全过程实现一个最简单的FPGA项目之PWM蜂鸣器控制

简单介绍：

设计思路

Verilog HDL硬件语言描述：

语言检测

引脚分配

综合

实现

器件配置

时间不饶人，我快速记录一下这个过程吧。

简单介绍：

蜂鸣器是一种最简单的发声元器件，它的应用也非常广泛，大都是作为报警或发声提醒装置。

PWM即脉冲宽度调制，PWM的输出只有高电平1和低电平0。PWM不停的重复输出周期为T，其中高电平1时间为t的脉冲，t/T是它的占空比，1/T是它的频率。

如下图是PWM信号：

下面是蜂鸣器电路原理及结构：

如下图：

BEEP网络连接到FPGA的IO上，当BEEP = 1时，三极管Q1的BE导通，则CE也导通，那么U4的2端直接接地，因此在它两端有5V的电压，那么蜂鸣器就发声了。同理，BEEP = 0时，Q1截止，U4的2端相当于开路，则蜂鸣器不会发出声音。

如下图：

基于蜂鸣器在FPGA的IO输出1就发声、0则不发声的原理，我们给IO口一个占空比为50%的PWM的信号，让蜂鸣器间歇性的发声鸣叫。

如果它的频率高则发声就显得相对尖锐急促一些，如果它的发声频率低则发声就显得低沉平缓一些。

设计思路

我们期望产生一个输出频率为25Hz（40ms）、占空比为50%的PWM信号去驱动蜂鸣器的发声。

因此，我们使用系统时钟25MHz（40ns）进行计数，每计数1,000,000次，这个计数器就清零重新计算。此外，为了得到输出的PWM占空比为50%，那么我们只要判断计数值小于最大计数值的一半即500000时，输出高电平1，反之输出低电平0。

打开ISE，新建一个工程，然后添加一个源文件，用来设计该电路。

Xilinx虽然早已不更新ISE软件了，目前的主流是VIvado，但是这也不能否认ISE，也就是集成软件环境的强大与人性化，你把代码设计好，然后把各种约束设计好，整个过程，就只需要动动手指，就可以如行云流水般进行了。

Verilog HDL硬件语言描述：

`timescale 1ns / 1ps
//
// Company:
// Engineer:
//
// Create Date:    22:21:57 08/14/2018
// Design Name:
// Module Name:    beep
// Project Name:
// Target Devices:
// Tool versions:
// Description:
//
// Dependencies:
//
// Revision:
// Revision 0.01 - File Created
// Additional Comments: get a 25Hz(40ms) signal to drive beep and system clock is 25MHz(40ns)
//
//
module beep(input  ext_clk_25m,input  ext_rst_n,output  beep);reg beep;reg [19:0] cnt; //20 bit get the maximum number of 1048575;//计数模块，计数达到1000 000次，计数器清零always @ (posedge ext_clk_25m or negedge ext_rst_n)beginif(!ext_rst_n)cnt <= 20'b0;else if(cnt < 20'd999_999)cnt <= cnt + 1'b1;elsecnt <= 20'b0;endalways @ (posedge ext_clk_25m or negedge ext_rst_n)beginif(!ext_rst_n)beep <= 1'b0;else if(cnt < 500_000)beep <= 1'b1;else beep <= 1'b0;endendmodule

如果觉得这个代码的注释比较少，那我把特权同学的代码也贴出来：

module sp6(input ext_clk_25m,    //外部输入25MHz时钟信号input ext_rst_n, //外部输入复位信号，低电平有效output reg beep  //蜂鸣器控制信号，1--响，0--不响);//-------------------------------------
reg[19:0] cnt;      //20位计数器//cnt计数器进行0-999999的循环计数，即ext_clk_25m时钟的1000000分频，对应cnt一个周期为25Hz
always @ (posedge ext_clk_25m or negedge ext_rst_n)    if(!ext_rst_n) cnt <= 20'd0;else if(cnt < 20'd999_999) cnt <= cnt+1'b1;else cnt <= 20'd0;//-------------------------------------//产生频率为25Hz，占空比为50%的蜂鸣器发声信号
always @ (posedge ext_clk_25m or negedge ext_rst_n) if(!ext_rst_n) beep <= 1'b0;else if(cnt < 20'd500_000) beep <= 1'b1; //蜂鸣器响else beep <= 1'b0;       //蜂鸣器不响endmodule

语言检测

代码输入进去之后，我们先测试一下代码是否正确，是否可以综合，需要先进行一下语法检测：

这里就省略了功能（行为）测试，因为我知道没问题。

由于这个小例子比较简单，用的FPGA资源也比较少，所以也没必须进行时序约束啦，时序约束省略。

引脚分配

之后在下图中的位置打开PlanAhead进行综合前的引脚分配：

引脚分配，就是要把硬件描述语言设计的电路的输入输出对应到你的FPGA开发板上，因此你需要知道自己的FPGA开发板的电路图，找到响应的引脚，对应下去：

我的练手的FPGA是Spartan-6，本实验要求的输入无非就是一个输入时钟，一个复位，输出就是一个beep，也就是蜂鸣器输出端。

找到对应的I/O端口：

将PlanAhead打开进行引脚分配，也叫引脚约束，然后保存约束，退出。

上图的中的引脚标准电压，为什么是LVCMOS33，我也不知道，我看特权的教程上就是这么用的。好像我用了别的也没有问题。知道了再说。

综合

之后我就可以进入综合的环节了：

同上，综合之后没什么问题，就可以直接进入实现阶段了，关于这些阶段是什么意思，可见我的另一篇博文：Xilinx FPGA开发流程

这是一篇纯理论分析的博文，本博文算是实践性的博文了。

实现

实现包括，转换、映射、布局布线，这三个过程没问题，我就可以进行下一步，产生一个可配置文件了，也就是一个bit流文件。

器件配置

之后就可以下载把FPGA开发板上进行调试了：

给FPGA上电，然后把仿真器都连接好，就可以进行如下步骤：

双击IMPACT，出现一下界面并点击Boundary Scan（边界扫描）：

右击空白区域，添加Xilinx设备，选择beep.bit：

右击下图中的Xilinx 设备，然后Program：

Program成功之后，你的FPGA上的蜂鸣器就响了。