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基于FPGA的蜂鳴器設(shè)計

CHANBAEK ? 來源:小小研究生 ? 作者:xxyjs2020 ? 2023-06-27 18:24 ? 次閱讀

設(shè)計規(guī)劃

驅(qū)動無源蜂鳴器進(jìn)行七個基本音調(diào)“哆來咪發(fā)梭拉西”的循環(huán)鳴叫,每個音階持續(xù)鳴叫0.5s后鳴叫下一個音階。

對于無源蜂鳴器,輸入不同的PWM方波就能發(fā)出不同的聲音。方波的頻率影響音調(diào),占空比影響音量。音調(diào)頻率對應(yīng)表格如下,占空比保持為50%。因此這個實驗我們只要循環(huán)產(chǎn)生占空比為50%的七個音調(diào)頻率即可。

Do Re Mi Fa So La Si
262 294 330 349 392 440 494

現(xiàn)在我們考慮,除了時鐘和復(fù)位,需要幾個計數(shù)器:

1、蜂鳴維持0.5s,(50MHz對應(yīng)20ns)計數(shù)從0-24999999,計數(shù)器名稱cnt。

2、需要蜂鳴7個調(diào),狀態(tài)計數(shù)從0-6,cnt計滿一次就+1,計數(shù)器名稱cnt_500ms。

3、不同的調(diào)對應(yīng)不同頻率,需要一個頻率計數(shù)器freq_cnt。

以Do為例,頻率為262,周期為1/262=3.816794ms。時鐘頻率50MHz,對應(yīng)周期是20ns,即計數(shù)個數(shù)為190840個,對應(yīng)do的freq_cnt計數(shù)從0-190839。占空比為50%,即高電平和低電平的時長一樣,高電平持續(xù)時鐘脈沖個數(shù)為95420。

頻率 262 294 330 349 392 440 494
頻率數(shù)值 190840 170068 151515 143266 127551 113636 101214
占空比數(shù)值 95420 85034 75757 71633 63775 56818 50607

以Re為例的波形圖:

圖片

改變頻率數(shù)值freq_data和占空比計數(shù)duty_data,就可以得到不同頻率的波形。

編寫代碼

module beep
#(
parameter TIME_500MS = 25'd24999, //0.5s計數(shù)值
parameter DO = 18'd190 , //Do頻率262
parameter RE = 18'd170 , //Re頻率294
parameter MI = 18'd151 , //Mi頻率330
parameter FA = 18'd143 , //Fa頻率349
parameter SO = 18'd127 , //So頻率392
parameter LA = 18'd113 , //La頻率440
parameter XI = 18'd101 //Si頻率494
 )
 (
 input wire sys_clk , 
 input wire sys_rst_n , 
 output reg beep 
 );


 //reg define
 reg [24:0] cnt ; //0.5s計數(shù)器
 reg [17:0] freq_cnt ; //音調(diào)計數(shù)器
 reg [2:0] cnt_500ms ; //0.5s個數(shù)計數(shù)
 reg [17:0] freq_data ; //音調(diào)分頻計數(shù)值,取不同的DO,RE...可以得到不同頻率的波形


 //wire define
 wire [16:0] duty_data ; //占空比計數(shù)值,即DO,RE...的一半


 assign duty_data = freq_data > > 1'b1;   //二進(jìn)制右移一位就是原值的1/2


 //cnt:0.5s循環(huán)計數(shù)器
 always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
 if(sys_rst_n == 1'b0)
 cnt <= 25'd0;
 else if(cnt == TIME_500MS )
 cnt <= 25'd0;
 else
 cnt <= cnt + 1'b1;


 //cnt_500ms:對500ms個數(shù)進(jìn)行計數(shù),每個音階鳴叫時間0.5s,7個音節(jié)一循環(huán)
 always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
 if(sys_rst_n == 1'b0)
 cnt_500ms <= 3'd0;
 else if(cnt == TIME_500MS && cnt_500ms == 6)
 cnt_500ms <= 3'd0;
 else if(cnt == TIME_500MS)
 cnt_500ms <= cnt_500ms + 1'b1;


 //不同時間鳴叫不同的音階
 always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
 if(sys_rst_n == 1'b0)
 freq_data <= DO;
 else case(cnt_500ms)
 0: freq_data <= DO;
 1: freq_data <= RE;
 2: freq_data <= MI;
 3: freq_data <= FA;
 4: freq_data <= SO;
 5: freq_data <= LA;
 6: freq_data <= XI;
 default: freq_data <= DO;
 endcase


