簡易電子琴設計

• 任務：基于 STEP-MAX10M08核心板 和 STEP BaseBoard V3.0底板 完成簡易電子琴設計并觀察調(diào)試結(jié)果
• 要求：按動矩陣鍵盤，驅(qū)動底板無源蜂鳴器發(fā)出產(chǎn)生不同音調(diào)，彈奏一首《小星星》。
• 解析：通過FPGA編程驅(qū)動矩陣鍵盤電路，獲取矩陣鍵盤鍵入的信息，然后通過編碼將鍵盤輸出的信息譯碼成對應的音節(jié)數(shù)據(jù)，最后通過PWM發(fā)生模塊驅(qū)動底板上的無源蜂鳴器發(fā)出聲音。

在基礎數(shù)字電路實驗部分我們已經(jīng)掌握了FPGA設計PWM信號發(fā)生器的原理及方法，上節(jié)實驗中又學習了矩陣鍵盤的驅(qū)動原理及方法，本實驗主要學習無源蜂鳴器的驅(qū)動原理，同時熟悉PWM發(fā)生模塊及矩陣鍵盤驅(qū)動模塊的實例化應用。

• 熟悉PWM信號發(fā)生驅(qū)動模塊和矩陣鍵盤驅(qū)動模塊的應用
• 了解無源蜂鳴器的驅(qū)動原理及方法
• 完成簡易電子琴設計實現(xiàn)

根據(jù)前面的實驗解析我們可以得知，該設計總體可以拆分成兩個功能模塊實現(xiàn)，

• ArrayKeyBoard：通過驅(qū)動矩陣鍵盤工作獲取鍵盤的操作信息數(shù)據(jù)。 * Beeper：根據(jù)鍵盤按鍵信息驅(qū)動無源蜂鳴器發(fā)出不同的音節(jié)。 頂層模塊ElectricPiano通過實例化兩個子模塊并將對應的信號連接，最終實現(xiàn)簡易電子琴的總體設計。我們知道無源蜂鳴器是通過交流信號驅(qū)動的，FPGA可以通過輸出不同頻率的PWM脈沖信號控制蜂鳴器產(chǎn)生不同的音節(jié)輸出，所以上面Beeper模塊又可以拆分成兩個功能模塊實現(xiàn)其功能
• tone：通過編碼方式將鍵盤的操作信息譯碼成對應的PWM周期信息。
• PWM：根據(jù)PWM周期信息產(chǎn)生對應的PWM脈沖信號。

蜂鳴器的分類： 按其結(jié)構(gòu)主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器兩種類型：

• 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(chǎn)生的音頻信號電流通過電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)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(fā)聲。
• 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。多諧振蕩器由晶體管或集成電路構(gòu)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(fā)聲。

按是否帶有信號源分為有源蜂鳴器和無源蜂鳴器兩種類型：

• 有源蜂鳴器只需要在其供電端加上額定直流電壓，其內(nèi)部的震蕩器就可以產(chǎn)生固定頻率的信號，驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出聲音。
• 無源蜂鳴器可以理解成與喇叭一樣，需要在其供電端上加上高低不斷變化的電信號才可以驅(qū)動發(fā)出聲音。

我們STEP BaseBoard V3.0底板上集成的蜂鳴器為無源電磁式蜂鳴器，接下來和大家一起學習無源蜂鳴器的驅(qū)動

無源蜂鳴器沒有集成振蕩器，需要外部提供震蕩激勵，當震蕩頻率不同時發(fā)出不同的音調(diào)，對于數(shù)字系統(tǒng)來說，方波信號產(chǎn)生方便可靠，成為外部震蕩激勵的首選，方波信號輸入諧振裝置轉(zhuǎn)換為聲音信號輸出，電磁式蜂鳴器需要的驅(qū)動電流較高，一般單片機和FPGA管腳驅(qū)動能力有限不能直接驅(qū)動，常用三極管增加驅(qū)動能力，另外電磁式蜂鳴器內(nèi)部含有感應線圈，在電路通斷瞬間會產(chǎn)生感應電勢，為保證電路長期穩(wěn)定的工作，最好增加續(xù)流二極管設計，STEP BaseBoard V3.0底板蜂鳴器驅(qū)動電路如下：

