FPGA蜂鸣器播放音乐

  最近做EDA课设，看到自己的买的板子上有蜂鸣器，所以就打算做一个FPGA控制蜂鸣器播放音乐。
  这里我使用的板子是睿智助学的FPGA开发板，板子上的芯片是EP4CE6E22C8，如果是你使用的是其他开发板或者是自己做的板子，就根据原理图，在写完代码时绑定相应的引脚下载代码即可。
  在FPGA上编写代码来完成播放音乐与使用STM32来实现此功能的思想不同。FPGA是用的硬件描述语言(HDL)去写的，因此在写代码的时候，心里其实就应该有一个硬件结构。根据硬件结构，通过HDL编写代码描述硬件功能，才是正确的思想。【如果把硬件描述语言单纯的认为是纯代码编写是错误的思想，与硬件贴合就是其特点】
  首先还是对音乐进行描述，这一部分我之前在用STM32蜂鸣器播放音乐的地方已经说了，这里就贴一下链接，大家如果对音乐有不明白的地方，可以先去那边文章看看。
【stm32蜂鸣器播放音乐】
  这里我就在简短的说明一下，蜂鸣器的要实现的效果。众所周知，每个音符因为频率不同，所以声音不一样。因为在FPGA上我是用占空比50%的方波来控制蜂鸣器，所以，方波的频率的不同，可以实现产生不同的声音。同时方波的个数，就相当于音符的持续时间。所以乐器要演奏，本质上控制控制方波的频率和方波的个数。
  因此，产生不同的声音就要产生不同频率的方波，不同频率就要对时钟分频。那么唯一的做法就是找一个基准频率时钟，通过修改分频比来产生不同的时钟频率。可是由于音阶频率多为非整数，而分频系数又不能为小数，所以必须将计算得到的分频数进行四舍五入取整。取整就会有误差，所以基准频率不能太小；如果基准频率过大也会导致分频数变大。在实际的设计中要综合考虑两个方面，在尽量减少频率误差的前提下取合适的基准频率。这里推荐的频率是以6MHz为基准频率，对于6MHz的频率要求并不是特别严格，在6MHz左右的基准频率也是可以的，如果想自己用其他的基准频率也是可以的，就是分频数就得自己再算一算。
  这里我参照的是王金明老师的《EDA技术与VerilogHDL设计》这本书。这里摘抄一下书的片段。
  为了减少输出的偶次谐波分量，最后输出到蜂鸣器的波形应为对称方波，因此在到达蜂鸣器之前，有一个二分频的分频器。下表的分频比就是在由6MHz频率二分频得到的3MHz频率的基础上计算得出的。如果用正弦波替代方波驱动蜂鸣器，将会有更好的效果。

  从表中可以看出，最大的分频系数为14468，故采用14位二进制计数器分频即可满足需要。除了给出分频比以外，还给出了对应于各个音阶频率时计数器不同的预置数。对于的分频系数，只要加载不同的预置数即可，对于乐曲中的休止符，只要将分频系数为0，即初始值为$2^{14}-1=16383$即可，此时扬声器不会发声。采用加载预置数实现分频的方法比采用反馈零法节省资源，实现起来也容易一些。
  音符的持续时间根据乐曲的速度及每个音符的节拍数来确定。这里的细节也可以参考我上面的文章。因为我的曲子有32分音符，同时4分音符的持续时间为$0.5s$，所以我需要$8/0.5=16$Hz的频率来产生32分音符的时长。
  关于音符差不多就到这了，接下来就是硬件的构思。首先我们需要一个分频器来产生6MHz的时钟，同时还需要一个分频器来产生16Hz的时钟，然后就是乐谱产生电路，最后一个数码管显示音符。
以下图片是相关模块的设计框图

这里解释一下为什么我上面的模块多了一个分频器，在教材中，它是直接对6MHz分频得到4Hz的频率，而我的曲子有32分音符，所以需要16Hz的频率，如果对6MHz的分频，分频系数就是小数，必然会产生不必要的误差，所以我就把50MHz再送到另一个分频器分频得到500KHz的频率，对这个频率再分频就能得到准确的16Hz时钟了。
关于为什么是对50MHz的时钟分频，这取决于你的板子所采用的时钟源频率，具体可以看你板子的原理图，这里我的板子所使用的晶振是50MHz，所以我是对50MHz进行分频，如果你的板子使用的是不同频率的晶振，就要根据你板子的晶振频率来计算相应的分频系数来到6MHz，以及16Hz（或者其他的频率值）

