FPGA之蜂鸣器播放音乐《花海》
文章目录
- 前言
- 一、蜂鸣器
- 1.蜂鸣器简介:
- 2.有源蜂鸣器:
- 3.无源蜂鸣器:
- 二、简谱常识
- 1.音符时值:
- 2.简谱名:
- 3.简谱名频率:
- 三、程序设计
- 1.调用ROM IP核储存每个简谱名所播放的时间:
- 2.编写频率计数值选用代码及用ROM IP核储存对应选择值:
- 3.PWM产生:
- 4.ROM存储器地址改变:
- 四、整体代码:
- 五、遇到的问题:
- 总结
前言
蜂鸣器是我们常用的电子元器件,本文使用无源蜂鸣器进行音乐《花海》的播放
一、蜂鸣器
1.蜂鸣器简介:
蜂鸣器按其是否带有信号源分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器,有源蜂鸣器内部装有集成电路,不需要音频驱动电路,只需要接通直流电源就可以直接发出声响,而无源蜂鸣器只有外加音频驱动才能发出响声。
2.有源蜂鸣器:
内部自带震荡源,只需要加上适当的直流电源即可发生,程序控制比较简单,通常使用于报警、提示等,但因为声音是固定的,所以无法实现音乐播放。
3.无源蜂鸣器:
相比于有源蜂鸣器,无源蜂鸣器成本更低,声音频率可控,需要输入PWM方波才能驱动其发声,通过改变PWM波的频率,可以实现不同音调的改变;通过改变PWM波的占空比,可以实现声音大小的改变,所以我们只需要产生不同频率和占空比的PWM方波去驱动无源蜂鸣器就能让无源蜂鸣器发出不同的音调了。
二、简谱常识
作为一个资深的只会唱歌,不会看谱子的音乐小白痴,对简谱的理解我是废了九牛二虎之力,问了好几个人,才明白具体原理:
1.音符时值:
4/4拍是指按四分音符为一拍,每小节有四拍,我们按照一拍时间为一秒计算,半拍就是1/2秒,四分之一拍就是1/4秒,如果音符后面加一个圆点,时值延长本身时长的二分之一。
2.简谱名:
中音就是我们常见的Do,Re,Mi,Fa,Sol,La,Si,在下面加一点表示低音,加两点表示超低音,在上面加一点表示高音,加两点表示超高音,本实验中只编码了低、中、高、超高音(因为我找到了这些音的现成频率计数值,所以就没编码超低音,想要更完整的可以自己去搜索一下)
3.简谱名频率:
每个音调的高低,是因为声音频率的不同,以下是各简谱名对应的频率,在播放某一个简谱名时,只需要转换出相应的频率给蜂鸣器就可以了。
三、程序设计
1.调用ROM IP核储存每个简谱名所播放的时间:
我们把一秒分为8份,这样一拍就是8✖一个数,这个数是八分之一秒的计数值,这样我们就得到了每一个简谱名对应的拍数对应的计数值:
time_cycle<=time_music(CLK_FRE1000000/8)**
我们在ROM里面储存的数据即为每个简谱名对应的拍数。
ROM选用单口,位宽8位,深度256即可(可根据储存的简谱长度来做适当调整)。这里给出《花海》的一些简谱时间
可以看到,我们储存了112(0~111)个简谱名,对应的我们在调用ROM的时候需要注意address即地址的长度,一定要大于111,否则就可能出现歌没唱完就结束了的情况。
2.编写频率计数值选用代码及用ROM IP核储存对应选择值:
频率计数值选用代码:
module hz(input wire [7:0]hz_sel,output reg [19:0]cycle
);parameter CLK_FRE = 50 ;always @(*)begincase(hz_sel)8'h01 : cycle <= CLK_FRE*1000000/261 ; //low 1 261Hz8'h02 : cycle <= CLK_FRE*1000000/293 ; //low 2 293Hz8'h03 : cycle <= CLK_FRE*1000000/329 ; //low 3 329Hz8'h04 : cycle <= CLK_FRE*1000000/349 ; //low 4 349Hz8'h05 : cycle <= CLK_FRE*1000000/392 ; //low 5 392Hz8'h06 : cycle <= CLK_FRE*1000000/440 ; //low 6 440Hz8'h07 : cycle <= CLK_FRE*1000000/499 ; //low 7 499Hz8'h11 : cycle <= CLK_FRE*1000000/523 ; //middle 1 523Hz8'h12 : cycle <= CLK_FRE*1000000/587 ; //middle 2 587Hz8'h13 : cycle <= CLK_FRE*1000000/659 ; //middle 3 659Hz8'h14 : cycle <= CLK_FRE*1000000/698 ; //middle 4 698Hz8'h15 : cycle <= CLK_FRE*1000000/784 ; //middle 5 784Hz8'h16 : cycle <= CLK_FRE*1000000/880 ; //middle 6 880Hz8'h17 : cycle <= CLK_FRE*1000000/998 ; //middle 7 998Hz8'h21 : cycle <= CLK_FRE*1000000/1046 ; //high 1 1046Hz8'h22 : cycle <= CLK_FRE*1000000/1174 ; //high 2 1174Hz8'h23 : cycle <= CLK_FRE*1000000/1318 ; //high 3 1318Hz8'h24 : cycle <= CLK_FRE*1000000/1396 ; //high 4 1396Hz8'h25 : cycle <= CLK_FRE*1000000/1568 ; //high 5 1568Hz8'h26 : cycle <= CLK_FRE*1000000/1760 ; //high 6 1760Hz8'h27 : cycle <= CLK_FRE*1000000/1976 ; //high 7 1976Hz8'h31 : cycle <= CLK_FRE*1000000/2093 ; //super high 1 2093Hz8'h32 : cycle <= CLK_FRE*1000000/2349 ; //super high 2 2349Hz8'h33 : cycle <= CLK_FRE*1000000/2637 ; //super high 3 2637Hz8'h34 : cycle <= CLK_FRE*1000000/2794 ; //super high 4 2794Hz8'h35 : cycle <= CLK_FRE*1000000/3136 ; //super high 5 3136Hz8'h36 : cycle <= CLK_FRE*1000000/3520 ; //super high 6 3520Hz8'h37 : cycle <= CLK_FRE*1000000/3951 ; //super high 7 3951Hzdefault:cycle<=20'd0;endcaseendendmodule
低音对应的选择值为1-7,中音为11-17,高音为21-27,超高音为31-37。我们在使用ROM进行储存时只需要储存简谱名对应的选择值即可。
ROM选用单口,位宽8位,深度256即可(可根据储存的简谱长度来做适当调整)。这里给出《花海》的一些简谱频率计数值
3.PWM产生:
如何控制PWM方波的产生呢?