注：不需要蜂鳴器工作時，控制器BEEP端口輸出低電平，管腳配置下拉（pull dowm）模式

蜂鳴器使用NPN三極管（S8050）驅(qū)動，三極管當開關用，當基極電壓拉高時，蜂鳴器通電，當基極電壓拉低時，蜂鳴器斷電，F(xiàn)PGA控制GPIO口給三極管的基極輸出不同頻率的脈沖信號，蜂鳴器就可以發(fā)出不同的音節(jié)。

前面我們了解到電磁式無源蜂鳴器需要外部提供震蕩激勵才可以發(fā)出聲音，且震蕩頻率不同產(chǎn)生的音調(diào)也不同，不同音節(jié)與蜂鳴器震蕩頻率的對應關系如下表：

音調(diào)頻率對照表

FPGA要驅(qū)動蜂鳴器就需要給蜂鳴器模塊輸出《音調(diào)頻率對照表》中不同頻率的脈沖信號就可以了，我們在基礎數(shù)字電路實驗中學習過PWM產(chǎn)生原理，設計過一個PWM信號發(fā)生器模塊，模塊根據(jù)兩個輸入信號（cycle、duty）控制產(chǎn)生周期可控、占空比可控的脈沖信號（pwm_out），可以用來驅(qū)動無源蜂鳴器電路。

PWM模塊端口程序如下：

module PWM #
(
parameter	WIDTH = 32	//ensure that 2**WIDTH > cycle
)
(
input					clk,
input					rst_n,
input		[WIDTH-1:0]	cycle,	//cycle > duty
input		[WIDTH-1:0]	duty,	//duty < cycle
output	reg				pwm_out
);

• cycle：基于系統(tǒng)時鐘的計數(shù)器計數(shù)終值，與產(chǎn)生脈沖信號的周期有關
• duty：脈沖信號產(chǎn)生機制中的比較器閾值，與產(chǎn)生脈沖信號的脈寬（占空比）有關

驅(qū)動蜂鳴器的脈沖信號對占空比沒有太高的要求，我們默認產(chǎn)生50%占空比的脈沖信號，所以duty的輸入取cycle的一半；cycle的值關乎蜂鳴器的音節(jié)，需要和《音調(diào)頻率對照表》中對應，例如如果要蜂鳴器發(fā)出低音1的音節(jié)，脈沖信號頻率控制為261.6Hz，系統(tǒng)時鐘采用12MHz，計數(shù)器計數(shù)終值cycle就等于12M / 261.6 = 45872，即當我們給PWM模塊中cycle信號的值為45872時，得到低音1的音節(jié)輸出。這樣我們將每個音節(jié)對應的cycle值計算出來，當按動不同按鍵時給PWM模塊不同的cycle值就可以了，我們可以通過設計一個轉(zhuǎn)碼模塊（tone）將按鍵信息轉(zhuǎn)換成PWM需要的cycle信號，矩陣鍵盤共有16個按鍵，我們只能輸出16個音節(jié)。

PWM周期轉(zhuǎn)碼程序?qū)崿F(xiàn)如下：

always@(key_in) begin
	case(key_in)
		16'h0001: cycle = 16'd45872;	//L1,
		16'h0002: cycle = 16'd40858;	//L2,
		16'h0004: cycle = 16'd36408;	//L3,
		16'h0008: cycle = 16'd34364;	//L4,
		16'h0010: cycle = 16'd30612;	//L5,
		16'h0020: cycle = 16'd27273;	//L6,
		16'h0040: cycle = 16'd24296;	//L7,
		16'h0080: cycle = 16'd22931;	//M1,
		16'h0100: cycle = 16'd20432;	//M2,
		16'h0200: cycle = 16'd18201;	//M3,
		16'h0400: cycle = 16'd17180;	//M4,
		16'h0800: cycle = 16'd15306;	//M5,
		16'h1000: cycle = 16'd13636;	//M6,
		16'h2000: cycle = 16'd12148;	//M7,
		16'h4000: cycle = 16'd11478;	//H1,
		16'h8000: cycle = 16'd10215;	//H2,
		default:  cycle = 16'd0;		//cycle為0，PWM占空比為0，低電平
	endcase
	end

