STEP FPGA驱动无源蜂鸣器模块
本节将和大家一起使用FPGA驱动底板上的无源蜂鸣器模块实现不同音节的输出。
硬件说明
蜂鸣器的分类:
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:
- 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。
- 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:
- 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。
- 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。
本章节和大家一起学习无源蜂鸣器的驱动,FPGA或单片机的GPIO口驱动能力弱,不能直接驱动无源蜂鸣器,常用的蜂鸣器驱动电路如下:
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。
不同音节与蜂鸣器震荡频率的对应关系如下:
我们使用PWM的方法(关于PWM的说明,快速入门中的脉冲发生器章节有详细的介绍),使用计数器对系统时钟进行分频,改变计数器的计数终值从而实现调节PWM信号频率的目的,使用PWM信号控制蜂鸣器电路。
Verilog代码
// -------------------------------------------------------------------- // >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> COPYRIGHT NOTICE <<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<< // -------------------------------------------------------------------- // Module: Beeper // // Author: Step // // Description: Beeper // // Web: www.stepfapga.com // // -------------------------------------------------------------------- // Code Revision History : // -------------------------------------------------------------------- // Version: |Mod. Date: |Changes Made: // V1.0 |2016/04/20 |Initial ver // -------------------------------------------------------------------- module Beeper ( input clk_in, //系统时钟 input rst_n_in, //系统复位,低有效 input tone_en, //蜂鸣器使能信号 input [4:0] tone, //蜂鸣器音节控制 output reg piano_out //蜂鸣器控制输出 ); /* 无源蜂鸣器可以发出不同的音节,与蜂鸣器震动的频率(等于蜂鸣器控制信号的频率)相关, 为了让蜂鸣器控制信号产生不同的频率,我们使用计数器计数(分频)实现,不同的音节控制对应不同的计数终值(分频系数) 计数器根据计数终值计数并分频,产生蜂鸣器控制信号 */ reg [15:0] time_end; //根据不同的音节控制,选择对应的计数终值(分频系数) //低音1的频率为261.6Hz,蜂鸣器控制信号周期应为12MHz/261.6Hz = 45871.5, //因为本设计中蜂鸣器控制信号是按计数器周期翻转的,所以几种终值 = 45871.5/2 = 22936 //需要计数22936个,计数范围为0 ~ (22936-1),所以time_end = 22935 always@(tone) begin case(tone) 5'd1: time_end = 16'd22935; //L1, 5'd2: time_end = 16'd20428; //L2, 5'd3: time_end = 16'd18203; //L3, 5'd4: time_end = 16'd17181; //L4, 5'd5: time_end = 16'd15305; //L5, 5'd6: time_end = 16'd13635; //L6, 5'd7: time_end = 16'd12147; //L7, 5'd8: time_end = 16'd11464; //M1, 5'd9: time_end = 16'd10215; //M2, 5'd10: time_end = 16'd9100; //M3, 5'd11: time_end = 16'd8589; //M4, 5'd12: time_end = 16'd7652; //M5, 5'd13: time_end = 16'd6817; //M6, 5'd14: time_end = 16'd6073; //M7, 5'd15: time_end = 16'd5740; //H1, 5'd16: time_end = 16'd5107; //H2, 5'd17: time_end = 16'd4549; //H3, 5'd18: time_end = 16'd4294; //H4, 5'd19: time_end = 16'd3825; //H5, 5'd20: time_end = 16'd3408; //H6, 5'd21: time_end = 16'd3036; //H7, default:time_end = 16'd65535; endcase end reg [17:0] time_cnt; //当蜂鸣器使能时,计数器按照计数终值(分频系数)计数 always@(posedge clk_in or negedge rst_n_in) begin if(!rst_n_in) begin time_cnt <= 1'b0; end else if(!tone_en) begin time_cnt <= 1'b0; end else if(time_cnt>=time_end) begin time_cnt <= 1'b0; end else begin time_cnt <= time_cnt + 1'b1; end end //根据计数器的周期,翻转蜂鸣器控制信号 always@(posedge clk_in or negedge rst_n_in) begin if(!rst_n_in) begin piano_out <= 1'b0; end else if(time_cnt==time_end) begin piano_out <= ~piano_out; //蜂鸣器控制输出翻转,两次翻转为1Hz end else begin piano_out <= piano_out; end end endmodule
小结
本节主要为大家讲解了蜂鸣器的不同类型及无源蜂鸣器的驱动原理,需要大家掌握的同时自己创建工程,通过整个设计流程,生成FPGA配置文件加载测试。
如果你对Diamond软件的使用不了解,请参考这里:Diamond的使用。
相关资料
使用STEP-MXO2第二代的蜂鸣器控制程序: 后续会有下载连接 待更新
使用STEP-MAX10的蜂鸣器控制程序: 后续会有下载连接 待更新