接下来就是对数码管模块的说明，因为我的数码管是公用8个段的，通过位选来控制点亮相应的数码管，所以我需要动态点亮数码管来在相应位置的数码管显示指定的音符。

如果你的数码管是独立的，即每个数码管有各自的8根段码线连接，那么你的数码管模块输出也是8个为一组作为一数码管的段码，如果要用3个数码管，也就是要24根线（这里也就是数码管的静态显示与动态显示的区别，如果不明白可以在网上查阅其他文章，其他文章应该有把这方面讲明白的，这里我就不再赘述了）
  好了，模块都已经讲清楚了，剩下的就是根据模块来写相应的代码。在实际的编写中，对模块的划分也是相当重要的，比起把代码都写在一个文件里，将不同的功能硬件代码划分出来，可以使代码条理更加清晰，功能明确，同时在后期的检查也十分方便，容易定位错误，也便于测试各个模块的功能。
下面就是贴代码了，具体细节我就都写在代码的注释里了

BrokenMoon2.v文件

module BrokenMoon2(clk50MHz,speaker,dataLed,High,Med,Low);
	input clk50MHz;
	output speaker;
	output[7:0] dataLed;
	output High,Med,Low;
	
	wire clk500KHz_to_clk16Hz;
	wire clk6MHz_to_music;
	wire clk16Hz_to_music;
	wire[3:0] musicHigh_to_LED8s,musicMed_to_LED8s,musicLow_to_LED8s;
	
	CLK6MHz myCLK6MHz(.clk50MHz(clk50MHz),.clk6MHz(clk6MHz_to_music));
	CLK500KHz myCLK500KHz(.clk50MHz(clk50MHz),.clk500KHz(clk500KHz_to_clk16Hz));
	CLK16Hz myCLK16Hz(.clk500KHz(clk500KHz_to_clk16Hz),.clk16Hz(clk16Hz_to_music));
	MUSIC myMUSIC(.clk6MHz(clk6MHz_to_music),.clk16Hz(clk16Hz_to_music),.speaker(speaker),.high(musicHigh_to_LED8s),.med(musicMed_to_LED8s),.low(musicLow_to_LED8s));
	LED8s myLED(.dataH(musicHigh_to_LED8s),.dataM(musicMed_to_LED8s),.dataL(musicLow_to_LED8s),.ledout(dataLed),.high(High),.med(Med),.low(Low));
endmodule 

CLK6MHz.v文件

/*通过时钟频率50MHz的时钟分频得到6MHz的时钟（6MHz是近似，实际是6.25MHz）*/
module CLK6MHz(clk50MHz,clk6MHz);
	input clk50MHz;//输入时钟50MHz
	output reg clk6MHz;//输出时钟6MHz
	reg[2:0] count8;
	always @(posedge clk50MHz) begin
		if(count8 == 7) begin 
			count8 <= 0;
			clk6MHz <= 1;
		end
		else begin
			count8 <= count8+1;
			clk6MHz <= 0;
		end
	end
endmodule 

CLK500KHz.v文件

/*将50MHz时钟分频为500KHz时钟，为得到16Hz时钟做准备*/
module CLK500KHz(clk50MHz,clk500KHz);
	input clk50MHz;
	output reg clk500KHz;
	reg[6:0] count100;
	
	always @(posedge clk50MHz) begin
		if(count100 == 99) begin
			count100 <= 0;
			clk500KHz <= 1;
		end
		else begin
			count100 <= count100+1;
			clk500KHz <= 0;
		end
	end
endmodule 

CLK16Hz.v文件

/*通过对500KHz时钟分频得到16Hz时钟*/
module CLK16Hz(clk500KHz,clk16Hz);
	input clk500KHz;
	output reg clk16Hz;
	reg[15:0] count16;
	
	always @(posedge clk500KHz) begin
		if(count16 == 15625) begin
			clk16Hz <= ~clk16Hz;
			count16 <= 0;
		end
		else count16 <= count16+1;
	end
endmodule 

