【小月电子】安路国产FPGA开发板系统学习教程-LESSON10无源蜂鸣器驱动
无源蜂鸣器驱动实验例程讲解
根据多年工作经验,总结出的FPGA的设计流程,概括起来总共有以上12步,其中根据项目难易度可省去其中一些步骤。比如非常简单的项目,我们可以省去虚线框里面的步骤,但是我们的入门级课程,即使再简单,也按照这12个步骤来进行讲解。
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1. 需求解读
1.1 需求
按下KEY2蜂鸣器报警,松开KEY2关闭报警
1.2 知识背景
蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器,因其体积小、重量轻、价格低、结构牢靠而广泛应用于报警器、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。本章节将详细介绍如何使用按键去控制蜂鸣器发声。
1 蜂鸣器简介
蜂鸣器按其结构可分为电磁式蜂鸣器和压电式蜂鸣器两种类型。电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳组成。压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器以及共鸣箱、外壳等组成。压电式蜂鸣器是以压电陶瓷的压电效应,来带动金属片的振动而发声;而电磁式蜂鸣器则是用电磁的原理,通电时将金属振动膜吸下,不通电时以振动膜的弹力弹回。由于两种蜂鸣器发声原理不同,电压式结构简单耐用但音调单一、音色差,适用于报警器等设备;而电磁式由于音色好,所以多用于语音、音乐等设备。
蜂鸣器按其是否带有信号源又分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器。有源蜂鸣器的内部装有集成电路,不需要音频驱动电路,只需要接通直流电源就能直接发出声响。而无源蜂鸣器只有外加音频驱动信号才能发出声响。
有源蜂鸣器只能发出固定频率的声音,不适合用来做音乐播放器,为了让我们开发板功能更全面,我们选用无源蜂鸣器, 所以这里为大家介绍无源蜂鸣器的驱动方式。
2. 无源蜂鸣器驱动原理
无源蜂鸣器与有源蜂鸣器不同,因其内部不带震荡源,所以其无法向有源蜂鸣器那样直接用直流信号驱动,这里需要使用PWM方波才能驱动其发声。
如何发出不同的声音呢?上面说到需要使用PWM方波才能驱动其发声,所以这里我们只要控制输入的PWM方波,输入不同频率和占空比的PWM方波发出的声音就不一样了。而不同频率和占空比的方波发出的声音是不同的,其中频率对音调有影响,占空比对音量大小有影响。所以我们只需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。
PWM的频率:是指1秒钟内信号从高电平到低电平再回到高电平的次数(一个周期);也就是 说一秒钟PWM有多少个周期。单位: Hz
PWM的周期与频率的关系:
T=1/f
周期=1/频率
50Hz = 20ms 一个周期
如果频率为50Hz ,也就是说一个周期是20ms 那么一秒钟就有 50个PWM周期
占空比:是一个脉冲周期内,高电平的时间与整个周期时间的比例
单位: % (0%-100%)
表示方式:20%
上图中,周期为T
T1为高电平时间
T2 为低电平时间
假设周期T为 1s ,那么频率就是 1Hz ,高电平时间0.5s ,低电平时间0.5s, 总的占空比(T1/T)就是 0.5 /1 =50%
1.3 硬件设计
图5.有源晶振
1.4 接口说明
信号名 | 方向 | FPGA管脚号 | 说明 |
---|---|---|---|
CLK50M | 输入 | B10 | 时钟信号,50MHZ |
KEY1 | 输入 | E4 | 按下为低电平,松开为高电平,作为复位信号 |
KEY2 | 输入 | B3 | 按下为低电平,松开为高电平,作为蜂鸣器控制信号 |
BEEP | 输出 | F14 | PWM方波,用于驱动无源蜂鸣器 |
总结:通过上述说明,可以将需求解读成:按下KEY2,M13管脚输出一定频率的PWM信号,蜂鸣器发声; 松开按键,M13管脚置为高电平,蜂鸣器停止发声
2. 绘制理论波形图
程序框图
无源蜂鸣器驱动理论波形图
