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用FPGA玩转家庭音乐时间，《两只老虎》轻松上手！

创作时间:

作者:

@小白创作中心

用FPGA玩转家庭音乐时间，《两只老虎》轻松上手！

引用

CSDN

等

来源

https://blog.csdn.net/XiaoYiDeXiaoYi/article/details/131795646

https://blog.csdn.net/qq_54843159/article/details/135886983

https://m.blog.csdn.net/qq_37278781/article/details/129566579

https://blog.csdn.net/weixin_45499902/article/details/131610799

https://zhuanlan.zhihu.com/p/298121950

https://blog.csdn.net/qq_54347584/article/details/132086162

https://wk.baidu.com/view/a47e14276f175f0e7cd184254b35eefdc9d31578

https://m.blog.csdn.net/baidu_34971492/article/details/143179010

https://vlab.ustc.edu.cn/guide/doc_fpga.html

10.

https://www.cnblogs.com/zclv/p/15179756.html

11.

https://developer.aliyun.com/article/1450636

12.

https://doc.embedfire.com/fpga/altera/ep4ce10_pro/zh/latest/code/sd_music.html

用FPGA玩转家庭音乐时间，让科技与艺术完美结合！今天，我们就以《两只老虎》为例，手把手教你用FPGA实现音乐播放，让DIY电子项目变得更加有趣。

什么是FPGA？

FPGA（Field-Programmable Gate Array）是现场可编程门阵列的缩写，它是一种可编程的集成电路。与传统的CPU不同，FPGA通过硬件描述语言（如Verilog或VHDL）直接控制硬件电路，可以实现各种复杂的数字逻辑功能。FPGA的主要特点包括：

可编程性：用户可以根据需要配置电路功能
并行处理能力：可以同时执行多个任务
灵活性：可以随时修改设计
高性能：运行速度远高于软件实现

音乐频率与FPGA的关系

在FPGA中实现音乐播放，关键是要将音乐的频率转换为FPGA可以处理的数字信号。我们以《两只老虎》为例，这首歌的主旋律主要由几个基本音符组成，每个音符都有其对应的频率。例如，C大调的do（C）的频率是261.63Hz，re（D）是293.66Hz，mi（E）是329.63Hz，以此类推。

在FPGA中，我们通常使用50MHz的系统时钟。要实现不同频率的音符，我们需要将50MHz的时钟通过分频器转换为相应的频率。例如，要产生261.63Hz的do音，我们需要计算：

[ \text{分频系数} = \frac{50,000,000}{261.63} \approx 191,176 ]

这意味着我们需要一个计数器，当计数到191,176时产生一个脉冲，以此来控制蜂鸣器发出do音。

FPGA音乐播放系统设计

要实现《两只老虎》的音乐播放，我们需要设计以下几个关键模块：

分频器模块：将50MHz的系统时钟转换为所需的音符频率
乐谱存储模块：使用ROM存储歌曲的乐谱信息
控制模块：控制音乐的播放和暂停
输出模块：通过蜂鸣器输出声音

分频器模块设计

分频器模块是整个系统的核心。我们需要设计一个可以动态调整分频系数的分频器，以便产生不同频率的音符。以下是分频器模块的基本代码框架：

module frequency_divider(
    input wire clk,
    input wire rst_n,
    input wire [15:0] divide_ratio,
    output reg beep
);

reg [24:0] counter;

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if (!rst_n) begin
        counter <= 0;
        beep <= 0;
    end else begin
        if (counter == divide_ratio - 1) begin
            counter <= 0;
            beep <= ~beep;
        end else begin
            counter <= counter + 1;
        end
    end
end

endmodule

乐谱存储模块

我们可以使用FPGA的ROM资源来存储《两只老虎》的乐谱。乐谱信息包括每个音符的频率分频系数和持续时间。以下是一个简单的ROM模块示例：

module music_rom(
    input wire clk,
    input wire [5:0] addr,
    output reg [15:0] data_out
);

reg [15:0] rom [0:47];

initial begin
    // 初始化ROM内容，存储《两只老虎》的乐谱
    // 每个数据包括分频系数和持续时间
    rom[0] = 16'd191176; // do
    rom[1] = 16'd170136; // re
    rom[2] = 16'd151988; // mi
    // ... 其他音符
end

always @(posedge clk) begin
    data_out <= rom[addr];
end

endmodule

控制模块

控制模块负责管理音乐的播放流程，包括读取ROM中的乐谱信息、控制分频器以及处理用户输入（如播放/暂停）。以下是控制模块的基本框架：

module music_controller(
    input wire clk,
    input wire rst_n,
    input wire play,
    output reg [5:0] rom_addr,
    output reg [15:0] freq_ratio
);

reg [24:0] timer;
reg playing;

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if (!rst_n) begin
        timer <= 0;
        rom_addr <= 0;
        freq_ratio <= 0;
        playing <= 0;
    end else begin
        if (play && !playing) begin
            playing <= 1;
            timer <= 0;
        end else if (!play && playing) begin
            playing <= 0;
        end

        if (playing) begin
            if (timer == freq_ratio) begin
                timer <= 0;
                rom_addr <= rom_addr + 1;
            end else begin
                timer <= timer + 1;
            end
        end
    end
end

endmodule

输出模块

最后，我们需要将分频器产生的信号连接到蜂鸣器。这通常通过一个简单的输出缓冲器实现：

module beep_output(
    input wire clk,
    input wire beep_signal,
    output reg speaker
);

always @(posedge clk) begin
    speaker <= beep_signal;
end

endmodule