設計背景：

蜂鳴器是一種一體化結構的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應用于計算機、打印機、復印機、報警器、電子玩具、汽車電子設備、電話機、定時器等電子產品中作發聲器件。在一般設計中，可利用蜂鳴器檢測有些按鍵是否按下，或者有些功能是否正常等，當然如果足夠浪漫，也可以讓蜂鳴器演奏音樂。

設計原理:

本設計使用的是無源蜂鳴器，也可稱為聲響器，原理電路圖如下所示。它沒有內部驅動電路，無源蜂鳴器工作的理想信號為方波，如果給直流，蜂鳴器是不響應的，因為磁路恒定，鉬片不能震動發音。

根據電路圖可知，由于FPGA的驅動能力不夠，這里增加了一個三極管來驅動這個無源蜂鳴器。在驅動時，只需要向蜂鳴器發送一定頻率的方波，就可以使蜂鳴器發聲。那么應該發送怎樣的頻率呢？具體則可參考下表（音節頻率表）：

樂曲能連續演奏所需要的兩個基本數據是：組成樂曲的每個音符的頻率值（音調）和每個音符持續的時間（音長）。因此只要控制FPGA輸出到蜂鳴器的激勵信號頻率的高低和持續時間，就可以使蜂鳴器發出連續的樂曲聲。

在本設計中，由于至芯開發板的晶振為50MHz，所以我們需要一個一個分頻模塊（PLL）產生一個較低的基準頻率（1MHz）。還需要一個空間儲存樂譜，由于樂譜是固定的不需要更改，所以我們選擇ROM IP 核進行存儲。

基準頻率1MHz可分頻得到所有不同頻率的信號。最大的分頻比為1_000_000/262/2。既然是音樂，那么就需要節拍，一般采用4拍，即音長為0.25s，所以還需設計一個模塊，控制每0.25s，ROM地址加1,。如果需要發送一個低音1并維持1秒，則只需要在ROM的連續四個地址中寫入低音1的對應信息即可。

在設計中為了方便在ROM中儲存數據，這里數據格式為8’hAB，其中A暫時為三個值1、2、4，分別表示低音、中音、高音。B暫時為七個值1、2、3、4、5、6、7。比如要產生一個低音1，只需在ROM中存儲8’h11，如要產生一個高音7，只需在ROM中存儲8’h47，以此類推即可。這時，就需要一個解碼模塊，將ROM中的數據還原成音樂發生器所需要的數據。

設計架構圖:

根據上述的分析，得到如下的架構圖：

本設計包括6個模塊，PLL模塊把50MHz的時鐘信號降到1MHz，rom模塊存儲音樂數據，time_counter是一個計數模塊，產生節拍，每到0.25s，輸出的time_finsh變為一個周期的高電平。并發送給addr_gen模塊，產生addr，讓rom輸出下一個地址的數據。rom輸出的數據rom_data輸入到decode解碼模塊，將解碼后的數據music_data輸入到music_gen模塊，通過計數器，如果計數器小于music_data的值，則beep保持不變，否則，beep取反，并且計數器清1，從而產生特定的方波頻率。

設計代碼:

time_counter模塊代碼如下：

0moduletime_counter (clk,rst_n,time_finsh);

1

2inputclk,rst_n;//輸入1Mhz時鐘信號，復位信號

3outputtime_finsh;//輸出時間計數標志位（沒0.25s變高電平一次）

4

5reg[17:0]count;//計數器count

6

7always@(posedgeclk ornegedgerst_n)

8begin

9if(!rst_n)

10count <=18'd0;//計數器復位

11elseif(time_finsh)

12count <=18'd0;//每到0.25s計數器歸零

13else

14count <=count +1'd1;//未到0.25s，計數器繼續累加

15end

16/*****每到0.25s，time_finsh拉高，表示已經達到0.25s*****/

17assigntime_finsh =(count ==18'd249_999)?1'd1:1'd0;

18/*****用于仿真，因為真正的0.25是會仿真很長*****/

19//assign time_finsh = (count == 22'd25_00)? 1'd1 : 1'd0;

20

21endmodule

addr_gen模塊代碼如下：

0moduleaddr_gen (clk,rst_n,addr,time_finsh);

1

2inputclk,rst_n;//輸入1Mhz時鐘信號，復位信號

3inputtime_finsh;//輸入時間計數標記位（每0.25s變高電平一次）

4outputreg[6:0]addr;//輸出給ROM的地址信號

5

6always@(posedgeclk ornegedgerst_n)

7begin

8if(!rst_n)

9addr <=7'd0;//輸出給ROM的地址信號復位

10elseif(time_finsh)//輸出給ROM的地址信號自加1（每0.25s自加1）

11addr <=addr +1'd1;

12else

13addr <=addr;//未夠0.25s,ROM的地址信號不變

14end

15

16endmodule

decode解碼模塊代碼如下：

0moduledecode (clk,rst_n,rom_data,music_data);

1

2inputclk,rst_n;//輸入1Mhz時鐘信號，復位信號

3input[7:0]rom_data;//輸入的ROM的數據

4outputreg[10:0]music_data;//輸出ROM的解碼數據

5

6always@(posedgeclk ornegedgerst_n)

7begin

8if(!rst_n)

9music_data <=11'd0;//輸出ROM的解碼數據復位

10else

11case(rom_data)

