設(shè)計(jì)原理

在之前也出了幾篇源碼系列，基本上都是一些小設(shè)計(jì)，源碼系列主要就會想通過實(shí)操訓(xùn)練讓各位學(xué)習(xí)者，尤其是初學(xué)者去更好的理解學(xué)習(xí)FPGA，或者給要的學(xué)生提供一些源碼，之前設(shè)計(jì)過各個芯片的配置等，之后筆者會通過簡單的例子來讓大家去系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和認(rèn)識FPGA。本次的電子琴設(shè)計(jì)也算是一次簡單的各個模塊的聯(lián)系調(diào)用的一個過程，也可以幫助各位去加深理解，多動手，熟練掌握會有意想不到的效果。

本次的設(shè)計(jì)主要是通過控制ps2鍵盤來使蜂鳴器發(fā)出哆來咪法嗦拉西7種音，音符又有高低音之分等，本次只選擇發(fā)出高音的多來咪發(fā)嗦啦西。本設(shè)計(jì)中還用到了VGA的設(shè)計(jì)，通過VGA來在顯示屏上畫出如下圖的黑白的電子琴鍵：

當(dāng)按下多來咪發(fā)嗦啦西時，對應(yīng)的鍵值變顏色表示按下，不變色表示不按下，顏色自己可以調(diào)節(jié)，但是琴的按鍵必須為黑白色來顯示出來。

當(dāng)按下按鍵的時候，蜂鳴器來鳴響對應(yīng)時間的音符，本設(shè)計(jì)蜂鳴器響的時間為0.25S一個音符持續(xù)的時間。

本次設(shè)計(jì)用到的PS2和VGA的設(shè)計(jì)原理筆者在這里就不過多的介紹了，不明白的可以翻看前面發(fā)的文檔內(nèi)容。

在本設(shè)計(jì)中介紹蜂鳴器的使用和各音符發(fā)聲的頻率大小。本設(shè)計(jì)用的是無源蜂鳴器，原理圖如下：

由于FPGA的驅(qū)動能力不夠，我們添加了一個三極管來驅(qū)動這個無源蜂鳴器，而無源蜂鳴器的主要特點(diǎn)是內(nèi)部不帶振蕩源，所以如果使用直流信號是無法使無源蜂鳴器鳴叫的，必須使用方波去驅(qū)動它。

現(xiàn)在我們明白了，只要往蜂鳴器發(fā)送一定頻率的方波，就可以使得蜂鳴器發(fā)出聲音，然后現(xiàn)在的問題是，我們究竟要往蜂鳴器發(fā)送什么頻率的方波信號呢？具體的頻率可以查看下圖：

現(xiàn)在我們知道如何讓蜂鳴器響起，又知道發(fā)送什么頻率可以讓蜂鳴器響起什么的聲音，所以我相信我們已經(jīng)有能力讓蜂鳴器響起我們需要的音樂了。

設(shè)計(jì)架構(gòu)

設(shè)計(jì)架構(gòu)圖：

在這里沒有去畫設(shè)計(jì)框架圖，就直接給大家展示RTL級視圖，各位也可以通過RTL級視圖看到設(shè)計(jì)的總框架。

設(shè)計(jì)代碼

頂層模塊music_ps2代碼：

module music_ps2(clk, rst_n, hs, vs, r_g_b, ps2_clk, ps2_data, beep);
  
  input clk;
  input rst_n;


  output  hs;
  output  vs;
  output  [7:0]r_g_b;
  output  beep;
  
  input ps2_clk;
  input ps2_data;
  
  wire flag;
  wire [7:0] data, data_n;
  wire clk_1M;
  
  
  frenp frep_dut(
    .clk(clk),
    .rst_n(rst_n),
    .clk_1M(clk_1M)
    );
    
  ps2_rec rec_dut(
    .clk(clk_1M),
    .rst_n(rst_n),
    .ps2_clk(ps2_clk),
    .ps2_data(ps2_data),
    .flag(flag),
    .data(data)
  );
  
  decode decode_dut(
    .clk(clk_1M),
    .rst_n(rst_n),
    .flag(flag),
    .data(data),
    .data_n(data_n)
  );
  
  music music_dut(
    .clk(clk_1M),
    .rst_n(rst_n),
    .data_n(data_n),
    .beep(beep)
  );
  
  vga vga_dut(
    .clk(clk),
    .rst_n(rst_n),
    .hs(hs),
    .vs(vs),
    .r_g_b(r_g_b),
    .data_n(data_n)
  );
endmodule 

