文章目录

前言
一、回顾蜂鸣器
二、乐谱知识
- 2.1 音符音频
- 2.2 两只老虎乐谱
三、系统框图
四、模块调用
五、模块原理图
六、工程源码
- 6.1 音符选择模块代码
- 6.2 pwm产生模块代码
- 6.3 顶层模块代码
七、仿真测试
- 7.1 测试代码
- 7.2 仿真结果
八、管脚信息
九、运行效果
总结

前言

通过往期的按键控制蜂鸣器课程，我们了解了蜂鸣器器件，本次课程将使用蜂鸣器，播放我小时候经常听的《两只老虎》音乐，来勾起我童年的回忆。

一、回顾蜂鸣器

我们回顾一下蜂鸣器的知识：

按照工作原理可分为：压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器。
按照音源可分为：有源蜂鸣器和无源蜂鸣器。
有源蜂鸣器：内部有振荡源，直接通以直流电即可发出声音。
无源蜂鸣器：内部无振荡源，需要通以方波、PWM信号才能发出声音。

图1. 蜂鸣器原理图

无源蜂鸣器需要输入一定频率的方波或者脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）信号，蜂鸣器就可以发出声音。输入不同频率的信号，蜂鸣器可以发出不同音色的声音。《红楼梦》中“未见其人先闻其声”指的是王熙凤，就是因为每个人发出的声音频率不同，所以音色也会不同，我们可以通过音色就知道谁是谁。

二、乐谱知识

2.1 音符音频

音频（Audio），指人耳可以听到的声音频率在20HZ~20kHz之间的声波。乐普是由音符组成的，不同的音符拥有不同的频率。音频和周期的关系如下公式所示。
$\frac{1}{f(频率)}\tag1$

表1. 音频表

我们可以根据表中音符频率用公式（1）计算出音符振动的周期，单位微秒。Cyclone IV开发板的晶振是50MHz，振动一次是20纳秒，使用周期时间除以20纳秒得出音符振动的次数。比如高音的DO计算方式如下公式（2）所示。

$\frac{955\times10^3}{20}\tag2=47750$

2.2 两只老虎乐谱

两只老虎乐谱一共有34个音符，1对应DO，2对应RE，3对应MI…。一个音符持续的时间很短，需要设置一个持续时间，重复播放该音符，这样我们才能听得出来。本实验中设置音符持续时间（节拍）300毫秒，要想使两只老虎听起来更完美，同学们下去得学习乐谱中节拍知识，根据乐谱中节拍设置音符的持续时间。

图2. 两只老虎乐谱

三、系统框图

图3. 系统框图

四、模块调用

图4. 模块关系示意图

五、模块原理图

图5. 模块原理图

六、工程源码

6.1 音符选择模块代码

module freq_select
(input  wire     clk  ,//时钟信号input  wire   rst_n,//复位信号output reg        flag//pwm标志);
parameter   CNT_MAX = 24'd14_999_999;//300ms
parameter   NUM_FRE = 6'd33           ;//34个音符
parameter   DO      = 16'd47750       ;//1
parameter   RE      = 16'd42250       ;//2
parameter   MI      = 16'd37900       ;//3
parameter   FA      = 16'd37550       ;//4
parameter   SO      = 16'd31850       ;//5
parameter   LA      = 16'd28400       ;//6
parameter   XI      = 16'd25400       ;//7
reg  [23:0]  cnt_delay   ;//300ms计数器
reg  [5:0]     lut_data    ;//乐谱数据寄存器
reg  [15:0]    cnt_freq    ;//音符音频计数器
reg  [15:0]    freq_data   ;//音符数据寄存器
wire [14:0]  duty_data   ;//占空比数据
wire         end_note    ;//音符结束标志
wire         end_spectrum;//音谱结束标志
//单个音符持续时间计时模块
always@(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)begincnt_delay <= 24'd0;end else if(cnt_delay == CNT_MAX)begincnt_delay <= 24'd0;end else begincnt_delay <= cnt_delay + 1'd1;end
end //音符计时模块
always@(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)begincnt_freq <= 16'd0;end else if(end_note)begincnt_freq <= 16'd0;end else begincnt_freq <= cnt_freq + 1'd1;end
end //音谱计时模块
always@(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)beginlut_data <= 6'd0;end else if(end_spectrum)beginlut_data <= 6'd0;end else if(cnt_delay == CNT_MAX)beginlut_data <= lut_data + 1'd1;end else beginlut_data <= lut_data;end
end //音符查找表模块
always@(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)beginfreq_data <= DO;end else begincase(lut_data)6'd0:   freq_data <= DO;6'd1:   freq_data <= RE;6'd2:   freq_data <= MI;                      6'd3: freq_data <= DO;                  6'd4: freq_data <= DO;                  6'd5: freq_data <= RE;                  6'd6: freq_data <= MI;                  6'd7: freq_data <= DO;                  6'd8: freq_data <= MI;                  6'd9: freq_data <= FA;                  6'd10:    freq_data <= SO;6'd11:  freq_data <= MI;6'd12:  freq_data <= FA;6'd13:  freq_data <= SO;6'd14:  freq_data <= SO;6'd15:  freq_data <= LA;6'd16:  freq_data <= SO;6'd17:  freq_data <= FA;6'd18:  freq_data <= MI;6'd19:  freq_data <= DO;6'd20:  freq_data <= SO;6'd21:  freq_data <= LA;6'd22:  freq_data <= SO;6'd23:  freq_data <= FA;6'd24:  freq_data <= MI;6'd25:  freq_data <= DO;6'd26:  freq_data <= RE;6'd27:  freq_data <= SO;6'd28:  freq_data <= DO;6'd29:  freq_data <= DO;6'd30:  freq_data <= RE;6'd31:  freq_data <= SO;6'd32:  freq_data <= DO;6'd33:  freq_data <= DO;default:freq_data <= DO;endcase  end
end  assign duty_data = freq_data >> 1;//占空比50%assign end_note = cnt_freq == freq_data;
assign end_spectrum = lut_data == NUM_FRE && cnt_delay == CNT_MAX;
//pwm信号产生模块
always@(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)beginflag <= 1'b0;end else beginflag <= (cnt_freq >= duty_data) ? 1'b1 : 1'b0; end
end
endmodule

