形输出即可。

图5 ：架构图

在进行多模块设计时，可以对每个模块只设计端口，将架构完成后。再分别设计每个模块。

《世上只有妈妈好》的简谱中共有8个四拍，每个四拍我们用8个音符来表示，合计共64个音符。在speed_ctrl中，输出的cnt为6位，正好可以表示64个状态。

在speed_ctrl中，每1/8秒让cnt增加1即可。

module
speed_ctrl (

input  
wire            clk,

input  
wire            rst_n,

output 
reg   [5:0]     cnt

);

parameter T_250ms   =   12_500_000;

reg           [25:0]    count;

wire                    flag_250ms;

always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin

if (rst_n == 1'b0)

count <= 26'd0;

else

if (count < T_250ms - 1'b1)

count <= count + 1'b1;

else

count <= 26'd0;

end

assign flag_250ms = (count == T_250ms -
1'b1) ? 1'b1 : 1'b0;

always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin

if (rst_n == 1'b0)

cnt <= 6'd0;

else

if (flag_250ms == 1'b1)

cnt <= cnt + 1'b1;

else

cnt <= cnt;

end

endmodule

图6：speed_ctrl的设计代码

在music_mem中存储音符，存储方式为低音用1到7表示，中音用8到14表示，高音用15到21表示，music为5bit位宽。

module
music_mem (

input  
wire            clk,

input  
wire            rst_n,

input  
wire    [5:0]   cnt,

output 
reg     [4:0]   music

);

// 1  2 
3  4  5 
6  7

// 8  9  10
11 12 13 14

// 15 16 17 18
19 20 21

always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin

if (rst_n == 1'b0)

music <= 5'd0;

else

case (cnt)

6'd0    :  
music <= 5'd13;

6'd1    :  
music <= 5'd13;

6'd2    :  
music <= 5'd13;

6'd3    :  
music <= 5'd12;

6'd4    :  
music <= 5'd10;

6'd5    :  
music <= 5'd10;

6'd6    :  
music <= 5'd12;

6'd7    :  
music <= 5'd12;

6'd8    :  
music <= 5'd15;

6'd9    :  
music <= 5'd15;

6'd10   :  
music <= 5'd13;

6'd11   :  
music <= 5'd12;

6'd12   :  
music <= 5'd13;

6'd13   :  
music <= 5'd13;

6'd14   :  
music <= 5'd13;

6'd15   :  
music <= 5'd13;

6'd16   :  
music <= 5'd10;

6'd17   :  
music <= 5'd10;

6'd18   :  
music <= 5'd12;

6'd19   :  
music <= 5'd13;

6'd20   :  
music <= 5'd12;

6'd21   :  
music <= 5'd12;

6'd22   :  
music <= 5'd10;

6'd23   :  
music <= 5'd10;

6'd24   :  
music <= 5'd8;

6'd25   :  
music <= 5'd6;

6'd26   :  
music <= 5'd12;

6'd27   :  
music <= 5'd10;

6'd28   :  
music <= 5'd9;

6'd29   :  
music <= 5'd9;

6'd30   :  
music <= 5'd9;

6'd31   :  
music <= 5'd9;

6'd32   :  
music <= 5'd9;

6'd33   :  
music <= 5'd9;

6'd34   :  
music <= 5'd9;

6'd35   :  
music <= 5'd10;

6'd36   :  
music <= 5'd12;

6'd37   :  
music <= 5'd12;

6'd38   :  
music <= 5'd13;

6'd39   :  
music <= 5'd13;

6'd40   :  
music <= 5'd10;

6'd41   :  
music <= 5'd10;

6'd42   :  
music <= 5'd10;

6'd43   :  
music <= 5'd9;

6'd44   :  
music <= 5'd8;

6'd45   :  
music <= 5'd8;

6'd46   :  
music <= 5'd8;

6'd47  
:   music <= 5'd8;

6'd48   :  
music <= 5'd12;

6'd49   :  
music <= 5'd12;

6'd50   :  
music <= 5'd12;

6'd51   :  
music <= 5'd10;

6'd52   :  
music <= 5'd9;

6'd53   :  
music <= 5'd8;

6'd54   :  
music <= 5'd6;

6'd55   :  
music <= 5'd8;

6'd56   :  
music <= 5'd5;

6'd57   :  
music <= 5'd5;

6'd58   :  
music <= 5'd5;

6'd59   :  
music <= 5'd5;

6'd60   :  
music <= 5'd5;

6'd61  
:   music <= 5'd5;

6'd62   :  
music <= 5'd5;

