蜂鸣器演奏乐曲设计与Verilog实现 系统设计

蜂鸣器演奏乐曲是一种常见的数字系统设计练习。本文将介绍如何使用Verilog语言设计一个能够演奏指定乐曲的蜂鸣器控制系统。

1. 系统概述

本系统由蜂鸣器模块和控制模块组成，其中控制模块通过时钟信号控制蜂鸣器模块的输出，从而实现演奏指定乐曲的目的。

2. 系统设计

2.1 蜂鸣器模块

蜂鸣器模块的主要功能是输出指定频率的正弦波信号。根据正弦波的公式，我们可以得出如下的输出信号：

assign sin_out = sin_addr[11] ? ~sin_out_pre : sin_out_pre;
assign sin_addr = sin_addr_pre + sin_step;

其中，sin_out_pre表示上一个时钟周期的正弦波输出值，sin_addr_pre表示上一个时钟周期的正弦波地址，sin_step为每个时钟周期地址的增量。根据正弦波的性质，我们可以通过改变sin_step来改变输出频率。

2.2 控制模块

控制模块的主要功能是控制蜂鸣器模块的输出，从而实现演奏指定乐曲的目的。

在控制模块中，我们需要定义一个指定乐曲的时序脉冲信号。每个时序脉冲信号的周期代表一个音符的持续时间，而每个时序脉冲信号的高电平时间代表该音符的频率。

always @(posedge clk or negedge rst) begin
    if(~rst) begin
        tone_step <= 12'b0;
        tone_addr <= 12'b0;
        tone_pulse <= 1'b0;
    end else begin
        if(tone_pulse) begin
            tone_addr <= tone_addr + tone_step;
        end
        if(count == 1) begin
            tone_pulse <= ~tone_pulse;
            if(tone_pulse) begin
                tone_step <= tone_data[tone_index][11:0];
                tone_addr <= 12'b0;
                tone_index <= tone_index + 1;
            end
        end
    end
end

其中，tone_data表示指定乐曲的频率数据，每个元素代表一个音符的频率。tone_index表示当前演奏的音符序号，tone_step表示当前音符的地址增量，tone_addr表示当前正弦波的地址。count表示当前时序脉冲信号的计数器，当计数器为1时，需要切换到下一个音符。

3. 系统实现

在实现时，我们需要将蜂鸣器模块和控制模块集成起来。

module buzzer(
    input clk,
    input rst,
    output reg sin_out
);

    reg [11:0] sin_addr_pre; // 正弦波地址
    reg [11:0] sin_step; // 正弦波地址增量
    reg sin_out_pre; // 上一个时钟周期的正弦波输出值

    // 蜂鸣器模块
    assign sin_out = sin_addr[11] ? ~sin_out_pre : sin_out_pre;
    assign sin_addr = sin_addr_pre + sin_step;

    always @(posedge clk or negedge rst) begin
        if(~rst) begin
            sin_addr_pre <= 12'b0;
            sin_step <= 12'b0;
            sin_out_pre <= 1'b0;
        end else begin
            sin_addr_pre <= sin_addr;
            sin_step <= 12'd10;
            sin_out_pre <= sin_out;
        end
    end

endmodule

module buzzer_controller(
    input clk,
    input rst,
    output reg [11:0] sin_addr,
    input [11:0] tone_data[7]
);

    reg [11:0] tone_step; // 音符地址增量
    reg [11:0] tone_addr; // 音符地址
    reg [2:0] count; // 时序脉冲信号计数器
    reg [2:0] tone_index; // 当前演奏的音符序号
    reg tone_pulse; // 时序脉冲信号

    // 控制模块
    always @(posedge clk or negedge rst) begin
        if(~rst) begin
            tone_step <= 12'b0;
            tone_addr <= 12'b0;
            tone_pulse <= 1'b0;
            count <= 3'd0;
            tone_index <= 3'd0;
        end else begin
            if(tone_pulse) begin
                tone_addr <= tone_addr + tone_step;
            end
            if(count == 3'd1) begin
                tone_pulse <= ~tone_pulse;
                if(tone_pulse) begin
                    tone_step <= tone_data[tone_index][11:0];
                    tone_addr <= 12'b0;
                    tone_index <= tone_index + 1;
                end
            end
            if(count == 3'd7) begin
                count <= 3'd0;
            end else begin
                count <= count + 1;
            end
        end
    end

    assign sin_addr = tone_pulse ? tone_addr : 12'b0;

endmodule

module buzzer_top(
    input clk,
    input rst,
    output reg sin_out
);

    wire [11:0] sin_addr;
    wire [11:0] tone_data[7] = {
        12'd477, // C
        12'd425, // D
        12'd379, // E
        12'd357, // F
        12'd318, // G
        12'd283, // A
        12'd252 // B
    };

    buzzer_controller controller(clk, rst, sin_addr, tone_data);
    buzzer buzzer(clk, rst, sin_out);

endmodule

在实现时，我们需要将蜂鸣器模块和控制模块实例化起来，并通过wire连接起来。tone_data数组中存储了指定乐曲的频率数据，通过修改该数组中的元素可以演奏不同的乐曲。

4. 总结

本文介绍了如何使用Verilog语言设计一个能够演奏指定乐曲的蜂鸣器控制系统。该系统由蜂鸣器模块和控制模块组成，其中控制模块通过时序脉冲信号控制蜂鸣器模块的输出，从而实现演奏指定乐曲的目的。