学会这些,用FPGA开发板制作音乐盒就是这么简单!

相信大家已经在网上见识过很多“民间大神”们的天才（奇葩）手工DIY了，一些简简单单的材料在他们的捣鼓下，瞬间华丽转身，变废为宝。今天，我们为大家整理了一位手工大神的DIY心得——如何利用FPGA开发板DIY一个音乐盒，也就是如何使我们的FPGA播放声音和音乐！

首先需生成单个音调，然后慢慢地做更有趣的事情，如制作警报声和播放曲调。

需要准备的硬件

该项目使用的是一个Pluto的FPGA开发板，还有一个扬声器和一个1kΩ的电阻。

更加直观的展示是下面这样的：

本次DIY的音乐盒分为4个部分：

1.简单的哔哔声

2.警报声

3.音调

4.曲子

1.简单的哔哔声

FPGA可以轻松实现二进制计数器。例如，在回滚之前，16位计数器将从0到65535（65536个不同的值）计数。Pluto板具有一个25MHz的时钟振荡器，因此我们可以轻松构建一个25MHz时钟16位自动计数器。其最高位切换频率为25000000/65536 = 381Hz。

其Verilog HDL的代码如下：

module music(clk, speaker);

input clk;

output speaker;

// 首先创建一个16位二级制计数器

reg[15:0] counter;

always@(posedge clk) counter <= counter+1;

// 使用计数器的最高有效位来驱动扬声器

assign speaker = counter[15];

endmodule

详细讲解的话就是，“clk”在25MHz下运行，“counter [0]”看起来像是一个12.5MHz信号（它以25MHz的频率进行更新变化，变化的值为0 1 0 1 ......因此看起来像12.5MHz信号），“counter [1]“是6.125MHz信号，依此类推。

由于我们使用计数器的最高有效位（第15位）来驱动输出，因此“扬声器”输出会产生一个完美的381Hz方波信号。

2.警报声

我们可以在两个音调之间循环。我们首先用一个24位计数器的“音调”来产生一个较慢的方波。其MSB（最高有效位）“tone[23]”是一1.5Hz的频率进行变换的。

然后我们就可以用这个最高有效位切换到另一个计数器，从而在两个频率之间切换。

代码如下：

module music(clk, speaker);

input clk;

output speaker;

parameter clkdivider =25000000/440/2;

reg[23:0] tone;

always@(posedge clk) tone <= tone+1;

reg[14:0] counter;

always@(posedge clk)if(counter==0) counter <=(tone[23]? clkdivider-1: clkdivider/2-1);else counter <= counter-1;

reg speaker;

always@(posedge clk)if(counter==0) speaker <=~speaker;

endmodule

3.演奏音符

现在我们想要演奏一首曲子，所以需要来获取不同的音符，就像电子琴一样。

如果我们用6位来实现音符，那么我可以获得64个音符。每个八度一共有12个音符，所以64个音符可以实现5个八度，完全足够弹奏一首曲目了。

步骤1

要想实现一组音调不断升高的声音，我们用一个28位计数器来距离，提取其中6个MSB，从而给到6位的音调。

代码如下：

reg[27:0] tone;

always@(posedge clk) tone <= tone+1;

wire[5:0] fullnote = tone[27:22];

在25MHz的时钟下，每个音符持续167ms，64个音符一共需要10.6s才能演奏完成。

步骤2

我们将“fullnote”分成12份。这样就可以给到我们一个八度（一共有5个8度，所以我们只需要3位，从0到4）和音符（从0到11，需要4位）。

代码如下：

wire[2:0] octave;

wire[3:0] note;

divide_by12 divby12(.numer(fullnote[5:0]),.quotient(octave),.remain(note));

此处用了一个叫divide_by12的子模块来实现分频。细节稍后讲解。

步骤3

从一个八度到另一个八度，频率乘以了“2”。这个在硬件上很容易实现，我们在步骤4上进行实现。但是要从一个音符到另一个音符，频率就要乘以1.0594。这样的话就没那么容易在硬件上实现了，所以我们需要看下提前计算好的音符值。

我们将主时钟除以512得到音符A，除以483得到音符A#，除以456得到音符B…记住，除以一个更低的值得到的是更高的音符。

一个八度下的音符数值如下：

always@(note)

case(note)

0: clkdivider =512-1;// A

1: clkdivider =483-1;// A#/Bb

2: clkdivider =456-1;// B

3: clkdivider =431-1;// C

4: clkdivider =406-1;// C#/Db

5: clkdivider =384-1;// D

6: clkdivider =362-1;// D#/Eb

7: clkdivider =342-1;// E

8: clkdivider =323-1;// F

9: clkdivider =304-1;// F#/Gb

10: clkdivider =287-1;// G

11: clkdivider =271-1;// G#/Ab

12: clkdivider =0;// should never happen

13: clkdivider =0;// should never happen

14: clkdivider =0;// should never happen

15: clkdivider =0;// should never happen

endcase

always@(posedge clk)if(counter_note==0) counter_note <= clkdivider;else counter_note <= counter_note-1;

每当counter_note等于0时，就进入到下一个八度。

步骤4

现在我们要处理好不同的八度，对于最低的八度，我们将“counter_note”除以256，对于第二个八度，除以128，以此类推。

reg[7:0] counter_octave;

always@(posedge clk)

if(counter_note==0)

begin

if(counter_octave==0)

counter_octave<=(octave==0?255:octave==1?127:octave==2?63:octave==3?31:octave==4?15:7);

else

counter_octave <= counter_octave-1;

end

reg speaker;

always@(posedge clk)if(counter_note==0&&counter_octave==0)speaker <=~speaker;

完整代码如下：

module music(clk, speaker);

input clk;

output speaker;

reg[27:0] tone;

always@(posedge clk) tone <= tone+1;

wire[5:0] fullnote = tone[27:22];

wire[2:0] octave;

wire[3:0] note;

divide_by12 divby12(.numer(fullnote[5:0]),.quotient(octave),.remain(note));

reg[8:0] clkdivider;

always@(note)

case(note)

0: clkdivider =512-1;// A

1: clkdivider =483-1;// A#/Bb

2: clkdivider =456-1;// B

3: clkdivider =431-1;// C

4: clkdivider =406-1;// C#/Db

5: clkdivider =384-1;// D

6: clkdivider =362-1;// D#/Eb

7: clkdivider =342-1;// E

8: clkdivider =323-1;// F

9: clkdivider =304-1;// F#/Gb

10: clkdivider =287-1;// G

11: clkdivider =271-1;// G#/Ab

12: clkdivider =0;// should never happen

13: clkdivider =0;// should never happen

14: clkdivider =0;// should never happen

15: clkdivider =0;// should never happen

endcase

reg[8:0] counter_note;

always@(posedge clk)if(counter_note==0) counter_note <= clkdivider;else counter_note <= counter_note-1;

reg[7:0] counter_octave;

always@(posedge clk)

if(counter_note==0)

begin

if(counter_octave==0)

counter_octave <=(octave==0?255:octave==1?127:octave==2?63:octave==3?31:octave==4?15:7);

else

counter_octave <= counter_octave-1;

end

reg speaker;

always@(posedge clk)if(counter_note==0&& counter_octave==0) speaker <=~speaker;

endmodule