FPGA 应用 – 蜂鸣器实验

在FPGA 实验中，我们也会使用蜂鸣器作为人机交互的接口，蜂鸣器在硬件设计中经常会被使用。最熟悉的就是我们平时使用的台式计算机。几乎每个计算机都保留了蜂鸣器的功能。蜂鸣器的硬件设计通常比较简单，硬件连接也比较容易，在硬件电路设计中，往往被用来作为调试和警告来使用。比如计算机的蜂鸣器有很多不同的发声方式，代表着不同的硬件状态。部分使用方式列举如下：

1长3短：键盘控制器错误。

1长9短：主板Flash RAM或EPROM错误，BIOS损坏。

不断地响（长声）：内存条未插紧或损坏。

不停地响：电源、显示器未和显卡连接好。

重复短响：电源有问题。

无声音无显示：电源有问题。

所以我们有必要学习蜂鸣器的使用，同时在fpga设计中，如果能够灵活应用蜂鸣器，可以作为帮助我们快速检测 bug 的一个手段。当然在学习中如果能编写出不同音响效果也增加了我们学习FPGA的趣味性。

在PRX100T-D的开发板中，我们使用的是表贴的（SMT） 7.5mm * 7.5mm * 2.5mm 的器件。具体型号可以参考该板的BOM。硬件原理如图1和图2所示：

图1

图2

只要在buzzer 端提供不同频率信号，蜂鸣器就可以连续发声根据官方的手册中提供的图3所示的频响曲线：

图3

从上图我们可以看到，在100hz 到10k hz 下，蜂鸣器可以正常发出声音。（纵坐标单位dB）

根据蜂鸣器的特性，我们设计了一个实验：利用PRX100T-D 开发板中的7个按键，实现 1，2，3，4，5，6，7 （do, re, mi, fa, so, la, si):

1: 523.25Hz, 1911132 ns
2: 587.33Hz, 1702620 ns
3: 659.26Hz, 1516852 ns
4: 698.46Hz, 1431721 ns
5: 783.99Hz, 1275526 ns
6: 880.00Hz, 1136363 ns
7: 987.77Hz, 1012381 ns

FPGA 代码如下：

module TOP#
(
    SIM_MODE = "FALSE"
)
(
    input IN_CLK_50M, //外部时钟
    input [7:1] PB,   //外部按键 消抖后选择需要的使用

    output buzzer,    //buzzer pin 输出pin

    output led        //fpga心跳 
);

//==================================================================================
//时钟模块 复位电路
wire clk_50m;
wire locked;

pll SYS_PLL
(
    .clk_in1 (IN_CLK_50M),

    .locked (locked), 
    .clk_out1 (clk_50m), 
    .reset (1'b0)
);

wire pb_rst; //按键复位脉冲 高电平有效
wire rst_r_n; //复位寄存

assign rst_r_n = locked; //低有效 locked 或按键触发
//==================================================================================
reg [31:0] rst_cnt = 0; //复位延时计数
reg sys_rst_n = 0; //系统时钟 locked 系统复位

always @ (posedge clk_50m)
if(!rst_r_n)
    sys_rst_n <= 0;
else
begin
    if(rst_cnt >= 500) //delay 500ms
        sys_rst_n <= 1;
    else
    begin
        sys_rst_n <= 0; //计数不到 保持复位状态
        rst_cnt <= rst_cnt +1;
    end
end

wire sys_clk = clk_50m; 
//==================================================================================
wire [7:1] pb_flag = 0; // PRX100T-D low level = button press 
always @ (posedge sys_clk)
pb_flag <= ~PB；

//==================================================================================


buzzer_top 
#(
    .MAIN_CLK (50)
)
buzzer_top_inst
(
    .sys_clk (sys_clk), //系统时钟

    .pb_flag (pb_flag),
    .buzzer (buzzer),

    .rst_n (sys_rst_n)
);


//==================================================================================

reg [23:0] led_cnt = 0;
always @ (posedge sys_clk)
if(!sys_rst_n) led_cnt <= 0;
else led_cnt <= led_cnt + 1;

assign led = led_cnt[23];

//==================================================================================
endmodule

端口设计：

input IN_CLK_50M, //外部时钟

input [7:1] PB, //外部按键消抖后选择需要的使用output buzzer, //buzzer pin 输出pinoutput led //fpga心跳

其中 PB 为prx100t上的7个按键，buzzer 为蜂鸣器的输出， led 为 fpga的心跳灯

buzzer 模块例化为：

buzzer_top

.MAIN_CLK (50)

)

buzzer_top_inst

(

.sys_clk (sys_clk), //系统时钟

.pb_flag (pb_flag),

.buzzer (buzzer),

.rst_n (sys_rst_n)

);

由于prx100t-d硬件设计中，按键平时为高，按下键后 PB为低。所以：

reg [7:1] pb_flag = 0; // PRX100T-D low level = button press

always @ (posedge sys_clk) pb_flag <= ~PB;

fpga phy 代码：

localparam CLK_NS = MAIN_CLK == 50 ? 20 : 10;

localparam DO_FREQ_X2 = 1911132/2; // 523.25Hz, 1911132 ns
//=============================================================
reg [23:0] do_ns = 0;
always @ (posedge sys_clk)
if(do_ns >= DO_FREQ_X2) do_ns <= 0;
else do_ns <= do_ns + CLK_NS;

wire do_r = (do_ns >= DO_FREQ_X2) ? 1’b1 : 1’b0; // 523.25Hz, 1911132 ns
always @ (posedge sys_clk)
if(do_r) do_freq <= ~do_freq;

这时 do_freq 输出为 1 （do）对应的频率（523.25Hz），以此类推可以得到其它6个音符的频率，程序细节可以参照工程中的程序。

按键选择代码：

wire [6:0] audio_key = pb_flag;


always @ (posedge sys_clk)
if(!rst_n) buzzer <= 0;
else case (audio_key)
7’b000_0001: buzzer <= do_freq; // 按键1， 选择 do
7’b000_0010: buzzer <= re_freq; // 按键2， 选择 re
7’b000_0100: buzzer <= mi_freq; // 按键3， 选择 mi
7’b000_1000: buzzer <= fa_freq; // 按键4， 选择 fa
7’b001_0000: buzzer <= so_freq; // 按键5， 选择 so
7’b010_0000: buzzer <= la_freq; // 按键6， 选择 la
7’b100_0000: buzzer <= si_freq; // 按键7， 选择 si
default: ;
endcase

总结：本文根据不同的按键，选择do, re, mi, fa, so, la, si 等不同的频率。这里仅介绍了音符的简单设计方法，以此类推只要有足够的按键，全音符，和弦甚至乐曲等音乐内容都可以实现。