小梅哥Xilinx FPGA学习笔记20——无源蜂鸣器驱动设计与验证（音乐发生器设计）

一：章节导读

二：无源蜂鸣器驱动原理

三：PWM 发生器模块设计

3.1 PWM 发生器模块框图

3.2 PWM 发生器模块接口功能描述

3.3 PWM波生成设计文件代码

3.4 测试仿真文件

3.5 测试仿真结果

3.6 板级调试与验证之顶层文件设计

四：基于 PWM 波的音乐发生器设计

4.1 “天空之城”乐谱

4.2 get_pitch 模块的代码

4.3 rom配置

4.4 coe文件

4.5 顶层文件设计

4.6 仿真验证代码

4.7 仿真结果

4.8 板上验证

一：章节导读

蜂鸣器是一种产生声音的器件。其广泛应用于报警器、电子玩具、汽车电子设备、定时器等电子产品中作为发声器件。本章将介绍 ACZ702 开发板上使用的蜂鸣器电路，并使用 FPGA 来实现驱动无源蜂鸣器按照“哆来咪发梭拉西”7个音调发声。并在此基础上实现 “天空之城”的音乐发生器。

蜂鸣器按照构造方式的不同，可分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型，由于两种蜂鸣器发音原理不同，压电式结构简单耐用但音调单一音色差，适用于报警器等设备。而电磁式由于音色好，所以多用于语音、音乐等设备。

蜂鸣器按照驱动电路的不同可以分为有源蜂鸣器与无源蜂鸣器。有源蜂鸣器内部带震荡源，所以只要通电就会鸣叫；而无源蜂鸣器内部不带震荡源，因此如果用直流信号无法令其鸣叫，这就需要用 2K-5K 的方波（声音频率）去驱动。ACZ702 开发板上使用了一枚 3.3V 直流电压驱动的电磁式无源蜂鸣器。其原理图如下图所示：

BEEP 端口接FPGA 输出管脚，使用时只需要在 BEEP 信号上输入 2~5KHz 的 PWM 波，就能

驱动蜂鸣器按照既定的频率产生振动信号。

二：无源蜂鸣器驱动原理

通过前面对无源蜂鸣器的特点介绍可知，要使无源蜂鸣器能够正常发声，需要在控制端 BEEP 给出相应频率的 PWM 波。因此，对于无源蜂鸣器的控制，就转化为了设计一个 PWM 波发生电路。因此，接下来将介绍 PWM 波的发生部分相关设计。

PWM 波即脉冲宽度调制，以下为周期为 1KHz ，脉冲宽度（占空比）为 20%的示意图

由上图可知，当信号周期一定，信号高电平时间所占信号周期的百分比不一样，即为不同占空比的 PWM 波。而除了调整 PWM 信号的占空比， PWM 信号的周期也是可以调整的，对于不同的器件，对驱动信号的频率要求也不一样，还需要能够对 PWM 波的频率进行调整。

通过以上分析，可以看出，要设计一个 PWM 发生电路，需要能够实现对信号的频率和占空比的调节。在 单片机或者 DSP 中，产生 PWM 波的方法就是使用片上定时器进行循环计数，通过设定定时器的一个定时周期时长来确定对应输出 PWM 信号的频率，同时还有一个比较器，该比较器比较定时器的实时计数值与用户设定的比较值的大小，根据比较结果来控制输出信号的电平高低。

通过设定不同的比较值，即可实现不同占空比的 PWM 信号输出。使用定时器产生 PWM 原理图如下：

三：PWM 发生器模块设计

对于 FPGA 来说，要产生 PWM 波，也可以借鉴单片机或 DSP 使用定时器产生 PWM 波的思路。依据 PWM 模块发生器原理可知需设计两个主要电路：定时器 / 计数器电路以及输出比较电路。

3.1 PWM 发生器模块框图

3.2 PWM 发生器模块接口功能描述

最终输出 PWM 波的频率计算公式为：

其中，这里的 counter_arr 是自减计数器的预重装值，计数器是从 counter_arr开始递减到 1 。因此，当输出频率确定时，可计算得到预重装值，计算公式为：