蜂鳴器music模塊代碼：

module music(clk, rst_n, data_n, beep); 端口列表


  input clk;
  input rst_n;
  input [7:0] data_n;  //輸入的鍵值
  output reg beep;     //蜂鳴器
  
  reg [10:0] music_data;
  wire [10:0] data;


  always @ (posedge clk)
    if(!rst_n)
      begin
        music_data <= 0;
      end
    else
      case (data_n)
        1  :  music_data <= 478;  //蜂鳴器的高音1
        2  :  music_data <= 425;  //蜂鳴器的高音2
        3  :  music_data <= 379;  //蜂鳴器的高音3
        4  :  music_data <= 358;  //蜂鳴器的高音4
        
        5  :  music_data <= 319;  //蜂鳴器的高音5
        6  :  music_data <= 284;  //蜂鳴器的高音6
        7  :  music_data <= 253;  //蜂鳴器的高音7
        default: music_data <= 0;
      endcase
  
  
  reg [20:0] count, cnt;


  always @ (posedge clk)
    if(!rst_n && !data_n)
      begin
        count <= 0;
      end
    else
      if(count < 250_000 - 1)
        begin
          count <= count + 1;
        end
      else
        begin
          count <= 0;
        end
  
  //計(jì)數(shù)0.25S的時間
  assign data = (count == 250_000 - 1) ? music_data : data;
   
  always @ (posedge clk)
    if(!rst_n)
      begin
        cnt <= 1;
        beep <= 0;
      end
    else
      if(data == 0)    //控制蜂鳴器不響
        begin
          cnt <= 1;
          beep <= 0;
        end
      else if(cnt < data)    //計(jì)數(shù)對應(yīng)的頻率
        begin
          cnt <= cnt + 1;
        end
      else
        begin
          cnt <= 1;     //蜂鳴器響
          beep <= ~beep;
        end






endmodule 

frenp模塊代碼：

module frenp(clk,rst_n,clk_1M);


  input clk;
  input rst_n;
  
  output reg clk_1M;
  
  reg [4:0] count;
  
  always @(posedge clk or negedge rst_n)
    if(!rst_n)
      begin
        count <= 5'd0;
        clk_1M <= 1'b1;
      end
    else
      begin
        if(count == 50_000_000 / 1000_000 / 2 - 1)
          begin
            count <= 5'd0;
            clk_1M <= ~clk_1M;
          end
        else
          begin
            count <= count + 1'b1;
          end
      end


endmodule

module vga(
      clk,
      rst_n,
      hs,
      vs,
      r_g_b,
      data_n
      );
  input clk;
  input rst_n;
  input [7:0] data_n;


  output reg hs;
  output reg vs;
  output reg [7:0]r_g_b;


  reg [10:0] count_hs;  //列計(jì)數(shù)
  reg [10:0] count_vs; //行計(jì)數(shù)
  parameter h_a=96,h_b=48,h_c=640,h_d=16,h_e=800,
         v_a=2,v_b=33,v_c=480,v_d=10,v_e=525;




  reg clk_25M;
  always @ (posedge clk)
    if(!rst_n)
      clk_25M <= 1;
    else
      clk_25M <= ~ clk_25M;
  /*================列掃描=================*/


  always@(posedge clk_25M or negedge rst_n )
    begin
      if(!rst_n)
        begin
        count_hs<=0;
        end 
      else
        begin
          if(count_hs==h_e)
            count_hs<=0;
          else
            count_hs<=count_hs+11'd1;
        end 
    end 
  /*================行掃描=================*/
  always@(posedge clk_25M or negedge rst_n )
    begin
      if(!rst_n)
        begin
      count_vs<=0;
        end 
      else
        begin
          if(count_vs==v_e)
            count_vs<=0;
          else
            begin
              if(count_hs==h_e)
                count_vs<=count_vs+11'd1;
              else
                count_vs<=count_vs;
            end
        end 
    end 
  /*================列同步=================*/
  always@(posedge clk_25M or negedge rst_n )
    begin
      if(!rst_n)
        begin
        hs<=1;
        end 
      else
        begin
          if(count_hs>=h_a)
            hs<=1;
          else
            hs<=0;  
        end 
    end 
  /*================行同步=================*/
  always@(posedge clk_25M or negedge rst_n )
    begin
      if(!rst_n)
        begin
        vs<=1;
        end 
      else
        begin
          if(count_vs>=v_a)
            vs<=1;
          else
            vs<=0;
        end 
    end 
    /*=============有效區(qū)域顯示====================*/
  reg yes;
  always@(posedge clk_25M or negedge rst_n)
    begin
      if(!rst_n)
        begin
          yes <= 0;
        end 
      else
        begin
          if((count_hs>h_a+h_b)&&(count_hsv_a+v_b)&&(count_vs 100 )
          flag <= 1;   
        else if ((count_hs - (144 + 30 * 1)) <= 30  && count_vs < 400 && count_vs > 100 )
          flag <= 0;   // 黑
        else if ((count_hs - (144 + 30 * 2)) <= 30  && count_vs < 400 && count_vs > 100 )
          flag <= 2;     
        else if ((count_hs - (144 + 30 * 3)) <= 30  && count_vs < 400 && count_vs > 100 )
          flag <= 0; 
        else if ((count_hs - (144 + 30 * 4)) <= 30  && count_vs < 400 && count_vs > 100 )
          flag <= 3;   
        else if ((count_hs - (145 + 30 * 5)) <= 4  && count_vs > 100 )
          flag <= 0;   
      