 //freq_cnt:當(dāng)計數(shù)到音階計數(shù)值或跳轉(zhuǎn)到下一音階時,開始重新計數(shù)
 always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
 if(sys_rst_n == 1'b0)
 freq_cnt <= 18'd0;
 else if(freq_cnt == freq_data || cnt == TIME_500MS)
 freq_cnt <= 18'd0;
 else
 freq_cnt <= freq_cnt + 1'b1;


 //beep:輸出蜂鳴器波形
 always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
 if(sys_rst_n == 1'b0)
 beep <= 1'b0;
 else if(freq_cnt >= duty_data)
 beep <= 1'b1;
 else
 beep <= 1'b0;


 endmodule

定義參數(shù):0.5s的計數(shù)值(用于cnt計數(shù)器的溢出值),七個頻率的計數(shù)值(用于不同時間段的頻率計數(shù)器freq_cnt的溢出值)

定義輸入輸出和中間變量

定義0.5s計數(shù)器:復(fù)位有效時拉低電平;溢出(計數(shù)到TIME_500MS即0.5s)時拉低電平,其他情況+1

定義0.5s個數(shù)計數(shù)器:由于音調(diào)要順序循環(huán)出現(xiàn),需要有個數(shù)計數(shù)器控制音調(diào)出現(xiàn)的時間。復(fù)位有效時拉低電平;溢出(0.5s計數(shù)器溢出且自身計數(shù)到溢出值6)時拉低電平,0.5s計數(shù)器溢出時+1

定義頻率變量:我們使用一個頻率變量,賦予不同的頻率值。音調(diào)的順序和頻率的對應(yīng)就是0.5s個數(shù)計數(shù)器和頻率變量實現(xiàn)的當(dāng)0.5s個數(shù)計數(shù)值為0時,對應(yīng)Do音調(diào),那么頻率變量freq_data=DO。這里采用了case語句,注意需要有default語句

定義頻率計數(shù)器:前面只定義了可音調(diào)順序和頻率的對應(yīng),現(xiàn)在需要把音調(diào)時間和音調(diào)頻率對應(yīng)。我們使用頻率計數(shù)器,讓音調(diào)數(shù)計滿后到下一個音調(diào)。復(fù)位有效時拉低電平;溢出(頻率計數(shù)器計數(shù)到freq_data或者0.5s計數(shù)器溢出)時拉低電平;其他情況+1

定義輸出波形:復(fù)位有效時拉低電平;頻率計數(shù)器為占空比數(shù)值(50%的占空比意味著高電平的持續(xù)時間是音調(diào)的周期的一半,數(shù)值也就是頻率變量的一半),拉高電平,其他時候拉低電平。

圖片

編寫testbench

`timescale 1ns/1ns
module tb_beep();


//reg define
reg sys_clk ; 
reg sys_rst_n ; 


 //對時鐘,復(fù)位信號賦初值
 initial
 begin
 sys_clk = 1'b1;
 sys_rst_n <= 1'b0;
 #100
 sys_rst_n <= 1'b1;
 end


 //產(chǎn)生時鐘信號
 always #10 sys_clk = ~sys_clk;


//Instantiation 


 beep
 #(
 .TIME_500MS(25'd2499), //0.5s計數(shù)值
 .DO (18'd19 ), //"哆"音調(diào)分頻計數(shù)值(頻率262)
 .RE (18'd17 ), //"來"音調(diào)分頻計數(shù)值(頻率294)
 .MI (18'd15 ), //"咪"音調(diào)分頻計數(shù)值(頻率330)
 .FA (18'd14 ), //"發(fā)"音調(diào)分頻計數(shù)值(頻率349)
 .SO (18'd12 ), //"梭"音調(diào)分頻計數(shù)值(頻率392)
 .LA (18'd11 ), //"拉"音調(diào)分頻計數(shù)值(頻率440)
 .XI (18'd10 ) //"西"音調(diào)分頻計數(shù)值(頻率494)
 )
 beep_inst
 (
 .sys_clk (sys_clk ), //系統(tǒng)時鐘,頻率50MHz
 .sys_rst_n (sys_rst_n ), //系統(tǒng)復(fù)位,低有效


 .beep (beep ) //輸出蜂鳴器控制信號
 );


 endmodule

初始化、產(chǎn)生時鐘信號、實例化:為了節(jié)省時間參數(shù)值縮小了

對比波形

圖片

由于節(jié)省時間將參數(shù)縮小了,DO音調(diào)的計數(shù)值是19,時鐘是10ns的變化(周期20ns),因此BEEP在DO音調(diào)的周期是19201000ps=380000ps,且BEEP在RE周期是17201000ps=340000ps。圖中的數(shù)值差異是標(biāo)尺的誤差。

分配管腳

圖片

圖片

全編譯后上板驗證

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