2025寒假练-基于iCE40UP5K的FPGA学习平台实现可定时的音乐时钟

内容介绍

一、项目介绍

要求使用基于iCE40UP5K的FPGA学习平台完成可定时的音乐时钟，并且实现扩展板上的12颗彩灯对应于12个小时，通过FPGA产生时钟，在OLED显示屏上显示包含时、分、秒的时间信息。同时要求实现闹钟功能，即通过可控的手段设定闹钟时间和当前时间，在当前时间到达设定闹钟时，触发蜂鸣器播放音乐，同时彩灯闪烁，共计5s。

二、硬件介绍

本设计基于 Lattice 的 ICE40UP5K FPGA，板载 LPC11U35 下载器，可以通过 USB-C 接口进行 FPGA 的配置，支持在 ICE40UP5K 上对 RISC-V 软核的移植以及开源的 FPGA 开发工具链，板上 RGB 三色 LED 灯用于简单的调试，总计 28 个 IO 用于扩展使用。

三、方案框图及设计思路

首先处理整个项目，将其分为时间时钟、OLED显示及操控、彩灯显示、蜂鸣器触发四个大部分。

四、关键代码及软件流程

软件流程图如下

用top.v文件起到整合各个模块的功能，时间时钟部分包含了diff_time.v，time_contrl.v两部分代码；OLED显示与操作包括了debounce.v，key.v，oled.v三部分代码；彩灯闪烁通过WS2812.v实现；beeper.v及b_contrl.v完成了蜂鸣器实现音乐的内容。下面是一些关键部分实现的代码。

计算可用于在OLED屏幕显示的二位时间：

always @(posedge clk or negedge rst) begin
        if (!rst) begin
            diff_hour1 <= 0; diff_hour0 <= 0;
            diff_min1 <= 0; diff_min0 <= 0;
            diff_sec1 <= 0; diff_sec0 <= 0;
        end else begin
            
            diff_hour1 <= diff_hour / 10;   
            diff_hour0 <= diff_hour % 10;   
            diff_min1 <= diff_min / 10;     
            diff_min0 <= diff_min % 10;     
            diff_sec1 <= diff_sec / 10;     
            diff_sec0 <= diff_sec % 10;     
        end
    end

文字显示的实现，此处仅截取部分代码供参考，主要思路是通过定位的思想用点阵书写汉字，参考了开源平台上的代码得到的结果。

5'd0:begin state <= INIT;end
5'd1:begin y_p <= 8'hb0;x_ph <= 8'h10;x_pl <= 8'h00;num <= 5'd16;char <= choice[0];state <= CHINESE;end
5'd2:begin y_p <= 8'hb1;x_ph <= 8'h10;x_pl <= 8'h00;num <= 5'd16;char <= choice[1];state <= CHINESE;end
5'd3:begin y_p <= 8'hb2;x_ph <= 8'h10;x_pl <= 8'h00;num <= 5'd16;char <= {"     ",curr_hour1,curr_hour0,"h",curr_min1,curr_min0,"m",curr_sec1,curr_sec0,"s    "};state <= SCAN;end
5'd4:begin y_p <= 8'hb3;x_ph <= 8'h10;x_pl <= 8'h00;num <= 5'd16;char <= choice[4];state <= CHINESE;end
5'd5:begin y_p <= 8'hb4;x_ph <= 8'h10;x_pl <= 8'h00;num <= 5'd16;char <= choice[5];state <= CHINESE;end
5'd6:begin y_p <= 8'hb5;x_ph <= 8'h10;x_pl <= 8'h00;num <= 5'd16;char <= {"     ",next_hour1,next_hour0,"h",next_min1,next_min0,"m",next_sec1,next_sec0,"s    "};state <= SCAN;end
5'd7:begin y_p <= 8'hb6;x_ph <= 8'h10;x_pl <= 8'h00;num <= 5'd16;char <= choice[6];state <= CHINESE;end
5'd8:begin y_p <= 8'hb7;x_ph <= 8'h10;x_pl <= 8'h00;num <= 5'd16;char <= choice[7];state <= CHINESE;end

蜂鸣器设计音乐节拍的节奏：

always@(tcon) begin
	case(tcon)
		5'd 1:  time_delay =    28'd2250000;
		5'd 2:  time_delay =    28'd4500000;
		5'd 3:  time_delay =    28'd6750000;
		5'd 4:  time_delay =    28'd9_000_000;
		5'd 6:  time_delay =    28'd13500000;
		5'd 8:  time_delay =    28'd18000000;
		5'd12:  time_delay =    28'd27000000;
		5'd16:  time_delay =    28'd36000000;
		5'd24:  time_delay =    28'd72000000;
		default:time_delay =    28'd0;  
	endcase
end

以及通过tone变量控制蜂鸣器的发声：

always@(posedge clk_in or negedge rst_n_in) begin
    if(rst_n_in == 1'b0) begin
        piano_out <= 1'b0;
    end else if(tone==5'd0) begin 
        piano_out <= 1'b0;
    end else if(time_cnt==time_end) begin
        piano_out <= ~piano_out;    
    end else begin
        piano_out <= piano_out;
    end
end

五、功能展示及说明

具体内容已在视频中展示，下面简述一下操作：通过复位按钮开始，起始的时间为00h00m00s，起始的闹钟为00h00m00s。为了防止调闹钟过程中意外触发闹钟，操作面板共计有七个内容：当前时刻的时、分、秒设置，闹钟的时、分、秒设置，以及空白就绪态。闹钟仅会在空白就绪态触发。左侧按钮调整操作面板内容，右侧按钮使得数值增加。当闹钟响起后，再次按下右侧按钮将停止彩灯闪烁，音乐会在触发后5s自动停止。

六、遇到的难题及解决方案

主要难题在音乐播放以及文字展示上，文字展示通过上学习平台查询相关代码得以理解学习，通过工具将汉字点阵化，再输入到板子中，通过将所有需要使用到的汉字预先载入，就可以实现汉字的展示。音乐播放则是需要将音乐片段的节奏以及音调使用蜂鸣器实现，该部分在实现过程中遇到的问题较多，例如板载资源不足以完整复现歌曲，需要通过降低歌曲的连续性来做到复现。

附：资源占用情况