基于FPGA的无源蜂鸣器音乐播放器的设计与实现

2022-05-11武汉轻工大学电气与电子工程学院王洪钦李素芬吴倩

内江科技 2022年4期

◇武汉轻工大学电气与电子工程学院王洪钦李素芬吴倩

本文介绍了基于FPGA设计的无源蜂鸣器的音乐播放，使用无源蜂鸣器在不同频率的脉冲方波信号下来产生基本的音调，采用了VerilogHDL语言进行描述，通过Diamond 3 软件和ModelSim进行电路的综合与仿真，并下载到小脚丫MachXO2-4000HC开发板中验证了无源蜂鸣器音乐播放的可行性。

1 引言

蜂鸣器是电器设备中经常使用的一种声音器件，按其结构主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型：

一种是电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场，振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。

另一种是压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成，当接通电源后（1.5～15V直流工作电压），多谐振荡器起振，输出1.5～2.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。

按是否带有信号源分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器两种类型。

一种是有源蜂鸣器只需要在其供电端加上额定直流电压，其内部的震荡器就可以产生固定频率的信号，驱动蜂鸣器发出声音。

另一种是无源蜂鸣器可以理解成与喇叭一样，需要在其供电端上加上高低不断变化的电信号才可以驱动发出声音。

图1 无源蜂鸣器去驱动电路

2 基本工作原理

使用无源蜂鸣器产生乐曲时，是没有音色的区别的，只会有简单的音调和节拍，蜂鸣器使用NPN三极管（9013）驱动，三极管当开关用，当基极电压拉高时，蜂鸣器通电，当基极电压拉低时，蜂鸣器断电，FPGA控制GPIO口给三极管的基极输出不同频率的脉冲信号，蜂鸣器就可以发出不同的音节。小脚丫MachXO2-4000HC开发板内置时钟为12MHz，无需外置时钟，时钟分频后每一个特定的频率对应一个音调，对应关系如表1所示。

表1 音调简码表

音调是通过给无源蜂鸣器输入给定频率的方波信号来实现的，不同的音调不同的频率方波信号，因此在编程中首先要实现分频产生不同的信号方波，而方波的信号又来自于计数器的计数值不同而产生的，表1展示了不同音调对应下12MHz中计数器理论计数值。

3 音乐播放功能实现

本次实验实现的是歌曲《Astronomia》简单曲谱演奏，精简后的曲谱如下：

图2 歌曲《Astronomia》简谱

由简谱可见，前四拍每一小节中有4拍，每拍有2个音符，则每一小节有8个音符，粗略计算为每一小节2s钟，则每一个音符对应的时间为0.125s，程序如下：

计数器CNT的最大值CNT_MAX的值为24位宽的1499999,小脚丫开发板的内置系统时钟为12MHZ,分频的到0.125s对应的计数值为1499999。

《Astronomia》简谱至采取了前2段，故音符数的位宽为8位宽共129位，每个音符的时间间隔都控制好之后，接下来就是让每个音符都发出固定的声音，无源蜂鸣器要给出不同频率的信号方波才可以发出不同的音调，程序如下：

Freq_cnt在达到音调频率计数值或计数器cnt达到最大时清零，其它时刻都自行计数，同时将音符计数值右移一位赋值给duty_data,同时将音符频率计数值与duty_data进行比较，前者大的时候，beep高电平；前者小的时候，beep低电平。这样就形成了一束频率信号方波输入给无源蜂鸣器发生，至此一个音符的发生完毕。

实现多个甚至整首歌曲的音符演奏，本程序采用了内置多个case分之语句与定义多个频率来完成。