音乐蜂鸣器设计-ISE操作工具

眼镜一米二

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音乐蜂鸣器设计-ISE操作工具

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利用开发板上的蜂鸣器播放一首音乐。

• 硬件介绍
  

蜂鸣器“鸣叫”需要的电流较大，故而采用三极管进行驱动，FPGA控制三极管是否导通。

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。

• 设计原理
  

本例程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。

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0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。

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。

《世上只有妈妈好》的简谱中共有8个四拍，根据上述原理，简谱中存在多个半拍的情况，所以每个四拍我们用8个音符来表示，合计共64个音符。

简谱中有高低中三种音符。用一个位宽为9的存储器，来储存音符。高三位表示高音，中间三位表示中音，低三位表示低音。例：中音5，用9’b000_101_000，低音3，用9’b000_000_011，高音7，用9’b111_000_000。

• 设计架构和信号说明
  

此模块命名为music_beep。

在设计中共分为4个模块：

addr_ctrl模块（地址控制模块）：每1/4秒让地址进行加1，共有64个音符，故而输出地址采用6位即可。

music_mem模块（音符存储模块）：将64个音符存储起来，然后根据地址，将存储的音符进行输出。

music_freq模块（音符转换频率模块）：根据输入的音符以及不同音符所对应的频率，输出对应的频率值。

wave_gen模块（产生对应频率的方波）：根据输入的频率值，产生对应频率的方波。

• addr_ctrl设计实现
  

本模块中首先设计1/4秒的计时器。当到1/4秒时，让输出的addr进行变化：小于63时，进行加一操作；等于63时，进行清零操作。此时蜂鸣器将不断的重复播放这个音乐。

代码设计为：

在设计中，没有直接给出1/4秒的参数，而是首先给出了1秒的参数，然后通过计算得出1/4秒的参数。等设计完成后，我们可以修改参数来达到控制方波速度的功能。

• music_mem设计实现
  

本模块中，根据简谱将64个音符存储起来。通过外部的地址来确定应该输出那个音符。

设计代码为：

在case语句中，首先会判断变量和那个分支相同，并且执行对应的表达式。当和所有的分支都不相同时，执行default后的表达式。

• music_freq设计实现
  

本模块把所有的音符所对应的频率存储起来，根据外部输入的音符查找出对应的频率进行输出。

设计代码为：

在本模块设计时，将所有的频率进行了取整，输出的声音不会有较大的改变。硬件表示小数和输出带有小数精度的频率会加大设计难度，在此不考虑。

• wave_gen设计实现
  

产生波形的方法采用计时器计时半个周期，然后进行取反。利用时钟的频率（50MHz）除以想要的波形的频率，得出分频比（想要波形周期是50MHz波形周期的多少倍），将分频比除以2，得到半个周期的计数值。

设计代码为：

half为半个周期的计数值。

• music_beep设计实现
  

本模块负责将各个模块按照架构图的设计方式进行连接，形成最终的设计。

设计代码为：

通过综合器形成的RTL视图如下：

• RTL仿真
  

在设计中，音符是每1/4秒输出一个，所产生的波形也是1/4秒更换一个频率，仿真时间比较长。此设计中还有对应的频率输出，不太适合进行更改参数仿真。

仿真代码为：

仿真时，仿真时间设置为6秒钟。不要直接写6_000_000_000，在verilog中此延时时间不能够大于32位二进制所表示的时间范围。

仿真时间较长，需要等待较长时间。

可以对输出的波形进行测量，观测输出波形是否为我们想要的频率。

下板后，就可以听到《世上只有妈妈好》的歌曲，通过去修改addr增加1的时间，可以达到控制播放速度的效果。