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前言
蜂鸣器（Buzzer）是现代常用的一种电子发声器，主要用于产生声音信号。它是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，被广泛用于计算机、报警器、电子玩具、定时器等一些列电子产品中。
一、蜂鸣器简介
蜂鸣器按照其驱动方式不同主要分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器，两者的主要区别为蜂鸣器内部是否还有振荡源。一般有源蜂鸣器内部自带振荡源，通电就会发声，而无源蜂鸣器内部不含振荡源，需要外接振荡信号才能发声。
相较于有源蜂鸣器，无源蜂鸣器的成本较低，而我们FPGA开发板上的蜂鸣器一般都是无源蜂鸣器，需要我们对其进行编程配置，我们利用不同的频率变化，控制蜂鸣器发出不同音调的声音。
二、音频音符简介
我们是通过不同的频率去控制蜂鸣器的音调变化的，所以我们想要使蜂鸣器播放音乐，首先我们要直到不同音符所对应的频率，下面是低、中、高音下不同音符的频率对应表：
根据上图可以计算出不同音符振动的周期，我所采用的Cyclong IV开发板上的晶振时钟为50MHZ，每一个周期就是20ns。那么每个音调的分频系数为：50 000 000 / 音调频率（可四舍五入）。
三、任务要求
本次设计的要求就是利用FPGA开发板上的无源蜂鸣器，通过不同振动频率播放歌曲两只老虎。
四、程序设计
1、设计思路
① 首先我们需要计算出每个不同的音符对应的分频系数，由此产生不同的音调，我们需要设计一个分频计数器，来计数当前发出音调的分频系数。
② 然后我们需要一个节拍计数器，我们定义为半拍300ms，一拍500ms。
③ 利用组合逻辑case语句进行设计，将需要的节拍和要发出的音调写入case语句中。
2、程序代码
/*========================================*
filename : beep_music.v
description : 无源蜂鸣器播放音乐实验
time : 2022-11-010
author : 卡夫卡与海
*========================================*/
module beep_music(
input clk ,//系统时钟 50MHZ
input rst_n ,//系统复位
output reg beep //蜂鸣器控制信号
);
//参数定义
//每个音符震动一次所占用的时钟周期
//低音
parameter MIN_DO = 18'd190800,//(50_000_000/262)
MIN_RE = 18'd170050,//(50_000_000/294)
MIN_MI = 18'd151500,//(50_000_000/330)
MIN_FA = 18'd143250,//(50_000_000/349)
MIN_SO = 18'd127550,//(50_000_000/392)
MIN_LA = 18'd113600,//(50_000_000/440)
MIN_XI = 18'd101200;//(50_000_000/494)
//中音
parameter MID_DO = 17'd95600,//(50_000_000/523)
MID_RE = 17'd85150,//(50_000_000/587)
MID_MI = 17'd75850,//(50_000_000/659)
MID_FA = 17'd71600,//(50_000_000/698)
MID_SO = 17'd63750,//(50_000_000/784)
MID_LA = 17'd56800,//(50_000_000/880)
MID_XI = 17'd50600;//(50_000_000/988)
//高音
parameter MAX_DO = 16'd47755,//(50_000_000/1047)
MAX_RE = 16'd42553,//(50_000_000/1175)
MAX_MI = 16'd37907,//(50_000_000/1319)
MAX_FA = 16'd35790,//(50_000_000/1397)
MAX_SO = 16'd31887,//(50_000_000/1568)
MAX_LA = 16'd28409,//(50_000_000/1760)
MAX_XI = 16'd25419;//(50_000_000/1967)
parameter TIME_300ms = 24'd14_999_999,//300ms,半拍
TIME_500ms = 25'd24_999_999;//500ms,一拍
parameter NOTE_NUM = 6'd33;//音符个数 34个
//信号定义
reg [24:0] cnt_delay ;//300ms或500ms计数器
reg [5:0] cnt_note ;//音符计数器
reg [18:0] cnt_freq ;//音符播放计数器
reg [18:0] freq_data ;//音符数据寄存器
wire [17:0] duty_data ;//占空比
wire end_note ;//单个音符播放结束标志
wire end_flag ;//所有音符结束标志
reg [24:0] cnt_delay_r ;
reg flag ;//蜂鸣器输出标志
//300ms计数器 cnt_delay
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
cnt_delay <= 25'd0;
end
else if(cnt_delay == cnt_delay_r)begin
cnt_delay <= 25'd0;
end
else begin
cnt_delay <= cnt_delay + 1'b1;
end
end
//音符计数器 cnt_note
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
cnt_note <= 6'd0;
end
else if(end_flag)begin
cnt_note <= 6'd0;
end
else if(cnt_delay == cnt_delay_r)begin
cnt_note <= cnt_note + 1'b1;
end
else begin
cnt_note <= cnt_note;
end
end
//所有音符结束标志 end_flag
assign end_flag = cnt_note == NOTE_NUM && cnt_delay == cnt_delay_r;
//单个音符振动周期 cnt_freq
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
cnt_freq <= 19'd1;
end