例如，当希望设置输出信号频率为 5KHz 时

因此，只需要设置 counter_arr 值为 10000 即可使得最终输出信号频率为5KHz 。

当输出 PWM 频率确定后，其输出占空比计算则为输出比较值与预重装值

之商。计算公式为：

因此，当输出占空比确定时，可计算得到输出比较值，计算公式为：

在运行过程中，修改预重装值可以设置输出 PWM 信号的频率，并将同时影响输出占空比，而在预重装值确定的情况下，修改输出比较值，则可以设置输出占空比。

3.3 PWM波生成设计文件代码

module pwm_gen(
    input clk,
    input reset_n,
    input pwm_gen_en,//使能信号
    input [31:0]counter_arr,//预重装值，用来设定频率
    input [31:0]counter_crr,//比较值，用来调节占空比
    output reg pwm_out//输出pwm波
    );
   
reg [31:0]pwm_gen_cnt;
    
always@(posedge clk or negedge reset_n)
    if(!reset_n)    
        pwm_gen_cnt <= counter_arr;
    else if(pwm_gen_en)begin
        if(pwm_gen_cnt <= 1)    
            pwm_gen_cnt <= counter_arr;  //计数减到 1，加载预重装寄存器值  
        else
            pwm_gen_cnt <= pwm_gen_cnt - 1;   //计数器自减 1
    end
    else               //未使能时，计数器值等于预重装寄存器值
        pwm_gen_cnt <= counter_arr;
        
 always@(posedge clk or negedge reset_n)
    if(!reset_n)      
        pwm_out <= 0;//复位时，PWM 输出低电平
    else if(pwm_gen_cnt <= counter_crr)  //计数值小于比较值，PWM 输出高电平
        pwm_out <= 1;   
    else   
        pwm_out <= 0;        //计数值大于比较值，PWM 输出低电平     
endmodule

3.4 测试仿真文件

`timescale 1ns / 1ps
module pwm_gen_tb();

reg clk;
reg reset_n;
reg pwm_gen_en;
reg [31:0]counter_arr;
reg [31:0]counter_crr;
wire pwm_out;

pwm_gen pwm_gen_inst(
    .clk         (clk) ,
    .reset_n     (reset_n) ,
    .pwm_gen_en  (pwm_gen_en) ,//使能信号
    .counter_arr (counter_arr) ,//预重装值，用来设定频率
    .counter_crr (counter_crr) ,//比较值，用来调节占空比
    .pwm_out     (pwm_out)    //输出pwm波
);

initial clk =1;
always #10 clk = ~clk;

initial begin
    reset_n = 0;
    pwm_gen_en = 0;
    counter_arr =0;
    counter_crr = 0;
    #201;
    reset_n = 1;
    #201;
    counter_arr = 1000; //设置输出信号频率为 50KHz
    counter_crr = 400; //设置输出 PWM 波占空比为 40%
    #100;
    pwm_gen_en = 1; //启动计数以产生 PWM 输出
    #100050;
    counter_crr = 700; //设置输出 PWM 波占空比为 70%
    #100050;
    pwm_gen_en = 0; //停止计数以关闭 PWM 输出
     
    counter_arr = 500; //设置输出信号频率为 100KHz
    counter_crr = 250; //设置输出 PWM 波占空比为 50%
    #100;
    pwm_gen_en = 1; //启动计数以产生 PWM 输出
    #50050;
    counter_crr = 100; //设置输出 PWM 波占空比为 20%
    #50050;
    pwm_gen_en = 0; //停止计数以关闭 PWM 输出
    #200;
    $stop;       
end
endmodule