MUSIC.v文件

module MUSIC(clk6MHz,clk16Hz,speaker,high,med,low);
	input clk6MHz,clk16Hz;
	output reg speaker;
	output reg[3:0] high,med,low;
	
	reg[13:0] divider,origin;
	reg carry;
	reg[7:0] counter;//曲子长度的度量
	
	//通过置数改变分频比
	always @(posedge clk6MHz) begin
		if(divider == 16383) begin
			carry <= 1;
			divider <= origin;
		end
		else begin
			divider <= divider+1;
			carry <= 0;
		end
	end
	//2分频产生方波信号
	always @(posedge carry) begin
		speaker <= ~speaker;
	end
	
	//根据不同的音符，预置分频比
	always @(posedge clk16Hz) begin
		case({high,med,low})
			'h001: origin <= 4915;		'h002: origin <= 6168;
			'h003: origin <= 7281;		'h004: origin <= 7792;
			'h005: origin <= 8730;		'h006: origin <= 9565;
			'h007: origin <= 10310;		'h010: origin <= 10647;
			'h020: origin <= 11272;		'h030: origin <= 11831;
			'h040: origin <= 12094;		'h050: origin <= 12556;
			'h060: origin <= 12947;		'h070: origin <= 13346;
			'h100: origin <= 13516;		'h200: origin <= 13829;
			'h300: origin <= 14109;		'h400: origin <= 14235;
			'h500: origin <= 14470;		'h600: origin <= 14678;
			'h700: origin <= 14864;		'h000: origin <= 16383;
		endcase
	end
	
