一、实验任务
利用FPGA进行代码开发,使蜂鸣器演奏出乐曲《生日快乐》,将音调显示在数码管。原理为蜂鸣器为交流源蜂鸣器,在引脚上加一定频率的方波就可以发声,而且发声的频率由所加方波决定。这样我们就可以根据无源蜂鸣器的原理进行发声练习了。
二、代码实现
由于需要蜂鸣器发声且数码管显示音调,所以我们将代码分为两部分。
第一部分用于产生音调的方波。第二部分为数码管显示。
(一)产生音调
(1)PreDiv 预置分频数模块
将48M晶振分频12M,再计算得出各个音调的频率,公式为12M÷音调频率÷2,所得即为预置分频数。程序中只编写了低音和中音的14个音。
module prediv( input [3:0]Index, input clk, input Reset_n, output reg[15:0] PreDiv ); always @ (negedge Reset_n or posedge clk) if(!Reset_n) begin PreDiv<=16\'h5997; end else begin case(Index) 4\'d1:PreDiv<=16\'h5997; 4\'d2:PreDiv<=16\'h4FCD; 4\'d3:PreDiv<=16\'h471B; 4\'d4:PreDiv<=16\'h431E; 4\'d5:PreDiv<=16\'h3BCA; 4\'d6:PreDiv<=16\'h3544; 4\'d7:PreDiv<=16\'h2F74; 4\'d8:PreDiv<=16\'h2CCA; 4\'d9:PreDiv<=16\'h27E8; 4\'d10:PreDiv<=16\'h238D; 4\'d11:PreDiv<=16\'h218E; 4\'d12:PreDiv<=16\'h1DE5; 4\'d13:PreDiv<=16\'h1AA2; 4\'d14:PreDiv<=16\'h17BA; endcase end endmodule
(2)Index 索引数模块
为了便于代码书写,需要引用索引数(其实加一个ROM更为方便),即使用“5“为低音”so",如简谱一样,可以更为方便的编写乐曲。毕竟乐曲有很多音符,如果每次都用预置数编写程序,程序书写和查错会非常不方便。当然这也是verilog语言的魅力之处。
module index( input clk, input reset_n, output reg[3:0]index ); reg[5:0]cnt; wire clk2m; wire clk2000; wire clk2; defparam clk_rhythm1.divdWIDTH=3,clk_rhythm1.divdFACTOR=12;//24分频2M div clk_rhythm1( .reset(reset_n), .clkin(clk), .clkout(clk2m) ); defparam clk_rhythm2.divdWIDTH=8,clk_rhythm2.divdFACTOR=500;//1000分频2000hz div clk_rhythm2( .reset(reset_n), .clkin(clk2m), .clkout(clk2000) ); defparam clk_rhythm3.divdWIDTH=8,clk_rhythm3.divdFACTOR=500;//1000分频2hz div clk_rhythm3( .reset(reset_n), .clkin(clk2000), .clkout(clk2) ); always @ (negedge reset_n or posedge clk2) if(!reset_n) begin index<=4\'d0; cnt<=6\'h0; end else begin if(cnt==6\'d42) cnt<=6\'h0; else cnt<=cnt+1\'b1; case(cnt) 6\'d1:index<=4\'d5; 6\'d2:index<=4\'d5; 6\'d3:index<=4\'d6; 6\'d4:index<=4\'d6; 6\'d5:index<=4\'d5; 6\'d6:index<=4\'d5; 6\'d7:index<=4\'d8; 6\'d8:index<=4\'d8; 6\'d9:index<=4\'d7; 6\'d10:index<=4\'d7; 6\'d11:index<=4\'d5; 6\'d12:index<=4\'d5; 6\'d13:index<=4\'d6; 6\'d14:index<=4\'d6; 6\'d15:index<=4\'d5; 6\'d16:index<=4\'d5; 6\'d17:index<=4\'d9; 6\'d18:index<=4\'d9; 6\'d19:index<=4\'d8; 6\'d20:index<=4\'d8; 6\'d21:index<=4\'d5; 6\'d22:index<=4\'d5; 6\'d23:index<=4\'d12; 6\'d24:index<=4\'d12; 6\'d25:index<=4\'d10; 6\'d26:index<=4\'d10; 6\'d27:index<=4\'d8; 6\'d28:index<=4\'d8; 6\'d29:index<=4\'d7; 6\'d30:index<=4\'d7; 6\'d31:index<=4\'d6; 6\'d32:index<=4\'d6; 6\'d33:index<=4\'d11; 6\'d34:index<=4\'d11; 6\'d35:index<=4\'d10; 6\'d36:index<=4\'d10; 6\'d37:index<=4\'d8; 6\'d38:index<=4\'d8; 6\'d39:index<=4\'d9; 6\'d40:index<=4\'d9; 6\'d41:index<=4\'d8; 6\'d42:index<=4\'d8; endcase end endmodule