3.5 测试仿真结果

放大局部波形可知满足测试仿真文件的要求。

3.6 板级调试与验证之顶层文件设计

module pwm_gen_test(
    input clk,
    input reset_n,
    output beep
    );
    
reg  [27:0]delay_500ms; //500ms延时计数器
reg  [2:0] bit_cnt;//位计数器 
reg  [31:0]counter_arr; //预重装值寄存器 
wire [31:0]counter_ccr; //输出比较值   

parameter  MCNT_500ms = 2500_0000;   
//7个音调的预重装值，也叫频率周期
localparam  D1 = 170068, //D 调音 1 
            D2 = 151515, //D 调音 2 
            D3 = 142857, //D 调音 3 
            D4 = 127227, //D 调音 4 
            D5 = 113379, //D 调音 5 
            D6 = 101010, //D 调音 6 
            D7 = 89928 ; //D 调音 7
            
//输出比较值为预重装值一半
assign   counter_ccr = counter_arr >> 1;//右移一位，数值变为一半

pwm_gen pwm_gen_inst(
    .clk                (clk)    ,
    .reset_n            (reset_n)    ,
    .pwm_gen_en         (1)    ,//使能信号
    .counter_arr        (counter_arr)    ,//预重装值，用来设定频率
    .counter_crr        (counter_ccr)    ,//比较值，用来调节占空比
    .pwm_out            (beep)      //输出pwm波
    );   
//500ms持续计数逻辑    
always@(posedge clk or negedge reset_n)
    if(!reset_n)    
        delay_500ms <= 0;
    else if(delay_500ms == MCNT_500ms - 1)
        delay_500ms <= 0;
    else 
        delay_500ms <= delay_500ms + 1;
 //每 500ms 切换一次音调   
always@(posedge clk or negedge reset_n)
    if(!reset_n)    
        bit_cnt <= 0;
    else if(delay_500ms == MCNT_500ms - 1)
        bit_cnt <= bit_cnt + 1;
    else 
        bit_cnt <= bit_cnt;    
    
//根据音调编号给预重装值给相应的值   
always@(posedge clk or negedge reset_n)
    if(!reset_n)
        counter_arr <= 1;
    else begin
        case(bit_cnt)
            0:counter_arr <= 1 ;  
            1:counter_arr <= D1;
            2:counter_arr <= D2;
            3:counter_arr <= D3;
            4:counter_arr <= D4;
            5:counter_arr <= D5;
            6:counter_arr <= D6;
            7:counter_arr <= D7;
        endcase 
    end
endmodule

3.7 管脚约束文件列表

set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports beep]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports clk]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports reset_n]
set_property PACKAGE_PIN G15 [get_ports beep]
set_property PACKAGE_PIN U18 [get_ports clk]
set_property PACKAGE_PIN F20 [get_ports reset_n]

以上代码即可实现蜂鸣器即开始循环播放“哆来咪发梭拉西”7 个音。

四：基于 PWM 波的音乐发生器设计

前面已经实现并上板验证了使用 PWM 产生模块实现对 “ 哆来咪发梭拉西 ”音调的产生。现在将在此基础上结合模块化设计思想，利用蜂鸣器实现播放一段音乐的功能。

这里选取乐谱相对简单点的一首乐谱“天空之城”，在ACZ702 开发板上实现音乐播放。

4.1 “天空之城”乐谱

从简谱看，该音乐是 D 调的，这里的各音符对应的频率对应的是上表中 D调的部分。另外，该音乐为四分之四拍，每个对应为 1 拍。（音符节奏分为一拍、半拍、 1/4 拍、 1/8 拍，）几个特殊音符说明如下（我们规定一拍音符的时间为 1 ；半拍为 0.5 ； 1/4 拍为 0.25 ； 1/8 拍为 0.125…… ）。

（ 1 ）普通音符。如音符 7 ，对应频率 556 ，占 1 拍。

（ 2 ）带下划线音符，表示 0.5 拍；两个下划线是四分之一拍（ 0.25 ）。

（ 3 ）有的音符后带一个点，表示多加 0.5 拍，即 1+0.5 。

（ 4 ）有的音符后带一个“—”，表示多加 1 拍，即 1+1 。

（ 5 ）有的两个连续的音符上面带弧线，表示连音，可以稍微改下连音后面那个音的频率，比如减少或增加一些数值（需自己调试），这样表现会更流畅，其实不做处理，影响也不大。

