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本系列將帶來FPGA的系統性學習，從最基本的數字電路基礎開始，最詳細操作步驟，最直白的言語描述，手把手的“傻瓜式”講解，讓電子、信息、通信類專業學生、初入職場小白及打算進階提升的職業開發者都可以有系統性學習的機會。
系統性的掌握技術開發以及相關要求，對個人就業以及職業發展都有著潛在的幫助，希望對大家有所幫助。后續會陸續更新 Xilinx 的 Vivado、ISE 及相關操作軟件的開發的相關內容，學習FPGA設計方法及設計思想的同時，實操結合各類操作軟件，會讓你在技術學習道路上無比的順暢，告別技術學習小BUG卡破腦殼，告別目前忽悠性的培訓誘導，真正的去學習去實戰應用，這種快樂試試你就會懂的。話不多說，上貨。
音樂蜂鳴器設計
蜂鳴器是一種一體化結構的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應用于計算機、打印機、復印機、報警器、電子玩具、汽車電子設備、電話機、定時器等電子產品中作發聲器件。
圖1 ：蜂鳴器實物圖
蜂鳴器主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器兩種類型。
壓電式蜂鳴器
壓電式蜂鳴器主要由多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器及共鳴箱、外殼等組成。有的壓電式蜂鳴器外殼上還裝有發光二極管。多諧振蕩器由晶體管或集成電路構成，當接通電源后(1.5~15V直流工作電壓)，多諧振蕩器起振，輸出1.5~2.5kHZ的音頻信號，阻抗匹配器推動壓電蜂鳴片發聲。
電磁式蜂鳴器
電磁式蜂鳴器由振蕩器、電磁線圈、磁鐵、振動膜片及外殼等組成。接通電源后，振蕩器產生的音頻信號電流通過電磁線圈，使電磁線圈產生磁場。振動膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下，周期性地振動發聲。
按照內部有無震蕩源可以分為有源蜂鳴器和無源蜂鳴器。有源蜂鳴器內部帶震蕩源，所以只要一通電就會發出聲音;而無源內部不帶震蕩源，所以如果用直流信號無法令其鳴叫。必須用一定頻率的方波去驅動它。
首先設計分頻器，設計一個1KHz的方波，驅動蜂鳴器，觀測蜂鳴器是否會有聲音產生。
本小節研究如何利用蜂鳴器演唱一首曲子《世上只有媽媽好》。
下圖為《世上只有媽媽好》的簡譜。
圖2：世上只有媽媽好的簡譜
簡譜是一種比較簡單易學的音樂記譜法。據說簡譜是由法國思想家盧梭于1742年發明的。而最早把簡譜引進我國的是我國近代音樂教育家沈心工。簡譜應該說是一種比較簡單易學的音樂記譜法。它的最大好處是僅用7個阿拉伯數字----1234567，就能將萬千變化的音樂曲子記錄并表示出來.
在簡譜中，用以表示音的高低及相互關系的基本符號為七個阿拉伯數字，即１、２、３、４、５、６、７，唱作do、re、mi、fa、sol、la、si，稱為唱名。
音符：１２３４５６７
唱名：do re mi fa sol la si
漢字：哆來米發梭拉西
顯然，單用以上七個音是無法表現眾多的音樂形象的。在實際作品中，還有一些更高或更低的音，如在基本音符上方加記一個"·"，表示該音升高一個八度，稱為高音；加記兩個" ："，則表示該音升高兩個八度，稱為倍高音。在基本音符下方加記一個"·"，表示該音降低一個八度，稱為低音；加記兩個" ："，則表示該音降低兩個八度，稱為倍低音。
在一般歌曲中，無論是在基本音符上方或下方加記兩個以上的"·"的音符都是很少見的。
在簡譜中，1、2、3、4、5、6、7這七個基本音符，不僅表示音的高低，而且還是表示時值長短的基本單位，稱為四分音符，其他音符均是在四分音符的基礎上，用加記短橫線"-"和附點"·"表示。
在基本音符右側加記一條短橫線，表示增長一個四分音符的時值。這類加記在音符右側、使音符時值增長的短橫線，稱為增時線。增時線越多，音符的時值越長。
在基本音符下方加記一條短橫線，表示縮短原音符時值的一半。這類加記在音符下方、使音符時值縮短的短橫線，稱為減時線。減時線越多，音符的時值越短。
在簡譜中，加記在單純音符的右側的、使音符時值增長的小圓點"·"，稱為附點。加記附點的音符稱為附點音符。附點本身并無一定的長短，其長短由前面的單純音符來決定。附點的意義在于增長原音符時值的一半，常用于四分音符和小于四分音符的各種音符之后。
在《世上只有媽媽好》的簡譜中，每兩個豎線之間為2秒鐘的時長。每兩個豎線之間有4個音符時長，但是其中有較多半個音符的長，本設計采用1/4秒為基本單位。
蜂鳴器給予不同的頻率是可以發出近似1、2、3、4、5、6、7這七個基本音符。
圖3 ：各個音符所對應的頻率
此模塊命名為music_beep，clk為50MHz的時鐘，rst_n為低電平有效的復位，beep為蜂鳴器的驅動信號。
圖4 ：music_beep的模型
在設計時，首先將簡譜中的音符存起來；利用計數器產生1/4秒為周期的脈沖，在此脈沖驅動下，將事先存好的音符一個個輸出；根據音符的值，計算出分頻比；根據分頻比，產生對應頻率的波形。將此波形輸出即可。
圖5 ：架構圖
在進行多模塊設計時，可以對每個模塊只設計端口，將架構完成后。再分別設計每個模塊。
《世上只有媽媽好》的簡譜中共有8個四拍，每個四拍我們用8個音符來表示，合計共64個音符。在speed_ctrl中，輸出的cnt為6位，正好可以表示64個狀態。
在speed_ctrl中，每1/8秒讓cnt增加1即可。
speed_ctrl 模塊的設計代碼如下：
在music_mem中存儲音符，存儲方式為低音用1到7表示，中音用8到14表示，高音用15到21表示，music為5bit位寬。
music_mem模塊的設計代碼如下：
根據頻率和音符的關系，將音符對應的頻率值取出來，根據頻率值算出分頻比。驅動時鐘為50MHz，所以分頻比為50M除以頻率。
cal_divmum模塊的設計代碼如下：
知道分頻數后，利用任意分頻的方式，產生對的波形即可。
wave_gen模塊的設計代碼如下：
設計好上述四個模塊后，將它們之前設計架構的連接方式，連接起來。
music_beep頂層模塊的設計代碼如下：
RTL視圖如下，和所設計架構相同。
圖11 ：RTL視圖
在testbench中，將speed_ctrl_inst模塊中的T_250ms改成10。
testbench代碼如下：
由于輸出的頻率都較低，所以仿真時間都很長。
將參數改小，也只是加快切換輸出音符的頻率。由于wave_gen模塊和分頻模塊相同，故而不在驗證。只看RTL視圖中，分頻數是不是正確即可。
圖13 ：RTL視圖
在RTL視圖中，也看到cnt每10個周期增長1，然后對應輸出音符。音符得出頻率，根據頻率得出分頻數。經過驗證，數據都是正確的。
分配管腳，全編譯形成下載文件，下板后就可以聽到《世上只有媽媽好》的歌曲了。
通過更改speed_crtl中的控制音符前進的速度，可以控制播放的速度。如果將速度控制到1/2秒的話，那么聽到的歌曲將會變慢。如果將速度控制到1/8秒的話，那么聽到的歌曲將會變快。
編輯：黃飛
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工商網監
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