基礎知識之Buzzer - 蜂鳴器

和LED常用于發光指示一樣，作為一種聲音模塊，蜂鳴器常被用于做發聲的功能。有源蜂鳴器通過內置的振蕩器，發出單一固定頻率提示性報警聲音；無源蜂鳴器是通過不同頻率的脈沖驅動，可以發出不同頻率的聲音信號。

蜂鳴器的分類： 按其結構主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器兩種類型：

• 電磁式蜂鳴器由振蕩器、電磁線圈、磁鐵、振動膜片及外殼等組成。接通電源后，振蕩器產生的音頻信號電流通過電磁線圈，使電磁線圈產生磁場，振動膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下，周期性地振動發聲。
• 壓電式蜂鳴器主要由多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器及共鳴箱、外殼等組成。多諧振蕩器由晶體管或集成電路構成，當接通電源后（1.5～15V直流工作電壓），多諧振蕩器起振,輸出1.5～2.5kHZ的音頻信號，阻抗匹配器推動壓電蜂鳴片發聲。

按是否帶有信號源分為有源蜂鳴器和無源蜂鳴器兩種類型：

• 有源蜂鳴器只需要在其供電端加上額定直流電壓，其內部的震蕩器就可以產生固定頻率的信號，驅動蜂鳴器發出聲音。
• 無源蜂鳴器可以理解成與喇叭一樣，需要在其供電端上加上高低不斷變化的電信號才可以驅動發出聲音。

本章節主要介紹無源蜂鳴器的驅動，FPGA或MCU的GPIO口驅動能力弱，不能直接驅動無源蜂鳴器，常用的蜂鳴器驅動電路如下：

蜂鳴器使用NPN三極管（9013）驅動，三極管當開關用，當基極電壓拉高時，蜂鳴器通電，當基極電壓拉低時，蜂鳴器斷電，MCU或FPGA控制GPIO口給三極管的基極輸出不同頻率的脈沖信號，蜂鳴器就可以發出不同的音節。 不同音節與蜂鳴器震蕩頻率的對應關系如下：

• Play Tones Using the PWM
• Play Three Tones
• Play a Scale
• Play Mario on MicroPython
• 播放音頻文件
• 轉換MP3音頻文件為Wav文件
• buzzer_music

在FPGA中使用PWM來驅動蜂鳴器，使用計數器對系統時鐘進行分頻，改變計數器的計數終值從而實現調節PWM信號頻率的目的，使用PWM信號控制蜂鳴器電路。

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// >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> COPYRIGHT NOTICE <<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<
// --------------------------------------------------------------------
// Module: Beeper// Author: Step// Description: Beeper
// --------------------------------------------------------------------
// Code Revision History :
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// Version: |Mod. Date:   |Changes Made:
// V1.0     |2016/04/20   |Initial ver
// --------------------------------------------------------------------
module Beeper(input					clk_in,		//系統時鐘
input					rst_n_in,	//系統復位，低有效
input					tone_en,	//蜂鳴器使能信號
input			[4:0]	tone,		//蜂鳴器音節控制
output	reg				piano_out	//蜂鳴器控制輸出); 
/*
無源蜂鳴器可以發出不同的音節，與蜂鳴器震動的頻率（等于蜂鳴器控制信號的頻率）相關，
為了讓蜂鳴器控制信號產生不同的頻率，我們使用計數器計數（分頻）實現，不同的音節控制對應不同的計數終值（分頻系數）
計數器根據計數終值計數并分頻，產生蜂鳴器控制信號
*/ 
reg [15:0] time_end;
//根據不同的音節控制，選擇對應的計數終值（分頻系數）
//低音1的頻率為261.6Hz，蜂鳴器控制信號周期應為12MHz/261.6Hz = 45871.5，
//因為本設計中蜂鳴器控制信號是按計數器周期翻轉的，所以幾種終值 = 45871.5/2 = 22936
//需要計數22936個，計數范圍為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;//當蜂鳴器使能時，計數器按照計數終值（分頻系數）計數
	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 //根據計數器的周期，翻轉蜂鳴器控制信號
	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;	//蜂鳴器控制輸出翻轉，兩次翻轉為1Hz
	end else begin
		piano_out <= piano_out;
	end
	end endmodule