簡(jiǎn)易電子琴設(shè)計(jì)

• 任務(wù)：基于 STEP-MAX10M08核心板 和 STEP BaseBoard V3.0底板 完成簡(jiǎn)易電子琴設(shè)計(jì)并觀察調(diào)試結(jié)果
• 要求：按動(dòng)矩陣鍵盤，驅(qū)動(dòng)底板無(wú)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(guò)FPGA編程驅(qū)動(dòng)矩陣鍵盤電路，獲取矩陣鍵盤鍵入的信息，然后通過(guò)編碼將鍵盤輸出的信息譯碼成對(duì)應(yīng)的音節(jié)數(shù)據(jù)，最后通過(guò)PWM發(fā)生模塊驅(qū)動(dòng)底板上的無(wú)源蜂鳴器發(fā)出聲音。

在基礎(chǔ)數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)部分我們已經(jīng)掌握了FPGA設(shè)計(jì)PWM信號(hào)發(fā)生器的原理及方法，上節(jié)實(shí)驗(yàn)中又學(xué)習(xí)了矩陣鍵盤的驅(qū)動(dòng)原理及方法，本實(shí)驗(yàn)主要學(xué)習(xí)無(wú)源蜂鳴器的驅(qū)動(dòng)原理，同時(shí)熟悉PWM發(fā)生模塊及矩陣鍵盤驅(qū)動(dòng)模塊的實(shí)例化應(yīng)用。

• 熟悉PWM信號(hào)發(fā)生驅(qū)動(dòng)模塊和矩陣鍵盤驅(qū)動(dòng)模塊的應(yīng)用
• 了解無(wú)源蜂鳴器的驅(qū)動(dòng)原理及方法
• 完成簡(jiǎn)易電子琴設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)前面的實(shí)驗(yàn)解析我們可以得知，該設(shè)計(jì)總體可以拆分成兩個(gè)功能模塊實(shí)現(xiàn)，

• ArrayKeyBoard：通過(guò)驅(qū)動(dòng)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(dòng)無(wú)源蜂鳴器發(fā)出不同的音節(jié)。 頂層模塊ElectricPiano通過(guò)實(shí)例化兩個(gè)子模塊并將對(duì)應(yīng)的信號(hào)連接，最終實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易電子琴的總體設(shè)計(jì)。我們知道無(wú)源蜂鳴器是通過(guò)交流信號(hào)驅(qū)動(dòng)的，FPGA可以通過(guò)輸出不同頻率的PWM脈沖信號(hào)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(gè)功能模塊實(shí)現(xiàn)其功能
• tone：通過(guò)編碼方式將鍵盤的操作信息譯碼成對(duì)應(yīng)的PWM周期信息。
• PWM：根據(jù)PWM周期信息產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的PWM脈沖信號(hào)。

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(dòng)膜片及外殼等組成。接通電源后，振蕩器產(chǎn)生的音頻信號(hào)電流通過(guò)電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，振動(dòng)膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下，周期性地振動(dòng)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(dāng)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(hào)，阻抗匹配器推動(dòng)壓電蜂鳴片發(fā)聲。

按是否帶有信號(hào)源分為有源蜂鳴器和無(wú)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(hào)，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出聲音。
• 無(wú)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(hào)才可以驅(qū)動(dòng)發(fā)出聲音。

我們STEP BaseBoard V3.0底板上集成的蜂鳴器為無(wú)源電磁式蜂鳴器，接下來(lái)和大家一起學(xué)習(xí)無(wú)源蜂鳴器的驅(qū)動(dòng)

無(wú)源蜂鳴器沒有集成振蕩器，需要外部提供震蕩激勵(lì)，當(dāng)震蕩頻率不同時(shí)發(fā)出不同的音調(diào)，對(duì)于數(shù)字系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，方波信號(hào)產(chǎn)生方便可靠，成為外部震蕩激勵(lì)的首選，方波信號(hào)輸入諧振裝置轉(zhuǎn)換為聲音信號(hào)輸出，電磁式蜂鳴器需要的驅(qū)動(dòng)電流較高，一般單片機(jī)和FPGA管腳驅(qū)動(dòng)能力有限不能直接驅(qū)動(dòng)，常用三極管增加驅(qū)動(dòng)能力，另外電磁式蜂鳴器內(nèi)部含有感應(yīng)線圈，在電路通斷瞬間會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，為保證電路長(zhǎng)期穩(wěn)定的工作，最好增加續(xù)流二極管設(shè)計(jì)，STEP BaseBoard V3.0底板蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路如下：

注：不需要蜂鳴器工作時(shí)，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(dòng)，三極管當(dāng)開關(guān)用，當(dāng)基極電壓拉高時(shí)，蜂鳴器通電，當(dāng)基極電壓拉低時(shí)，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(hào)，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(wú)源蜂鳴器需要外部提供震蕩激勵(lì)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(duì)應(yīng)關(guān)系如下表：

