1 设计要求
以蜂鸣器演奏《世上只有妈妈好》的片段为例，用FPGA设计一个乐曲演奏系统。
2 设计原理
2.1 蜂鸣器的结构原理
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。
按照内部有无振荡源可以为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器。有源蜂鸣器内部带振荡源，所以只要一通电就会发生声音；而无源内部不带振荡源，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，如下图所示。
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。
2.2 简谱分析
乐曲能连续演奏所需要的两个基本数据是：组成乐曲的每个音符的频率值（音调）和每个音符持续的时间（音长）。要演奏乐曲必须考虑两个方面，一个音符或音调，另一个是音长或节拍。本项目研究如何利用蜂鸣器演奏歌曲《世上只有妈妈好》。下图为《世上只有妈妈好》的简谱。
简谱用来记录、传播音乐的工具。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。
（1）音的高低（音调）
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。
（2）音的长短（音长）
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。简谱中用线(减时线、增时线、连音线)、点（符点音符）休止符来表示音的长短。
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，常用于四分音符和小于四分音符的各种音符之后。
休止符，用来表示音乐停顿的符号。
（3）音的强弱
曲谱中有规则的竖线，称小节线。作用是划分小节内的拍数，明确节拍音的强弱规律。 拍子是节拍的时值单位，如2/4、3/4、3/8、6/8 等，表示每小节有几拍/几分音符为一拍。如二拍子: 强、弱 | 强、弱 |……，三拍子: （强、弱、弱 | 强、弱、弱|），四拍子: （强、弱、次强、弱）；等等。
（4）调号与定调
1234567是do、re、mi、fa、so、la、xi。这是音的唱名。那么音名是，1是C，2是D，3是E，4是F，5是G，6是A，7是B。比如说D调，就会表明，1＝D，而D是do re mi的re的音名。所以1＝D的意思就是这个调的do就是re的位置。以此类推，所有的音符都会随着do的变化而变化。C调就是没有升降号 12345671。 那G调为一个升号升4 为567123#45 1=G. D调两个#号为23#4567#12 1=D 其它调类似推出。
（5）各个音符对应的频率
在音乐中有十二平均律的规定：每两个八度音之间的频率相差一倍，在两个八度音之间又分为十二个半音，
2.3 架构设计
此设计共分4各模块：
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。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1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。
music_mem模块（音符存储模块）：根据简谱将64个音符存储起来，然后根据外部的地址，将储存的音符进行输出。
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。产生方波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，将分频比除以2，得到半个周期的计数值。
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信号 |
说明 |
端口/连线 |
FPGA引脚 |
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clk |
系统时钟，50MHz； |
输入端口 |
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rst_n |
复位信号，低电平有效； |
输入端口 |
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Addr[5:0] |
查找音符的地址，存储器存有64个字符，地址线为2^6； |
内部连线 |
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Music[8:0] |
音符，[8:6]为高音，[5:3]为中音，[2:0]为低音；如中音1，编码为000_001_000; |
内部连线 |
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Freq[10:0] |
音符所对应的频率 |
内部连线 |
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beep |
对应频率的方波 |
输出端口 |
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3 设计与实现
3.1 地址控制模块
1 module addr_ctrl( 2 input wire clk, 3 input wire rst_n, 4 output reg [5:0] addr 5 ); 6 7 parameter T_1S = 26'd50_000_000; 8 localparam SEC_1_4 = T_1S/4; 9 10 reg [25:0] cnt; 11 12 always@(posedge clk or negedge rst_n)begin 13 if(rst_n == 1'b0) 14 cnt <= 26'd0; 15 else begin 16 if(cnt < SEC_1_4 - 1'b1) 17 cnt <= cnt + 1'b1; 18 else 19 cnt <= 26'd0; 20 end 21 end 22 23 always@(posedge clk or negedge rst_n)begin 24 if(rst_n == 1'b0) 25 addr <= 6'd0; 26 else if(cnt == SEC_1_4 - 1'b1)begin 27 if(addr < 6'd63) 28 addr <= addr + 1'b1; 29 else 30 addr <= 6'd0; 31 end 32 else 33 addr <= addr; 34 end 35 36 endmodule