	always @(posedge clk16Hz) begin
		if(counter == 255) counter <= 0;//注意counter的取值范围，跟你的曲子长度有关，不同的长度，记得修改上面声明counter的位数，避免数值溢出
		else counter <= counter+1;
		//曲子的音符与时间
		case(counter)//下面是我的乐谱，如果是要播放其他乐曲，在这里修改乐谱
			/*第1小节*/
			//低3 长度4
			0: {high,med,low} <= 'h003;
			1: {high,med,low} <= 'h003;
			2: {high,med,low} <= 'h003;
			3: {high,med,low} <= 'h003;
			//低5 长度4
			4: {high,med,low} <= 'h005;
			5: {high,med,low} <= 'h005;
			6: {high,med,low} <= 'h005;
			7: {high,med,low} <= 'h005;
			//低6 长度4
			8: {high,med,low} <= 'h006;
			9: {high,med,low} <= 'h006;
			10: {high,med,low} <= 'h006;
			11: {high,med,low} <= 'h006;
			//中1 长度4
			12: {high,med,low} <= 'h010;
			13: {high,med,low} <= 'h010;
			14: {high,med,low} <= 'h010;
			15: {high,med,low} <= 'h010;
			/*第2小节*/
			//中2 长度8
			16: {high,med,low} <= 'h020;
			17: {high,med,low} <= 'h020;
			18: {high,med,low} <= 'h020;
			19: {high,med,low} <= 'h020;
			20: {high,med,low} <= 'h020;
			21: {high,med,low} <= 'h020;
			22: {high,med,low} <= 'h020;
			23: {high,med,low} <= 'h020;
			//中1 长度4
			24: {high,med,low} <= 'h010;
			25: {high,med,low} <= 'h010;
			26: {high,med,low} <= 'h010;
			27: {high,med,low} <= 'h010;
			//中2 长度4
			28: {high,med,low} <= 'h020;
			29: {high,med,low} <= 'h020;
			30: {high,med,low} <= 'h020;
			31: {high,med,low} <= 'h020;
			//中3 长度8
			32: {high,med,low} <= 'h030;
			33: {high,med,low} <= 'h030;
			34: {high,med,low} <= 'h030;
			35: {high,med,low} <= 'h030;
			36: {high,med,low} <= 'h030;
			37: {high,med,low} <= 'h030;
			38: {high,med,low} <= 'h030;
			39: {high,med,low} <= 'h030;
			//中1 长度4
			40: {high,med,low} <= 'h010;
			41: {high,med,low} <= 'h010;
			42: {high,med,low} <= 'h010;
			43: {high,med,low} <= 'h010;
			//低6 长度4
			44: {high,med,low} <= 'h006;
			45: {high,med,low} <= 'h006;
			46: {high,med,low} <= 'h006;
			47: {high,med,low} <= 'h006;
			/*第3小节*/
			//低5 长度4
			48: {high,med,low} <= 'h005;
			49: {high,med,low} <= 'h005;
			50: {high,med,low} <= 'h005;
			51: {high,med,low} <= 'h005;
			//低3 长度4
			52: {high,med,low} <= 'h003;
			53: {high,med,low} <= 'h003;
			54: {high,med,low} <= 'h003;
			55: {high,med,low} <= 'h003;
			//中1 长度4
			56: {high,med,low} <= 'h010;
			57: {high,med,low} <= 'h010;
			58: {high,med,low} <= 'h010;
			59: {high,med,low} <= 'h010;
			//中2 长度4
			60: {high,med,low} <= 'h020;
			61: {high,med,low} <= 'h020;
			62: {high,med,low} <= 'h020;
			63: {high,med,low} <= 'h020;
			//低6 长度8
			64: {high,med,low} <= 'h006;
			65: {high,med,low} <= 'h006;
			66: {high,med,low} <= 'h006;
			67: {high,med,low} <= 'h006;
			68: {high,med,low} <= 'h006;
			69: {high,med,low} <= 'h006;
			70: {high,med,low} <= 'h006;
			71: {high,med,low} <= 'h006;
			//低6 长度4
			72: {high,med,low} <= 'h006;
			73: {high,med,low} <= 'h006;
			74: {high,med,low} <= 'h006;
			75: {high,med,low} <= 'h006;
			//中1 长度4
			76: {high,med,low} <= 'h010;
			77: {high,med,low} <= 'h010;
			78: {high,med,low} <= 'h010;
			79: {high,med,low} <= 'h010;
			/*第4小节*/
			//中2 长度8
			80: {high,med,low} <= 'h020;
			81: {high,med,low} <= 'h020;
			82: {high,med,low} <= 'h020;
			83: {high,med,low} <= 'h020;
			84: {high,med,low} <= 'h020;
			85: {high,med,low} <= 'h020;
			86: {high,med,low} <= 'h020;
			87: {high,med,low} <= 'h020;
			//中1 长度4
			88: {high,med,low} <= 'h010;
			89: {high,med,low} <= 'h010;
			90: {high,med,low} <= 'h010;
			91: {high,med,low} <= 'h010;
			//中2 长度4
			92: {high,med,low} <= 'h020;
			93: {high,med,low} <= 'h020;
			94: {high,med,low} <= 'h020;
			95: {high,med,low} <= 'h020;
			//中3 长度8
			96: {high,med,low} <= 'h030;
			97: {high,med,low} <= 'h030;
			98: {high,med,low} <= 'h030;
			99: {high,med,low} <= 'h030;
			100: {high,med,low} <= 'h030;
			101: {high,med,low} <= 'h030;
			102: {high,med,low} <= 'h030;
			103: {high,med,low} <= 'h030;
			//中5 长度4
			104: {high,med,low} <= 'h050;
			105: {high,med,low} <= 'h050;
			106: {high,med,low} <= 'h050;
			107: {high,med,low} <= 'h050;
			//中6 长度4
			108: {high,med,low} <= 'h060;
			109: {high,med,low} <= 'h060;
			110: {high,med,low} <= 'h060;
			111: {high,med,low} <= 'h060;
			/*第5小节*/
			//高1 长度4
			112: {high,med,low} <= 'h100;
			113: {high,med,low} <= 'h100;
			114: {high,med,low} <= 'h100;
			115: {high,med,low} <= 'h100;
			//中7 长度4
			116: {high,med,low} <= 'h070;
			117: {high,med,low} <= 'h070;
			118: {high,med,low} <= 'h070;
			119: {high,med,low} <= 'h070;
			//中6 长度1
			120: {high,med,low} <= 'h060;
			//中7 长度1
			121: {high,med,low} <= 'h070;
			//中6 长度2
			122: {high,med,low} <= 'h060;
			123: {high,med,low} <= 'h060;
			//中5 长度4
			124: {high,med,low} <= 'h050;
			125: {high,med,low} <= 'h050;
			126: {high,med,low} <= 'h050;