音調(diào)頻率對(duì)照表

FPGA要驅(qū)動(dòng)蜂鳴器就需要給蜂鳴器模塊輸出《音調(diào)頻率對(duì)照表》中不同頻率的脈沖信號(hào)就可以了，我們?cè)诨A(chǔ)數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)中學(xué)習(xí)過(guò)PWM產(chǎn)生原理，設(shè)計(jì)過(guò)一個(gè)PWM信號(hào)發(fā)生器模塊，模塊根據(jù)兩個(gè)輸入信號(hào)（cycle、duty）控制產(chǎn)生周期可控、占空比可控的脈沖信號(hào)（pwm_out），可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)無(wú)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(shí)鐘的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)終值，與產(chǎn)生脈沖信號(hào)的周期有關(guān)
• duty：脈沖信號(hào)產(chǎn)生機(jī)制中的比較器閾值，與產(chǎn)生脈沖信號(hào)的脈寬（占空比）有關(guān)

驅(qū)動(dòng)蜂鳴器的脈沖信號(hào)對(duì)占空比沒有太高的要求，我們默認(rèn)產(chǎn)生50%占空比的脈沖信號(hào)，所以duty的輸入取cycle的一半；cycle的值關(guān)乎蜂鳴器的音節(jié)，需要和《音調(diào)頻率對(duì)照表》中對(duì)應(yīng)，例如如果要蜂鳴器發(fā)出低音1的音節(jié)，脈沖信號(hào)頻率控制為261.6Hz，系統(tǒng)時(shí)鐘采用12MHz，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)終值cycle就等于12M / 261.6 = 45872，即當(dāng)我們給PWM模塊中cycle信號(hào)的值為45872時(shí)，得到低音1的音節(jié)輸出。這樣我們將每個(gè)音節(jié)對(duì)應(yīng)的cycle值計(jì)算出來(lái)，當(dāng)按動(dòng)不同按鍵時(shí)給PWM模塊不同的cycle值就可以了，我們可以通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)轉(zhuǎn)碼模塊（tone）將按鍵信息轉(zhuǎn)換成PWM需要的cycle信號(hào)，矩陣鍵盤共有16個(gè)按鍵，我們只能輸出16個(gè)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?cè)贐eeper模塊中實(shí)例化tone和PWM模塊，將tone的輸出與PWM的cycle輸入連線就實(shí)現(xiàn)了按鍵信息產(chǎn)生對(duì)應(yīng)音節(jié)的輸出了，想一想邏輯有問(wèn)題嗎？

• 當(dāng)我們按下按鍵，會(huì)得到按鍵信息，根據(jù)按鍵信息轉(zhuǎn)碼得到一個(gè)cycle值，連線傳輸給PWM模塊，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)頻率脈沖，聽到對(duì)應(yīng)音節(jié)輸出；
• 當(dāng)我們松開按鍵，同樣有按鍵信息，對(duì)應(yīng)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(hào)，蜂鳴器不發(fā)聲。

應(yīng)該沒錯(cuò)了，到這里我們就完成了蜂鳴器音節(jié)驅(qū)動(dòng)部分。

前次實(shí)驗(yàn)中我們學(xué)習(xí)了矩陣鍵盤的驅(qū)動(dòng)原理及方法，這里就不再重復(fù)，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(shí)驗(yàn)中簡(jiǎn)易電子琴在按鍵按下狀態(tài)下一直發(fā)聲，跟按鍵時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)，這樣我們就不能使用keypulse了，而應(yīng)該使用keyout信號(hào)，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(dòng)模塊（Beeper）之間的key_out連線需要做按位取反操作。

總體設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shè)備型號(hào)選擇，EDA工具選擇）；
• 新建文件：File → New → Verilog HDL File，鍵入設(shè)計(jì)代碼并保存；
• 設(shè)計(jì)綜合：雙擊Tasks窗口頁(yè)面下的Analysis & Synthesis對(duì)代碼進(jìn)行綜合；
• 管腳約束：Assignments → Assignment Editor，根據(jù)項(xiàng)目需求分配管腳；
• 設(shè)計(jì)編譯：雙擊Tasks窗口頁(yè)面下的Compile Design對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行整體編譯并生成配置文件；
• 程序燒錄：點(diǎn)擊Tools → Programmer打開配置工具，Program進(jìn)行下載；
• 觀察設(shè)計(jì)運(yùn)行結(jié)果。

將簡(jiǎn)易電子琴設(shè)計(jì)配置文件燒寫到FPGA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，按動(dòng)矩陣按鍵聽蜂鳴器發(fā)出的聲音，16個(gè)按鍵對(duì)應(yīng)16個(gè)音節(jié)，按鍵K1~K7分別對(duì)應(yīng)音節(jié)低音1~7，接下來(lái)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?zèng)]有什么難度，如果我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)狀態(tài)機(jī)，在狀態(tài)跳轉(zhuǎn)時(shí)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(dòng)設(shè)計(jì)，就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)音樂盒了，有興趣的同學(xué)不妨嘗試一下。