3.2 音符存储模块
1 module music_mem( 2 input wire clk, 3 input wire rst_n, 4 input wire [5:0] addr, 5 output reg [8:0] music 6 ); 7 8 always@(posedge clk or negedge rst_n)begin 9 if(rst_n == 1'b0) 10 music <= 9'b000_000_000; 11 else 12 case(addr) 13 6'd0: music <= 9'b000_110_000; 14 6'd1: music <= 9'b000_110_000; 15 6'd2: music <= 9'b000_110_000; 16 6'd3: music <= 9'b000_101_000; 17 6'd4: music <= 9'b000_011_000; 18 6'd5: music <= 9'b000_011_000; 19 6'd6: music <= 9'b000_101_000; 20 6'd7: music <= 9'b000_101_000; 21 22 6'd8: music <= 9'b001_000_000; 23 6'd9: music <= 9'b001_000_000; 24 6'd10: music <= 9'b000_110_000; 25 6'd11: music <= 9'b000_101_000; 26 6'd12: music <= 9'b000_110_000; 27 6'd13: music <= 9'b000_110_000; 28 6'd14: music <= 9'b000_110_000; 29 6'd15: music <= 9'b000_110_000; 30 31 6'd16: music <= 9'b000_011_000; 32 6'd17: music <= 9'b000_011_000; 33 6'd18: music <= 9'b000_101_000; 34 6'd19: music <= 9'b000_110_000; 35 6'd20: music <= 9'b000_101_000; 36 6'd21: music <= 9'b000_101_000; 37 6'd22: music <= 9'b000_011_000; 38 6'd23: music <= 9'b000_011_000; 39 40 6'd24: music <= 9'b000_001_000; 41 6'd25: music <= 9'b000_000_110; 42 6'd26: music <= 9'b000_101_000; 43 6'd27: music <= 9'b000_011_000; 44 6'd28: music <= 9'b000_010_000; 45 6'd29: music <= 9'b000_010_000; 46 6'd30: music <= 9'b000_010_000; 47 6'd31: music <= 9'b000_010_000; 48 49 6'd32: music <= 9'b000_010_000; 50 6'd33: music <= 9'b000_010_000; 51 6'd34: music <= 9'b000_010_000; 52 6'd35: music <= 9'b000_101_000; 53 6'd36: music <= 9'b000_110_000; 54 6'd37: music <= 9'b000_110_000; 55 6'd38: music <= 9'b000_110_000; 56 6'd39: music <= 9'b000_110_000; 57 58 6'd40: music <= 9'b000_011_000; 59 6'd41: music <= 9'b000_011_000; 60 6'd42: music <= 9'b000_011_000; 61 6'd43: music <= 9'b000_010_000; 62 6'd44: music <= 9'b000_001_000; 63 6'd45: music <= 9'b000_001_000; 64 6'd46: music <= 9'b000_001_000; 65 6'd47: music <= 9'b000_001_000; 66 67 6'd48: music <= 9'b000_101_000; 68 6'd49: music <= 9'b000_101_000; 69 6'd50: music <= 9'b000_101_000; 70 6'd51: music <= 9'b000_011_000; 71 6'd52: music <= 9'b000_010_000; 72 6'd53: music <= 9'b000_001_000; 73 6'd54: music <= 9'b000_000_110; 74 6'd55: music <= 9'b000_001_000; 75 76 6'd56: music <= 9'b000_000_101; 77 6'd57: music <= 9'b000_000_101; 78 6'd58: music <= 9'b000_000_101; 79 6'd59: music <= 9'b000_000_101; 80 6'd60: music <= 9'b000_000_101; 81 6'd61: music <= 9'b000_000_101; 82 6'd62: music <= 9'b000_000_101; 83 6'd63: music <= 9'b000_000_101; 84 default: music <= 9'b000_000_101; 85 endcase 86 end 87 88 endmodule
3.3 音符转换频率模块