128'h11:music_data <=11'd1911;//(1Mhz/261.63Hz)/2)=1191 低音1

138'h12:music_data <=11'd1702;//(1Mhz/293.67Hz)/2)=1702 低音2

148'h13:music_data <=11'd1517;//(1Mhz/329.63Hz)/2)=1517 低音3

158'h14:music_data <=11'd1431;//(1Mhz/349.23Hz)/2)=1431 低音4

168'h15:music_data <=11'd1276;//(1Mhz/391.99Hz)/2)=1276 低音5

178'h16:music_data <=11'd1136;//(1Mhz/440.00Hz)/2)=1136 低音6

188'h17:music_data <=11'd1012;//(1Mhz/493.88Hz)/2)=1012 低音7

19

208'h21:music_data <=11'd939;//(1Mhz/532.25Hz)/2)=939 中音1

218'h22:music_data <=11'd851;//(1Mhz/587.33Hz)/2)=851 中音2

228'h23:music_data <=11'd758;//(1Mhz/659.25Hz)/2)=758 中音3

238'h24:music_data <=11'd716;//(1Mhz/698.46Hz)/2)=716 中音4

248'h25:music_data <=11'd638;//(1Mhz/783.99Hz)/2)=638 中音5

258'h26:music_data <=11'd568;//(1Mhz/880.00Hz)/2)=568 中音6

268'h27:music_data <=11'd506;//(1Mhz/987.76Hz)/2)=506 中音7

27

288'h41:music_data <=11'd478;//(1Mhz/1046.50Hz)/2)=478 高音1

298'h42:music_data <=11'd425;//(1Mhz/1174.66Hz)/2)=425 高音2

308'h43:music_data <=11'd379;//(1Mhz/1318.51Hz)/2)=379 高音3

318'h44:music_data <=11'd358;//(1Mhz/1396.51Hz)/2)=358 高音4

328'h45:music_data <=11'd319;//(1Mhz/1567.98Hz)/2)=319 高音5

338'h46:music_data <=11'd284;//(1Mhz/1760.00Hz)/2)=284 高音6

348'h47:music_data <=11'd253;//(1Mhz/1975.52Hz)/2)=253 高音7

35

368'h00:music_data <=11'd0;//0HZ，停止節拍

37endcase

38end

39

40endmodule

music_gen模塊代碼如下：

0modulemusic_gen (clk,rst_n,music_data,beep);

1

2inputclk,rst_n;//輸入1Mhz時鐘信號，復位信號

3input[10:0]music_data;//輸入音樂頻率控制字

4outputregbeep;//輸出方波

5

6reg[10:0]data,count;//寄存音樂控制字的data，計數器count

7

8always@(posedgeclk ornegedgerst_n)

9begin

10if(!rst_n)

11data <=11'd0;//寄存器data復位

12else

13data <=music_data;//data寄存音樂控制字

14end

15

16always@(posedgeclk ornegedgerst_n)

17begin

18if(!rst_n)

19begin

20count <=11'd1;//計數器復位

21beep <=1'd0;//輸出方波復位

22end

23elseif(data ==11'd0)//當data==11‘d0，（停止節拍）

24begin

25count <=11'd1;//計數器歸一

26beep <=1'd0;//輸出方波歸零

27end

28elseif(count <=data)//當計數器小于等于data的值

29count <=count +1'd1;//計數器繼續累加

30else

31begin

32count <=11'd1;//當計數器大于data的值，計數器歸一

33beep <=~beep;//輸出方波取反

34end

35end

36

37endmodule

beep頂層模塊代碼如下：

0modulebeep (clk,rst_n,beep);

1

2inputclk,rst_n;//輸入50Mhz時鐘信號,復位信號

3outputbeep;//輸出的方波

4

5wireclk_1M,time_finsh;//1Mhz時鐘信號線，0.25s時間計數標記位

6wire[6:0]addr;//rom地址線

7wire[7:0]rom_data;//rom數據線

8wire[10:0]music_data;//rom數據解碼數據線

9

10/*****PLL模塊*****/

11my_pll my_pll_inst(

12.areset(~rst_n),

13.inclk0(clk),

14.c0(clk_1M)

15);

16

17/*****0.25s時間計數器模塊*****/

18time_counter time_counter_inst(

19.clk(clk_1M),

20.rst_n(rst_n),

21.time_finsh(time_finsh)

22);

23

24/*****ROM地址發生器*****/

25addr_gen addr_gen_inst(

26.clk(clk_1M),

27.rst_n(rst_n),

28.addr(addr),

29.time_finsh(time_finsh)

30);

31

32/*****ROM模塊*****/

33my_rom my_rom_inst(

34.address(addr),

35.clock(clk_1M),

36.q(rom_data)

37);

38

39/*****解碼模塊*****/

40decode decode_inst(

41.clk(clk_1M),

42.rst_n(rst_n),

43.rom_data(rom_data),

44.music_data(music_data)

45);

46

47/*****音樂發生器模塊*****/

48music_gen music_gen_inst(

49.clk(clk_1M),

50.rst_n(rst_n),

51.music_data(music_data),

52.beep(beep)

53);

54

55endmodule

beep_tp頂層測試模塊代碼如下：

0`timescale1ns/1ps

1

2modulebeep_tb;

3

4regclk,rst_n;

5wirebeep;

6

7initialbegin

8clk =1;

9rst_n =0;

10#200.1rst_n=1;

11

12//#100000000 $stop;

13end

14

15beep beep_dut(

16.clk(clk),

17.rst_n(rst_n),

18.beep(beep)

19);

20

21always#10clk =~clk;

22

23endmodule

仿真圖:

仿真結果如下：

由仿真圖可知：當rom輸出rom_data為8’h16時，代表輸出低音6，解碼后結果music_data為1136，輸出的beep頻率為440Hz，與實際低音6的音節頻率表的值一致；當rom輸出rom_data為8’h22時，代表輸出中音2，解碼后結果music_data為851，輸出的beep頻率為563Hz，與實際中音2的音節頻率表的值相差24Hz，存在一定的誤差，但是不影響樂曲的播放。如果想提高beep頻率的精度，減小誤差，則可以將1MHz的基準頻率提高。