6.2 pwm产生模块代码

module gen_pwm
(input  wire     clk  ,//时钟input  wire     rst_n,//复位信号input  wire   flag ,//pwm标志信号output reg         beep//蜂鸣器信号
);//pwm控制蜂鸣器模块
always@(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)beginbeep <= 1'b1;end else if(flag)beginbeep <= 1'b0;end     else beginbeep <= 1'b1;end
end
endmodule

6.3 顶层模块代码

module pwm_beep(input  wire clk  ,input  wire rst_n,output wire beep
);parameter   CNT_MAX = 24'd14_999_999;//300ms
parameter   DO      = 16'd47750       ;//1
parameter   RE      = 16'd42250       ;//2
parameter   MI      = 16'd37900       ;//3
parameter   FA      = 16'd37550       ;//4
parameter   SO      = 16'd31850       ;//5
parameter   LA      = 16'd28400       ;//6
parameter   XI      = 16'd25400       ;//7
wire flag;//实例化音频选择模块
freq_select#(
.CNT_MAX     (CNT_MAX),
.DO          (DO)     ,
.RE          (RE)     ,
.MI          (MI)     ,
.FA          (FA)     ,
.SO          (SO)     ,
.LA      (LA)     ,
.XI          (XI)
) u_freq_select(.clk       (clk)  ,
.rst_n       (rst_n),.flag       (flag)
);
//实例化pwm产生模块
gen_pwm u_gen_pwm
(
.clk     (clk)  ,
.rst_n       (rst_n),
.flag        (flag) ,.beep       (beep)
);
endmodule

七、仿真测试

7.1 测试代码

`timescale 1ns/1ns
module pwd_beep_tb();parameter   CNT_MAX = 24'd21;//一个音符持续时间
parameter   DO      = 16'd7;//1
parameter   RE      = 16'd6;//2
parameter   MI      = 16'd5;//3
parameter   FA      = 16'd4;//4
parameter   SO      = 16'd3;//5
parameter   LA      = 16'd2;//6
parameter   XI      = 16'd1;//7
parameter   CYCLE   = 20;
reg     clk  ;
reg     rst_n;
wire    beep ;always #(CYCLE/2) clk = ~clk;initial beginclk   = 1'b0         ;rst_n = 1'b0      ;#(CYCLE)          ;rst_n = 1'b1      ;#(7*CYCLE*CNT_MAX*34);$stop                ;endpwm_beep#(
.CNT_MAX (CNT_MAX),
.DO       (DO)   ,
.RE       (RE)   ,
.MI       (MI)     ,
.FA       (FA)   ,
.SO       (SO)   ,
.LA       (LA)   ,
.XI       (XI)
)    u_pwm_beep(
.clk     (clk)  ,
.rst_n   (rst_n),.beep       (beep)
);
endmodule

7.2 仿真结果

图6. 仿真结果

八、管脚信息

图7. pin planner

元件	管脚
KEY1	E15
KEY2	E16
KEY3	M16
KEY4	M15
CLOCK(时钟)	E1
BUZZER(蜂鸣器)	J1

表2. 管脚信息表

九、运行效果

蜂鸣器播放两只老虎

总结

以上就是本期蜂鸣器播放两只老虎的主要内容，通过本次的学习，同学们下去可以使用蜂鸣器播放其他音乐，只要你手里面有乐谱，原理上是可以编写任何音乐。赶紧行动起来，成为一个会写代码的音乐家吧！谢谢你的观看。

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