这里我们采用 ROM 来存储乐谱，然后通过依次读取 ROM 的数据，然后产生对应的音调。存储式采用 5bit 数据对音调进行编码，高 2bit 数据数值 3 ， 2 ， 1 作为高中低音编码，低 3bit 数据数值 1~7 作为 “ 哆来咪发梭拉西 ” 的编码。例如存储的数据 5’b01_011 表示的是低音“ 3 ”。通过这种形式将乐谱进行编码存储在 ROM 中。

在节拍的设计上，如果以 250ms 时间为一拍的时间，半拍的时间是 125ms ，通过上面的乐谱来看，没有低于半拍的，那设计时就以 125ms 为基本单位时间，则 1 拍就是 2 个单位时间，半拍是一个单位时间。 get_pitch 模块一方面产生这 125ms 的单位时间，另一方面在一个个单位时间的控制下产生获取 rom 里音符的编码地址。

4.2 get_pitch 模块的代码

module get_pitch(
    input clk,
    input reset_n,
    output reg [8:0]pitch_num //获取音符 rom 的地址编号
    );
    
reg [23:0]cnt_125ms; //125ms 延时计数器,每个节拍的时间
  
parameter MCNT_125ms_MAX = 6250000; 
//125ms持续计数逻辑   
always@(posedge clk or negedge reset_n)   
    if(!reset_n)    
        cnt_125ms <= 0;       
    else if(cnt_125ms == MCNT_125ms_MAX - 1)
        cnt_125ms <= 0;
    else 
        cnt_125ms <= cnt_125ms + 1;
 
//每125ms切换一次音调的位控制逻辑 （每125ms获取一次音符 rom 的地址编号（递增））
always@(posedge clk or negedge reset_n)   
    if(!reset_n)    
        pitch_num <= 0;       
    else if(cnt_125ms == MCNT_125ms_MAX - 1)
        pitch_num <= pitch_num + 1;
    else 
        pitch_num <= pitch_num ; 
endmodule

4.3 rom配置

存放数据是以“天空之城”的乐谱实际不超过 256 个音符，也就是说初始化文件的数据不超过 512 个数据（数据以半拍为单位进行存储，一个节拍用两个数据存储），这里 ROM 的深度设置为 512 ，没有初始化的 ROM 数据选择使用 0 来进行填充。这样正好让两次音乐播放之间还能留有一定的时间间隔。

4.4 coe文件

文件在下面的百度网盘里

链接：https://pan.baidu.com/s/1w3spnKZWKi7u2du7ML6Prw
提取码：qzof

4.5 顶层文件设计

module music_gen(
    input clk,
    input reset_n,
    output beep
    );
 
reg [31:0]counter_arr ;//预重装值寄存器
wire [31:0]counter_crr; //输出比较值

wire [8:0]pitch_num; //音乐的音调编号，0-->最大值 循环递增
wire [4:0]pitch;   //音乐的音调 
    
localparam       DL1 = 340136, //D 调低音 1
                 DL2 = 303030, //D 调低音 2
                 DL3 = 285714, //D 调低音 3
                 DL4 = 255102, //D 调低音 4
                 DL5 = 226244, //D 调低音 5
                 DL6 = 201613, //D 调低音 6
                 DL7 = 179856, //D 调低音 7
                 D1 = 170068, //D 调音 1 
                 D2 = 151515, //D 调音 2 
                 D3 = 142857, //D 调音 3 
                 D4 = 127227, //D 调音 4 
                 D5 = 113379, //D 调音 5 
                 D6 = 101010, //D 调音 6 
                 D7 = 89928 , //D 调音 7 
                 DH1 = 84889, //D 调高音 1 
                 DH2 = 75643, //D 调高音 2 
                 DH3 = 71429, //D 调高音 3 
                 DH4 = 63613, //D 调高音 4 
                 DH5 = 56689, //D 调高音 5 
                 DH6 = 50505, //D 调高音 6 
                 DH7 = 44964; //D 调高音 7
                 