(3)节拍
歌曲中不仅有音调还要有快慢,这个快慢即为节拍。所以我们还是分频分出节拍为0.5s一拍。具体代码见上一部分。
(二)数码管显示
数码管显示的原理是利用人眼的视觉暂留0.05s,数码管动态扫描时间小于等于0.05s,人眼看到数码管就是一直在显示,根据这个原理,我们将音调显示在数码管上。音调即为上文提到的索引数,所以我们编写代码的思路就为将索引数输入,进行一些运算,在数码管上显示。道理十分简单。
module smdisplay(clk,rst,index,dataout,en); input clk,rst; input [3:0]index; output[7:0] dataout; output[3:0] en;//COM使能输出 reg[7:0] dataout;//各段数据输出 reg[3:0] en; reg[15:0] cnt_scan;//扫描频率计数器 reg[3:0] dataout_buf; always@(posedge clk or negedge rst) begin if(!rst) begin //低电平复位 cnt_scan<=0; end else begin cnt_scan<=cnt_scan+1; end end always @(cnt_scan)//段码扫描频率 begin case(cnt_scan[15:14]) 2\'b00 : en = 4\'b1110; 2\'b01 : en = 4\'b1101; 2\'b10 : en = 4\'b1011; 2\'b11 : en = 4\'b0111; default : en = 4\'b1110; endcase end always@(en or index) //对应COM信号给出各段数据,段码 begin if(index>=1 && index<=7) case(en) 4\'b1110: dataout_buf<=index; 4\'b1101: dataout_buf<=0; 4\'b1011: dataout_buf<=0; 4\'b0111: dataout_buf<=0; default: dataout_buf<=8; endcase else if(index >=8 && index <=14) case(en) 4\'b1110: dataout_buf<=0; 4\'b1101: dataout_buf<=index - 4\'d7; 4\'b1011: dataout_buf<=0; 4\'b0111: dataout_buf<=0; default: dataout_buf<=8; endcase else case(en) 4\'b1110: dataout_buf<=0; 4\'b1101: dataout_buf<=0; 4\'b1011: dataout_buf<=index - 4\'d14; 4\'b0111: dataout_buf<=0; default: dataout_buf<=8; endcase end always@(dataout_buf) begin case(dataout_buf) //将要显示的数字译成段码 4\'b0000://0 dataout=8\'b0000_0011; 4\'b0001://1 dataout=8\'b1001_1111; 4\'b0010://2 dataout=8\'b0010_0101; 4\'b0011://3 dataout=8\'b0000_1101; 4\'b0100://4 dataout=8\'b1001_1001; 4\'b0101://5 dataout=8\'b0100_1001; 4\'b0110://6 dataout=8\'b0100_0001; 4\'b0111://7 dataout=8\'b0001_1111; 4\'b1000://8 dataout=8\'b0000_0001; 4\'b1001://9 dataout=8\'b0000_1001; default://这里仅编译了0-9这几个数字 dataout=8\'b1111_1111;//全灭 endcase end endmodule
之后,我们在顶层编写,将各个模块连接起来。输入输出分清楚。再进行管脚的绑定,我们就可以进行程序的烧写了!烧写如我们所料,可以演奏音乐,并且在数码管上显示音调。
三、感悟
这是在一年前大学里学了EDA课程后,再一次拾起。年轻时候由于EDA是选修课程,尽管很感兴趣也很喜欢讲授课程的老师,但是还是没有很重视起来,觉得这些课程像高数大物之类般看看书完成完成课后作业便可以了,可是在每一次完成老师布置的大作业时的吃力,至今想想还是不容小觑的。那时的我不会查资料,不会从网上看别人发的经验帖,更是看代码也十分粗糙,也不会用仿真软件。总结起来就是不知道这些与时俱进的技术怎么学。现在很高兴的是,我又一次的拾起来这些大概还没忘记的知识。由于实习,我又一次接触了FPGA,并且将其作为我的毕设题目。这次,我一定要吸取经验,努力提高自己。如果不知道该努力什么,那么就把自己现在所面临的每一件事情做好。加油。