首先是PWM频率:
我们需要定义一个频率计数器:cnt_cycle,计数时长为频率计数值,即为我们上面频率选择模块中的cycle,在播放一个频谱名时,计数器记满频率计数值或者本次频谱名播放时间结束,计数器清零。
然后是PWM占空比:
我们需要定义一个PWM占空比数值:duty_data,当占空比为50%时,duty_data=cycle/2,通过调节占空比大小,可以调节声音大小,因为我的蜂鸣器声音有点大,所以我把占空比调到了25%。在频率计数器计数值小于duty_data时,输出到蜂鸣器为0,大于时为1。
//频率计数器
always @(posedge clk or negedge rst_n)
if(!rst_n)cnt_cycle<=1'b0;
else if(cnt_cycle==cycle || cnt==time_cycle)cnt_cycle<=1'b0;
elsecnt_cycle<=cnt_cycle+1'b1;//占空比
assign duty_data=cycle/4;//蜂鸣器输出PWM
always @(posedge clk or negedge rst_n)
if(!rst_n)beep=1'b0;
else if(cnt_cycle>=duty_data)beep=1'b1;
elsebeep=1'b0;
4.ROM存储器地址改变:
每计数完成一个频谱名的时间,地址加一。
//频率rom计数器加一
always @(posedge clk or negedge rst_n)
if(!rst_n)address<=1'b0;
else if(address==8'd111 && cnt==time_cycle)address<=1'b0;
else if(cnt==time_cycle)address<=address+1'b1;
四、整体代码:
RTL代码:
module beep_music(input wire clk,input wire rst_n,output reg beep);parameter CLK_FRE = 50 ;reg [31:0]cnt;wire [19:0]duty_data;reg [7:0]address;wire [7:0]time_music;reg [31:0]time_cycle;wire [7:0]hz_sel;wire [19:0]cycle;reg [19:0]cnt_cycle;time_music time_music0(.address(address),.clock(clk),.q(time_music));hz_sel hz_sel0(.address(address),.clock(clk),.q(hz_sel));hz hz0(.hz_sel(hz_sel),.cycle(cycle));//单个音符时间计数值always @(posedge clk or negedge rst_n)if(!rst_n)time_cycle<=32'd0;elsetime_cycle<=time_music*(CLK_FRE*1000000/8) ;//计时器always @(posedge clk or negedge rst_n)if(!rst_n)cnt<=1'b0;else if(cnt==time_cycle)cnt<=1'b0;elsecnt<=cnt+1'b1;//频率rom计数器加一always @(posedge clk or negedge rst_n)if(!rst_n)address<=1'b0;else if(address==8'd111 && cnt==time_cycle)address<=1'b0;else if(cnt==time_cycle)address<=address+1'b1;//频率计数器always @(posedge clk or negedge rst_n)if(!rst_n)cnt_cycle<=1'b0;else if(cnt_cycle==cycle || cnt==time_cycle)cnt_cycle<=1'b0;elsecnt_cycle<=cnt_cycle+1'b1;//占空比assign duty_data=cycle/4;//蜂鸣器输出PWMalways @(posedge clk or negedge rst_n)if(!rst_n)beep=1'b0;else if(cnt_cycle>=duty_data)beep=1'b1;elsebeep=1'b0;endmodule
仿真测试模块:
`timescale 1ns/1ns
`define clk_period 20module beep_music_tb;reg clk;reg rst_n;wire beep;beep_music beep_music(.clk(clk),.rst_n(rst_n),.beep(beep));initial clk=1'b1;always #(`clk_period/2) clk=~clk;initial beginrst_n=1'b0;#(`clk_period*20+1);rst_n=1'b1;#(`clk_period*100000000);$stop;end
endmodule
这个程序的仿真需要改变一些计数值来进行,否则运行时间过长,无法观察到有效波形,因此就不在此贴出仿真波形图了,想进行仿真的可以自行修改计数时长来观察仿真。
五、遇到的问题:
这个代码不算长也不难,但是我却调试了很久才正确播放,有几个细节问题导致了错误,希望对你有用:
1.设置寄存器的长度:cycle这个数值的长度不对是我一开始无法正确播放音乐的原因,因为长度不够,所以频率截止了,导致每个音都是同样的音调。
2.ROM调用时的地址长度,如果选小了就会一句音乐循环播放了。
总结
写完代码就可以上板听音乐了,但蜂鸣器的声音着实是不太好听,可以学着用扬声器(喇叭)来进行播放,音质会好很多。
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