教你如何用一块FPGA开发板制作音乐盒？！

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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！

下面开始吧....

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

4.曲子：

告诉音乐盒：你已经是一个成熟的音乐盒了，创作曲子是你自己应该要做好的事情。