基础知识之Buzzer - 蜂鸣器

和LED常用于发光指示一样，作为一种声音模块，蜂鸣器常被用于做发声的功能。有源蜂鸣器通过内置的振荡器，发出单一固定频率提示性报警声音；无源蜂鸣器是通过不同频率的脉冲驱动，可以发出不同频率的声音信号。

蜂鸣器的分类： 按其结构主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型：

• 电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场，振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。
• 压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成，当接通电源后（1.5～15V直流工作电压），多谐振荡器起振,输出1.5～2.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。

按是否带有信号源分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器两种类型：

• 有源蜂鸣器只需要在其供电端加上额定直流电压，其内部的震荡器就可以产生固定频率的信号，驱动蜂鸣器发出声音。
• 无源蜂鸣器可以理解成与喇叭一样，需要在其供电端上加上高低不断变化的电信号才可以驱动发出声音。

本章节主要介绍无源蜂鸣器的驱动，FPGA或MCU的GPIO口驱动能力弱，不能直接驱动无源蜂鸣器，常用的蜂鸣器驱动电路如下：

蜂鸣器使用NPN三极管（9013）驱动，三极管当开关用，当基极电压拉高时，蜂鸣器通电，当基极电压拉低时，蜂鸣器断电，MCU或FPGA控制GPIO口给三极管的基极输出不同频率的脉冲信号，蜂鸣器就可以发出不同的音节。 不同音节与蜂鸣器震荡频率的对应关系如下：

• Play Tones Using the PWM
• Play Three Tones
• Play a Scale
• Play Mario on MicroPython
• 播放音频文件
• 转换MP3音频文件为Wav文件
• buzzer_music

在FPGA中使用PWM来驱动蜂鸣器，使用计数器对系统时钟进行分频，改变计数器的计数终值从而实现调节PWM信号频率的目的，使用PWM信号控制蜂鸣器电路。

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// >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> COPYRIGHT NOTICE <<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<
// --------------------------------------------------------------------
// Module: Beeper// Author: Step// Description: Beeper
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// Code Revision History :
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// Version: |Mod. Date:   |Changes Made:
// V1.0     |2016/04/20   |Initial ver
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module Beeper(input					clk_in,		//系统时钟
input					rst_n_in,	//系统复位，低有效
input					tone_en,	//蜂鸣器使能信号
input			[4:0]	tone,		//蜂鸣器音节控制
output	reg				piano_out	//蜂鸣器控制输出); 
/*
无源蜂鸣器可以发出不同的音节，与蜂鸣器震动的频率（等于蜂鸣器控制信号的频率）相关，
为了让蜂鸣器控制信号产生不同的频率，我们使用计数器计数（分频）实现，不同的音节控制对应不同的计数终值（分频系数）
计数器根据计数终值计数并分频，产生蜂鸣器控制信号
*/ 
reg [15:0] time_end;
//根据不同的音节控制，选择对应的计数终值（分频系数）
//低音1的频率为261.6Hz，蜂鸣器控制信号周期应为12MHz/261.6Hz = 45871.5，
//因为本设计中蜂鸣器控制信号是按计数器周期翻转的，所以几种终值 = 45871.5/2 = 22936
//需要计数22936个，计数范围为0 ~ (22936-1)，所以time_end = 22935
always@(tone) begin
	case(tone)
		5'd1:	time_end =	16'd22935;	//L1,
		5'd2:	time_end =	16'd20428;	//L2,
		5'd3:	time_end =	16'd18203;	//L3,
		5'd4:	time_end =	16'd17181;	//L4,
		5'd5:	time_end =	16'd15305;	//L5,
		5'd6:	time_end =	16'd13635;	//L6,
		5'd7:	time_end =	16'd12147;	//L7,
		5'd8:	time_end =	16'd11464;	//M1,
		5'd9:	time_end =	16'd10215;	//M2,
		5'd10:	time_end =	16'd9100;	//M3,
		5'd11:	time_end =	16'd8589;	//M4,
		5'd12:	time_end =	16'd7652;	//M5,
		5'd13:	time_end =	16'd6817;	//M6,
		5'd14:	time_end =	16'd6073;	//M7,
		5'd15:	time_end =	16'd5740;	//H1,
		5'd16:	time_end =	16'd5107;	//H2,
		5'd17:	time_end =	16'd4549;	//H3,
		5'd18:	time_end =	16'd4294;	//H4,
		5'd19:	time_end =	16'd3825;	//H5,
		5'd20:	time_end =	16'd3408;	//H6,
		5'd21:	time_end =	16'd3036;	//H7,
		default:time_end =	16'd65535;	
	endcaseend reg [17:0] time_cnt;//当蜂鸣器使能时，计数器按照计数终值（分频系数）计数
	always@(posedge clk_in or negedge rst_n_in) begin
	if(!rst_n_in) begin
		time_cnt <= 1'b0;
	end else if(!tone_en) begin
		time_cnt <= 1'b0;
	end else if(time_cnt>=time_end) begin
		time_cnt <= 1'b0;
	end else begin
		time_cnt <= time_cnt + 1'b1;
	endend //根据计数器的周期，翻转蜂鸣器控制信号
	always@(posedge clk_in or negedge rst_n_in) begin
	if(!rst_n_in) begin
		piano_out <= 1'b0;
	end else if(time_cnt==time_end) begin
		piano_out <= ~piano_out;	//蜂鸣器控制输出翻转，两次翻转为1Hz
	end else begin
		piano_out <= piano_out;
	end
	end endmodule