1 module music_freq( 2 input wire clk, 3 input wire rst_n, 4 input wire [8:0] music, 5 output reg [10:0] freq 6 ); 7 8 always@(posedge clk or negedge rst_n)begin 9 if(rst_n == 1'b0) 10 freq <= 11'd1; //div_freq=sys_clk/(2*freq),freq != 0 11 else 12 case(music) 13 9'b000_000_001 : freq <= 11'd262; 14 9'b000_000_010 : freq <= 11'd294; 15 9'b000_000_011 : freq <= 11'd330; 16 9'b000_000_100 : freq <= 11'd349; 17 9'b000_000_101 : freq <= 11'd392; 18 9'b000_000_110 : freq <= 11'd440; 19 9'b000_000_111 : freq <= 11'd494; 20 21 9'b000_001_000 : freq <= 11'd523; 22 9'b000_010_000 : freq <= 11'd587; 23 9'b000_011_000 : freq <= 11'd659; 24 9'b000_100_000 : freq <= 11'd699; 25 9'b000_101_000 : freq <= 11'd784; 26 9'b000_110_000 : freq <= 11'd880; 27 9'b000_111_000 : freq <= 11'd988; 28 29 9'b001_000_000 : freq <= 11'd1050; 30 9'b010_000_000 : freq <= 11'd1175; 31 9'b011_000_000 : freq <= 11'd1319; 32 9'b100_000_000 : freq <= 11'd1397; 33 9'b101_000_000 : freq <= 11'd1568; 34 9'b110_000_000 : freq <= 11'd1760; 35 9'b111_000_000 : freq <= 11'd1976; 36 default: freq <= 11'd1; 37 endcase 38 end 39 40 endmodule
3.4 波形产生模块
1 module wave_gen( 2 input wire clk, 3 input wire rst_n, 4 input wire [10:0] freq, 5 output reg beep 6 ); 7 8 parameter F_CLK = 50_000_000; 9 10 wire [25:0] half; 11 reg [25:0] cnt; 12 13 assign half = F_CLK /(2*freq); 14 15 always@(posedge clk or negedge rst_n)begin 16 if(rst_n == 1'b0) 17 cnt <= 26'd0; 18 else 19 if(cnt < half - 1'b1) 20 cnt <= cnt + 1'b1; 21 else 22 cnt <= 26'd0; 23 end 24 25 always@(posedge clk or negedge rst_n)begin 26 if(rst_n == 1'b0) 27 beep <= 1'b0; 28 else 29 if(cnt == half - 1'b1) 30 beep <= ~beep; 31 else 32 beep <= beep; 33 end 34 35 endmodule
3.5 顶层模块
1 module music_beep( 2 input wire clk, 3 input wire rst_n, 4 output wire beep 5 ); 6 7 wire [5:0] addr; 8 wire [8:0] music; 9 wire [10:0] freq; 10 11 addr_ctrl addr_ctrl_inst( 12 .clk (clk), 13 .rst_n (rst_n), 14 .addr (addr) 15 ); 16 17 music_mem music_mem_inst( 18 .clk (clk), 19 .rst_n (rst_n), 20 .addr (addr), 21 .music (music) 22 ); 23 24 music_freq music_freq_inst( 25 .clk (clk), 26 .rst_n (rst_n), 27 .music (music), 28 .freq (freq) 29 ); 30 31 wave_gen wave_gen_inst( 32 .clk (clk), 33 .rst_n (rst_n), 34 .freq (freq), 35 .beep (beep) 36 ); 37 38 endmodule
4 仿真与验证
4.1 地址控制模块的仿真
1 `timescale 1ns/1ps 2 3 module addr_ctrl_tb(); 4 5 reg clk; 6 reg rst_n; 7 wire [5:0] addr; 8 9 addr_ctrl addr_ctrl_inst( 10 .clk (clk), 11 .rst_n (rst_n), 12 .addr (addr) 13 ); 14 15 defparam addr_ctrl_inst.T_1S = 20; 16 17 initial clk = 1'b0; 18 always #10 clk = ~clk; 19 20 initial begin 21 rst_n = 1'b0; #51; 22 rst_n = 1'b1; 23 #(20*4*200); 24 $stop; 25 end 26 27 endmodule
4.2 顶层模块仿真测试
1 `timescale 1ns/1ps 2 3 module music_beep_tb(); 4 5 reg clk; 6 reg rst_n; 7 wire beep; 8 9 music_beep music_beep_inst( 10 .clk (clk), 11 .rst_n (rst_n), 12 .beep (beep) 13 ); 14 15 initial clk = 1'b0; 16 always #10 clk = ~clk; 17 18 initial begin 19 rst_n = 1'b0; 20 #21; rst_n = 1'b1; 21 #1_000_000_000; 22 $stop; 23 end 24 25 endmodule
5 参考文献
（1）FPGA零基础学习：基于FPGA的音乐蜂鸣器设计（附代码） - 知乎 (zhihu.com)；
（2）怎样识简谱分析 - 百度文库 (baidu.com)；