現(xiàn)在我們在Beeper模塊中實例化tone和PWM模塊，將tone的輸出與PWM的cycle輸入連線就實現(xiàn)了按鍵信息產(chǎn)生對應音節(jié)的輸出了，想一想邏輯有問題嗎？

• 當我們按下按鍵，會得到按鍵信息，根據(jù)按鍵信息轉(zhuǎn)碼得到一個cycle值，連線傳輸給PWM模塊，產(chǎn)生對應頻率脈沖，聽到對應音節(jié)輸出；
• 當我們松開按鍵，同樣有按鍵信息，對應到轉(zhuǎn)碼模塊中得到cycle值為0，連線傳輸給PWM模塊，產(chǎn)生低電平信號，蜂鳴器不發(fā)聲。

應該沒錯了，到這里我們就完成了蜂鳴器音節(jié)驅(qū)動部分。

前次實驗中我們學習了矩陣鍵盤的驅(qū)動原理及方法，這里就不再重復，不一樣的是之前我們用的矩陣鍵盤模塊的脈沖輸出（keypulse），本實驗中簡易電子琴在按鍵按下狀態(tài)下一直發(fā)聲，跟按鍵時間長短有關，這樣我們就不能使用keypulse了，而應該使用keyout信號，另外keyout按鍵有效輸出為低電平，而PWM周期轉(zhuǎn)碼模塊（tone）是高有效編碼，所以在頂層模塊（ElectricPiano）中矩陣鍵盤（ArrayKeyBoard）與蜂鳴器音節(jié)驅(qū)動模塊（Beeper）之間的key_out連線需要做按位取反操作。

總體設計程序?qū)崿F(xiàn)如下：

//Array_KeyBoard 
Array_KeyBoard u1
(
.clk					(clk			),
.rst_n					(rst_n			),
.col					(col			),
.row					(row			),
.key_out				(key_out		),
.key_pulse				(key_pulse		)
); 
//beeper moduleBeeper u2(.clk					(clk			),
.rst_n					(rst_n			),
.key_out				(~key_out		),
.beeper					(beeper			)
);

綜合后的設計框圖如下：

• 雙擊打開Quartus Prime工具軟件；
• 新建工程：File → New Project Wizard（工程命名，工程目錄選擇，設備型號選擇，EDA工具選擇）；
• 新建文件：File → New → Verilog HDL File，鍵入設計代碼并保存；
• 設計綜合：雙擊Tasks窗口頁面下的Analysis & Synthesis對代碼進行綜合；
• 管腳約束：Assignments → Assignment Editor，根據(jù)項目需求分配管腳；
• 設計編譯：雙擊Tasks窗口頁面下的Compile Design對設計進行整體編譯并生成配置文件；
• 程序燒錄：點擊Tools → Programmer打開配置工具，Program進行下載；
• 觀察設計運行結(jié)果。

將簡易電子琴設計配置文件燒寫到FPGA實驗平臺，按動矩陣按鍵聽蜂鳴器發(fā)出的聲音，16個按鍵對應16個音節(jié)，按鍵K1~K7分別對應音節(jié)低音1~7，接下來一首好聽的《小星星》送給大家，按照下面的曲譜循環(huán)彈奏： 1 1 5 5 6 6 5 , 4 4 3 3 2 2 1 , 5 5 4 4 3 3 2 , 5 5 4 4 3 3 2

按照曲譜彈奏琴電子琴沒有什么難度，如果我們設計一個狀態(tài)機，在狀態(tài)跳轉(zhuǎn)時能夠產(chǎn)生上述的音節(jié)信息，再配合我們今天講的蜂鳴器音節(jié)驅(qū)動設計，就可以實現(xiàn)一個音樂盒了，有興趣的同學不妨嘗試一下。