else if(end_note)begin
cnt_freq <= 19'd1;
end
else begin
cnt_freq <= cnt_freq + 1'b1;
end
end
//单个音符结束标志 end_note
assign end_note = (cnt_freq == freq_data);
//音符数据选择 freq_data
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
freq_data <= MAX_DO;
end
else begin
case(cnt_note)
6'd0:begin
freq_data <= MID_DO;
cnt_delay_r <= TIME_300ms;
end
6'd1:begin
freq_data <= MID_RE;
cnt_delay_r <= TIME_300ms;
end
6'd2:begin
freq_data <= MID_MI;
cnt_delay_r <= TIME_300ms;
end
6'd3:begin
freq_data <= MID_DO;
cnt_delay_r <= TIME_300ms;
end
6'd4:begin
freq_data <= MID_DO;
cnt_delay_r <= TIME_300ms;
end
6'd5:begin
freq_data <= MID_RE;
cnt_delay_r <= TIME_300ms;
end
6'd6:begin
freq_data <= MID_MI;
cnt_delay_r <= TIME_300ms;
end
6'd7:begin
freq_data <= MID_DO;
cnt_delay_r <= TIME_300ms;
end
6'd8:begin
freq_data <= MID_MI;
cnt_delay_r <= TIME_300ms;
end
6'd9:begin
freq_data <= MID_FA;
cnt_delay_r <= TIME_300ms;
end
6'd10:begin
freq_data <= MID_SO;
cnt_delay_r <= TIME_500ms;
end
6'd11:begin
freq_data <= MID_MI;
cnt_delay_r <= TIME_300ms;
end
6'd12:begin
freq_data <= MID_FA;
cnt_delay_r <= TIME_300ms;
end
6'd13:begin
freq_data <= MID_SO;
cnt_delay_r <= TIME_500ms;
end
6'd14:begin
freq_data <= MID_SO;
cnt_delay_r <= TIME_300ms;
end
6'd15:begin
freq_data <= MID_LA;
cnt_delay_r <= TIME_300ms;
end
6'd16:begin
freq_data <= MID_SO;
cnt_delay_r <= TIME_300ms;
end
6'd17:begin
freq_data <= MID_FA;
cnt_delay_r <= TIME_500ms;
end
6'd18:begin
freq_data <= MID_MI;
cnt_delay_r <= TIME_500ms;
end
6'd19:begin
freq_data <= MID_DO;
cnt_delay_r <= TIME_300ms;
end
6'd20:begin
freq_data <= MID_SO;
cnt_delay_r <= TIME_300ms;
end
6'd21:begin
freq_data <= MID_LA;
cnt_delay_r <= TIME_300ms;
end
6'd22:begin
freq_data <= MID_SO;
cnt_delay_r <= TIME_300ms;
end
6'd23:begin
freq_data <= MID_FA;
cnt_delay_r <= TIME_500ms;
end
6'd24:begin
freq_data <= MID_MI;
cnt_delay_r <= TIME_500ms;
end
6'd25:begin
freq_data <= MID_DO;
cnt_delay_r <= TIME_300ms;
end
6'd26:begin
freq_data <= MID_RE;
cnt_delay_r <= TIME_500ms;
end
6'd27:begin
freq_data <= MID_SO;
cnt_delay_r <= TIME_500ms;
end
6'd28:begin
freq_data <= MID_DO;
cnt_delay_r <= TIME_500ms;
end
6'd29:begin
freq_data <= 1'b0;
cnt_delay_r <= TIME_500ms;
end
6'd30:begin
freq_data <= MID_RE;
cnt_delay_r <= TIME_500ms;
end
6'd31:begin
freq_data <= MID_SO;
cnt_delay_r <= TIME_500ms;
end
6'd32:begin
freq_data <= MID_DO;
cnt_delay_r <= TIME_500ms;
end
6'd33:begin
freq_data <= 1'b0;
cnt_delay_r <= TIME_500ms;
end
default:begin
freq_data <= MID_DO;
cnt_delay_r <= TIME_300ms;
end
endcase
end
end
//占空比 duty_data
assign duty_data = freq_data >> 3;//移位越多，占空比越高
// flag
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
flag <= 1'b0;
end
else begin
flag <= (cnt_freq >= duty_data) ? 1'b1 : 1'b0;
end
end
//输出 beep
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
beep <= 1'b0;
end
else if(flag)begin
beep <= 1'b1;
end
else begin
beep <= 1'b0;
end
end
endmodule总结
这个原理还是挺简单的，如果感兴趣的话还可以尝试这去写更复杂的音乐，但是这个蜂鸣器的声音真正不是很友好，如果能加一个音频转换器效果应该会好很多。
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