        else if ((count_hs - (149 + 30 * 5)) <= 30  && count_vs < 400 && count_vs > 100 )
          flag <= 4;   // 白
        else if ((count_hs - (149 + 30 * 6)) <= 30  && count_vs < 400 && count_vs > 100 )
          flag <= 0;   // 黑
        else if ((count_hs - (149 + 30 * 7)) <= 30  && count_vs < 400 && count_vs > 100 )
          flag <= 5;     
        else if ((count_hs - (149 + 30 * 8)) <= 30  && count_vs < 400 && count_vs > 100 )
          flag <= 0; 
        else if ((count_hs - (149 + 30 * 9)) <= 30  && count_vs < 400 && count_vs > 100 )
          flag <= 6;   
        else if ((count_hs - (149 + 30 * 10)) <= 30  && count_vs < 400 && count_vs > 100 )
          flag <= 0;  
        else if ((count_hs - (149 + 30 * 11)) <= 30  && count_vs < 400 && count_vs > 100 )
          flag <= 7;     
        else if ((count_hs - (150 + 30 * 12))  <= 4  && count_vs > 100 )
          flag <= 0;  
        
        
        else if (count_hs < 186 && count_vs >= 400)
            flag <= 1; 
        else if (count_hs < 190 && count_vs >= 400)
            flag <= 0; 
        else if (count_hs < 234 + 12 && count_vs >= 400)
            flag <= 2;  
        else if (count_hs < 250 && count_vs >= 400)
            flag <= 0;   
        else if (count_hs < 295 && count_vs >= 400)
            flag <= 3;  
        
        
        else if (count_hs < 329 + 12 && count_vs >= 400)
            flag <= 4; 
        else if (count_hs < 329 + 16 && count_vs >= 400)
            flag <= 0;  
        else if (count_hs < 389+12 && count_vs >= 400)
            flag <= 5;   
        else if (count_hs < 389 + 16 && count_vs >= 400)
            flag <= 0;  
        else if (count_hs < 449 + 12   && count_vs >= 400)
            flag <= 6; 
        else if (count_hs < 449 + 16&& count_vs >= 400)
            flag <= 0; 
        else if (count_hs < 510 && count_vs >= 400)
            flag <= 7; 
        else
          flag <= 8; ;
        
      end
    else
      flag<=0;


  reg [1:0] state;
    
  always @ (posedge clk)
    if(!rst_n)
      begin
        state <= 0;
        r_g_b<=8'b000_000_00;
      end
    else 
      if(data_n)
        begin
          if(flag == data_n)
            r_g_b<=8'b111_100_11;
          else if(flag != data_n && flag !=8 && flag !=0)
            r_g_b<=8'b111_111_111;
          else if (flag == 0)
            r_g_b<=8'b000_000_000;
          else if(flag == 8)
            r_g_b<=8'b000_111_00;
        end
      else
        begin
          if(flag !=8 && flag !=0)
            r_g_b<=8'b111_111_111;
          else if (flag == 0)
            r_g_b<=8'b000_000_000;
          else if(flag == 8)
            r_g_b<=8'b000_111_00;
            
        end
        
endmodule

module ps2_rec(clk,rst_n,ps2_clk,ps2_data,flag,data);


  input clk;
  input rst_n;
  input ps2_clk;
  input ps2_data;
  
  output reg flag;
  output  [7:0] data;
  
  wire  nege_dge;
  
  reg  [1:0] signle_s;
  always @ (posedge clk or negedge rst_n)
    if(!rst_n)
      begin
        signle_s <= 2'b11;
      end
    else
      begin
        signle_s[0] <= ps2_clk;
        signle_s[1] <= signle_s[0];
      end
  
  assign nege_dge = ~signle_s[0] && signle_s[1]; 


  
  reg [3:0] count;
  reg [10:0] temp ;
  
  assign data = temp[8:1];
  
  always @  (posedge clk or negedge rst_n)
    if(!rst_n)
      begin
        count <= 4'd0;
        flag <= 1'b0;
        temp <= 11'd0;
      end
    else
      begin
        if(nege_dge && count < 11)
          begin
            count <= count + 1'd1;
            temp[count] <= ps2_data;
          end
        else
          begin
            if(count == 11)
              begin
                count <= 4'd0;
                flag <= 1'b1;
              end
            else
              begin
                flag <= 1'b0;
              end
          end
      end
??????
endmodule