			127: {high,med,low} <= 'h050;
			//中6 长度8
			128: {high,med,low} <= 'h060;
			129: {high,med,low} <= 'h060;
			130: {high,med,low} <= 'h060;
			131: {high,med,low} <= 'h060;
			132: {high,med,low} <= 'h060;
			133: {high,med,low} <= 'h060;
			134: {high,med,low} <= 'h060;
			135: {high,med,low} <= 'h060;
			//中5 长度4
			136: {high,med,low} <= 'h050;
			137: {high,med,low} <= 'h050;
			138: {high,med,low} <= 'h050;
			139: {high,med,low} <= 'h050;
			//中3 长度4
			140: {high,med,low} <= 'h030;
			141: {high,med,low} <= 'h030;
			142: {high,med,low} <= 'h030;
			143: {high,med,low} <= 'h030;
			/*第6小节*/
			//中2 长度8
			144: {high,med,low} <= 'h020;
			145: {high,med,low} <= 'h020;
			146: {high,med,low} <= 'h020;
			147: {high,med,low} <= 'h020;
			148: {high,med,low} <= 'h020;
			149: {high,med,low} <= 'h020;
			150: {high,med,low} <= 'h020;
			151: {high,med,low} <= 'h020;
			//中3 长度4
			152: {high,med,low} <= 'h030;
			153: {high,med,low} <= 'h030;
			154: {high,med,low} <= 'h030;
			155: {high,med,low} <= 'h030;
			//中1 长度4
			156: {high,med,low} <= 'h010;
			157: {high,med,low} <= 'h010;
			158: {high,med,low} <= 'h010;
			159: {high,med,low} <= 'h010;
			//中2 长度8
			160: {high,med,low} <= 'h020;
			161: {high,med,low} <= 'h020;
			162: {high,med,low} <= 'h020;
			163: {high,med,low} <= 'h020;
			164: {high,med,low} <= 'h020;
			165: {high,med,low} <= 'h020;
			166: {high,med,low} <= 'h020;
			167: {high,med,low} <= 'h020;
			//中1 长度4
			168: {high,med,low} <= 'h010;
			169: {high,med,low} <= 'h010;
			170: {high,med,low} <= 'h010;
			171: {high,med,low} <= 'h010;
			//中2 长度4
			172: {high,med,low} <= 'h020;
			173: {high,med,low} <= 'h020;
			174: {high,med,low} <= 'h020;
			175: {high,med,low} <= 'h020;
			/*第7小节*/
			//中3 长度6
			176: {high,med,low} <= 'h030;
			177: {high,med,low} <= 'h030;
			178: {high,med,low} <= 'h030;
			179: {high,med,low} <= 'h030;
			180: {high,med,low} <= 'h030;
			181: {high,med,low} <= 'h030;
			//低6 长度2
			182: {high,med,low} <= 'h006;
			183: {high,med,low} <= 'h006;
			//中1 长度2
			184: {high,med,low} <= 'h010;
			185: {high,med,low} <= 'h010;
			//中2 长度2
			186: {high,med,low} <= 'h020;
			187: {high,med,low} <= 'h020;
			//中1 长度4
			188: {high,med,low} <= 'h010;
			189: {high,med,low} <= 'h010;
			190: {high,med,low} <= 'h010;
			191: {high,med,low} <= 'h010;
			//低6 长度8
			192: {high,med,low} <= 'h006;
			193: {high,med,low} <= 'h006;
			194: {high,med,low} <= 'h006;
			195: {high,med,low} <= 'h006;
			196: {high,med,low} <= 'h006;
			197: {high,med,low} <= 'h006;
			198: {high,med,low} <= 'h006;
			199: {high,med,low} <= 'h006;
			//低6 长度4
			200: {high,med,low} <= 'h006;
			201: {high,med,low} <= 'h006;
			202: {high,med,low} <= 'h006;
			203: {high,med,low} <= 'h006;
			//低5 长度4
			204: {high,med,low} <= 'h005;
			205: {high,med,low} <= 'h005;
			206: {high,med,low} <= 'h005;
			207: {high,med,low} <= 'h005;
			/*第8小节*/
			//低6 长度6
			208: {high,med,low} <= 'h006;
			209: {high,med,low} <= 'h006;
			210: {high,med,low} <= 'h006;
			211: {high,med,low} <= 'h006;
			212: {high,med,low} <= 'h006;
			213: {high,med,low} <= 'h006;
			//低5 长度1
			214: {high,med,low} <= 'h005;
			//低6 长度1
			215: {high,med,low} <= 'h006;
			//中1 长度4
			216: {high,med,low} <= 'h010;
			217: {high,med,low} <= 'h010;
			218: {high,med,low} <= 'h010;
			219: {high,med,low} <= 'h010;
			//中2 长度4
			220: {high,med,low} <= 'h020;
			221: {high,med,low} <= 'h020;
			222: {high,med,low} <= 'h020;
			223: {high,med,low} <= 'h020;
			//中3 长度4
			224: {high,med,low} <= 'h030;
			225: {high,med,low} <= 'h030;
			226: {high,med,low} <= 'h030;
			227: {high,med,low} <= 'h030;
			//中2 长度4
			228: {high,med,low} <= 'h020;
			229: {high,med,low} <= 'h020;
			230: {high,med,low} <= 'h020;
			231: {high,med,low} <= 'h020;
			//低5 长度8
			232: {high,med,low} <= 'h005;
			233: {high,med,low} <= 'h005;
			234: {high,med,low} <= 'h005;
			235: {high,med,low} <= 'h005;
			236: {high,med,low} <= 'h005;
			237: {high,med,low} <= 'h005;
			238: {high,med,low} <= 'h005;
			239: {high,med,low} <= 'h005;
			/*第9小节*/
			//低6 长度16
			240: {high,med,low} <= 'h006;
			241: {high,med,low} <= 'h006;
			242: {high,med,low} <= 'h006;
			243: {high,med,low} <= 'h006;
			244: {high,med,low} <= 'h006;
			245: {high,med,low} <= 'h006;
			246: {high,med,low} <= 'h006;
			247: {high,med,low} <= 'h006;
			248: {high,med,low} <= 'h006;
			249: {high,med,low} <= 'h006;
			250: {high,med,low} <= 'h006;
			251: {high,med,low} <= 'h006;
			252: {high,med,low} <= 'h006;
			253: {high,med,low} <= 'h006;
			254: {high,med,low} <= 'h006;
			255: {high,med,low} <= 'h006;
			default: {high,med,low} <= 'h000;
		endcase
	end
endmodule 