//根据 rom 存储输出不同的音调输出不同的预置数
always@(posedge clk or negedge reset_n)
    if(!reset_n) 
        counter_arr <= 1;
    else begin
        case(pitch)
            5'b01_001:counter_arr = DL1; //D 调低音 1
            5'b01_010:counter_arr = DL2; //D 调低音 2
            5'b01_011:counter_arr = DL3; //D 调低音 3
            5'b01_100:counter_arr = DL4; //D 调低音 4
            5'b01_101:counter_arr = DL5; //D 调低音 5 
            5'b01_110:counter_arr = DL6; //D 调低音 6
            5'b01_111:counter_arr = DL7; //D 调低音 7
            
            5'b10_001:counter_arr = D1; //D 调音 1 
            5'b10_010:counter_arr = D2; //D 调音 2 
            5'b10_011:counter_arr = D3; //D 调音 3 
            5'b10_100:counter_arr = D4; //D 调音 4 
            5'b10_101:counter_arr = D5; //D 调音 5 
            5'b10_110:counter_arr = D6; //D 调音 6 
            5'b10_111:counter_arr = D7; //D 调音 7
            
            5'b11_001:counter_arr = DH1; //D 调高音 1 
            5'b11_010:counter_arr = DH2; //D 调高音 2
            5'b11_011:counter_arr = DH3; //D 调高音 3
            5'b11_100:counter_arr = DH4; //D 调高音 4 
            5'b11_101:counter_arr = DH5; //D 调高音 5
            5'b11_110:counter_arr = DH6; //D 调高音 6
            5'b11_111:counter_arr = DH7; //D 调高音 7
            default: counter_arr = 32'd1;//休止符
        endcase
    end    


//rom例化
blk_mem_gen_0 your_instance_name (
  .clka(clk),    // input wire clka
  .addra(pitch_num),  // input wire [8 : 0] addra
  .douta(pitch)  // output wire [4 : 0] douta
);

get_pitch  get_pitch(
    .clk(clk),
    .reset_n(reset_n),
    .pitch_num(pitch_num)
    );
              
pwm_gen pwm_gen(
    .clk             (clk),
    .reset_n         (reset_n),
    .pwm_gen_en(1),//使能信号
    .counter_arr(counter_arr),//预重装值，用来设定频率
    .counter_crr(counter_crr),//比较值，用来调节占空比
    .pwm_out(beep)//输出pwm波
);                 
 //设置输出比较值为预重装值一半                
assign  counter_crr = counter_arr >> 1;           
                 
endmodule

4.6 仿真验证代码

`timescale 1ns / 1ps
module music_gen_tb();

reg clk;//系统时钟输入，50M
reg reset_n; //复位信号输入，低有效
wire beep;//pwm 输出信号

music_gen  music_gen(
    .clk(clk),
    .reset_n(reset_n),
    .beep(beep)
);

defparam music_gen.get_pitch.MCNT_125ms_MAX = 24'd6250;//缩短仿真时间

    initial clk = 1;
    always #10 clk = ~clk;

    initial 
    begin
    reset_n = 0;    
    #201;
    reset_n = 1;
    wait(music_gen.pitch_num == 512);//一轮播放结束
    #200;
    $stop;
 
    end
endmodule

4.7 仿真结果

从波形上可以看出，循环音乐循环播放之间有一定的时间间隔，这个与设计预期是一致的。可以放大波形后看，其波形也是与预期设计是一致的。

4.8 板上验证

set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports clk]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports reset_n]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports beep]
set_property PACKAGE_PIN G15 [get_ports beep]
set_property PACKAGE_PIN F20 [get_ports reset_n]
set_property PACKAGE_PIN U18 [get_ports clk]

至此“天空之城”音乐发生器设计完毕。