* 通过上图,大家能算出方波(beep)的频率吗?假设时钟clk为50Mhz(周期20ns)一个beep信号周期有2x(pwm_num+1)个clk周期(有同学会问,为什么是pwm_num+1个周期呢?那是因为是从0开始计算的)。所以,beep的周期等于2x(pwm_num+1)20(单位ns),换算成秒等于2x(pwm_num+1)x20/1000/1000/1000,所以频率等于1/(2x( pwm_num +1)x20/1000/1000/1000)单位HZ。假如pwm_num=1000,那么频率等于24975HZ。
3.新建TD工程
为了让工程看起来整洁,同时方便工程移植。我们新建4个文件夹,分别是Project,Source,Sim,Doc。
Project — 工程文件夹,里面放的TD工程
Source — 源代码文件夹,里面放的工程源码(.v文件或.vhd文件)
Sim — 仿真文件夹,里面放的仿真相关的文件
Doc — 存放相关资料,比如数据手册,需求文档等
4.编写代码
///
//QQ:3181961725
//TEL/WX:13540738439
//工程量:Mr Wang
//模块介绍:产生一定频率的方波(PWM波)驱动无源蜂鸣器
///
module alarm_ctrl(input clk ,input rst_n ,input key ,output beep);parameter pwm_num=20000;reg [15:0] cnt=0;reg beep_tmp;//PWM信号assign beep=(key==0)?beep_tmp:1'b1;always@(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)cnt<=0;else if(cnt==pwm_num)cnt<=0;else cnt<=cnt+1;endalways@(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)beep_tmp<=0;else if(cnt==0)beep_tmp<=~beep_tmp;else;end
endmodule
5.编写仿真测试激励文件
仿真框图
仿真测试激励文件(TB文件)
`timescale 1ns/1ps
module alarm_ctrl_tb;reg clk;reg rst_n;reg key;initialbeginclk=0;key=1;//按键未按下rst_n=0;//生成复位激励信号#1000rst_n=1;//生成复位激励信号#1000000key=0;end//生成时钟激励信号always #10 clk<=~clk;//例化被仿真模块alarm_ctrl Ualarm_ctrl(.clk (clk),.rst_n (rst_n),.key (key),.beep ());
endmodule
6.Modelsim仿真
Modelsim仿真一般有两种方法
图形化界面仿真,即所有的操作都是在Modelsim软件界面上来完成,该方式的优点是,简单易学,适用于简单的项目,缺点是操作步骤繁琐。
批处理仿真,这种方式在仿真前需要编写相应的脚本文件,该方式的优点是,一键即可完成仿真,省时省力,缺点是前期需要编写脚本文件。前两讲采用的是图形化界面仿真的方式;为了更贴近工程实际,从第三讲开始,我们就采用批处理方式仿真。具体操作步骤可参考我们的视频教程
仿真出的波形如下图所示:
7.对比波形图
将第二步绘制的理论波形图与第六步Modelsim仿真出来的波形图进行对比,结果一致,说明我们的逻辑设计是正确的。如果发现比对结果不一致,就需要找到不一致的原因,最终要保证对比结果一致。通过对比,理论波形与仿真波形一致,说明功能符合设计要求。
8 添加.v文件
9 绑定管脚并保存约束文件(.adc)
10 编译综合生成BIT文件
11.下载BIT文件
下载成功后,便可以观察到开发板上的实验现象,如果实验现象与设计需求相符,那说明我们的设计是没有问题的,即可进行下一步固化配置文件。
12 固化配置文件
FPGA有一个特性,就是掉电后配置信息会丢失,所以我们需要将配置信息存储在配置芯片(FLASH)中,待开发板上电后,FPGA便会读取配置芯片中的配置信息,这样开发板掉电再上电后同样可正常工作
固化成功后,开发板断电再重新上电,可以观察到开发板仍然可以执行刚刚的功能。
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