LED8s.v文件

module LED8s(dataH,dataM,dataL,ledout,high,med,low);
	input[3:0] dataH,dataM,dataL;
	output reg[7:0] ledout;//输出位分别是abcdefg
	output high,med,low;//位选
	
	assign high = ~|dataH;//位选线低电平有效，根据原理图来写
	assign med = ~|dataM;
	assign low = ~|dataL;
	
	always @(*) begin
		case(dataH|dataM|dataL)//译码，将相应的数字译码使其在数码管上显示相应的数字
			0: ledout <= 8'b0000_0011;
			1: ledout <= 8'b1001_1111;
			2: ledout <= 8'b0010_0101;
			3: ledout <= 8'b0000_1101;
			4: ledout <= 8'b1001_1001;
			5: ledout <= 8'b0100_1001;
			6: ledout <= 8'b0100_0001;
			7: ledout <= 8'b0001_1111;
			8: ledout <= 8'b0000_0001;
			9: ledout <= 8'b0000_1001;
			default: ledout <= 8'b1111_1111;
		endcase
	end
endmodule 

这些都完成之后，就是在quartus中进行编译（记得设置顶层文件，这里我的顶层文件是BrokenMoon2.v文件），然后引脚绑定再编译一次，最后下载到板子里就能看到结果了。文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-458418.html

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