6'd63   :  
music <= 5'd5;

default  :  
music <= 5'd0;

endcase

end

endmodule

图7 ：music_mem的设计代码

根据频率和音符的关系，将音符对应的频率值取出来，根据频率值算出分频比。驱动时钟为50MHz，所以分频比为50M除以频率。

module
cal_divnum (

input  
wire              clk,

input  
wire              rst_n,

input  
wire    [4:0]     music,

output 
reg     [31:0]    divnum

);

reg             [31:0]    freq;

always @ * begin

case (music)

5'd1   
: freq =    32'd262;

5'd2   
: freq =    32'd294;

5'd3   
: freq =    32'd330;

5'd4   
: freq =    32'd349;

5'd5   
: freq =    32'd392;

5'd6   
: freq =    32'd440;

5'd7   
: freq =    32'd494;

5'd8   
: freq =    32'd523;

5'd9   
: freq =    32'd587;

5'd10  
: freq =    32'd659;

5'd11  
: freq =    32'd699;

5'd12  
: freq =    32'd784;

5'd13  
: freq =    32'd880;

5'd14  
: freq =    32'd988;

5'd15  
: freq =    32'd1050;

5'd16  
: freq =    32'd1175;

5'd17  
: freq =    32'd1319;

5'd18  
: freq =    32'd1397;

5'd19  
: freq =    32'd1568;

5'd20  
: freq =    32'd1760;

5'd21  
: freq =    32'd1976;

default : freq =    32'd1;

endcase

end

always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin

if (rst_n == 1'b0)

divnum <= 32'd50_000_000;

else

divnum <= 50_000_000/freq;

end

endmodule

图8 ：cal_divmum的设计代码

知道分频数后，利用任意分频的方式，产生对的波形即可。

module
wave_gen (

input  
wire            clk,

input  
wire            rst_n,

input  
wire  [31:0]    divnum,

output 
reg             beep

);

reg           [31:0]    cnt;

always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin

if (rst_n == 1'b0)

cnt <= 32'd0;

else

if (cnt < divnum - 1'b1)

cnt <= cnt + 1'b1;

else

cnt <= 32'd0;

end

always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin

if (rst_n == 1'b0)

beep <= 1'b0;

else

if (cnt < divnum[31:1])

beep <= 1'b0;

else

beep <= 1'b1;

end

endmodule

图9 ：wave_gen的设计代码

设计好上述四个模块后，将它们之前设计架构的连接方式，连接起来。

module
music_beep (

input  
wire              clk,

input  
wire              rst_n,

output 
wire              beep

);

wire          [5:0]       cnt;

wire          [4:0]       music;

wire          [31:0]      divnum;

speed_ctrl speed_ctrl_inst(

.clk                  (clk),

.rst_n                (rst_n),

.cnt                  (cnt)

);

music_mem music_mem_inst(

.clk                  (clk),

.rst_n                (rst_n),

.cnt                  (cnt),

.music                (music)

);

cal_divnum cal_divnum_inst(

.clk                  (clk),

.rst_n                (rst_n),

.music                (music),

.divnum               (divnum)

);

wave_gen wave_gen_inst(

.clk                  (clk),

.rst_n                (rst_n),

.divnum               (divnum),

.beep                 (beep)

);

endmodule

图10 ：music_beep的设计代码

RTL视图如下，和所设计架构相同。

图11 ：RTL视图

在testbench中，将speed_ctrl_inst模块中的T_250ms改成10。

defparam可以重新定义参数。

`timescale
1ns/1ps

module
music_beep_tb;

reg           clk;

reg           rst_n;

wire          beep;

defparam music_beep_inst.speed_ctrl_inst.T_250ms
= 10;

music_beep music_beep_inst(

.clk        (clk),

.rst_n      (rst_n),

.beep       (beep)

);

initial clk = 1'b0;

always # 10 clk = ~clk;

initial begin

rst_n = 1'b0;

# 200

@ (posedge clk);

# 2;

rst_n = 1'b1;

# 20000;

$stop;

end

endmodule

图12 ：testbench代码

由于输出的频率都较低，所以仿真时间都很长。

将参数改小，也只是加快切换输出音符的频率。由于wave_gen模块和分频模块相同，故而不在验证。只看RTL视图中，分频数是不是正确即可。

图13 ：RTL视图

在RTL视图中，也看到cnt每10个周期增长1，然后对应输出音符。音符得出频率，根据频率得出分频数。经过验证，数据都是正确的。

分配管脚，全编译形成下载文件，下板后就可以听到《世上只有妈妈好》的歌曲了。

通过更改speed_crtl中的控制音符前进的速度，可以控制播放的速度。如果将速度控制到1/2秒的话，那么听到的歌曲将会变慢。如果将速度控制到1/8秒的话，那么听到的歌曲将会变快。

设计者：郝旭帅         QQ：746833924     QQ交流群: 173560979