最近做EDA课设，看到自己的买的板子上有蜂鸣器，所以就打算做一个FPGA控制蜂鸣器播放音乐。
  这里我使用的板子是睿智助学的FPGA开发板，板子上的芯片是EP4CE6E22C8，如果是你使用的是其他开发板或者是自己做的板子，就根据原理图，在写完代码时绑定相应的引脚下载代码即可。
  在FPGA上编写代码来完成播放音乐与使用STM32来实现此功能的思想不同。FPGA是用的硬件描述语言(HDL)去写的，因此在写代码的时候，心里其实就应该有一个硬件结构。根据硬件结构，通过HDL编写代码描述硬件功能，才是正确的思想。【如果把硬件描述语言单纯的认为是纯代码编写是错误的思想，与硬件贴合就是其特点】
  首先还是对音乐进行描述，这一部分我之前在用STM32蜂鸣器播放音乐的地方已经说了，这里就贴一下链接，大家如果对音乐有不明白的地方，可以先去那边文章看看。
【stm32蜂鸣器播放音乐】
  这里我就在简短的说明一下，蜂鸣器的要实现的效果。众所周知，每个音符因为频率不同，所以声音不一样。因为在FPGA上我是用占空比50%的方波来控制蜂鸣器，所以，方波的频率的不同，可以实现产生不同的声音。同时方波的个数，就相当于音符的持续时间。所以乐器要演奏，本质上控制控制方波的频率和方波的个数。
  因此，产生不同的声音就要产生不同频率的方波，不同频率就要对时钟分频。那么唯一的做法就是找一个基准频率时钟，通过修改分频比来产生不同的时钟频率。可是由于音阶频率多为非整数，而分频系数又不能为小数，所以必须将计算得到的分频数进行四舍五入取整。取整就会有误差，所以基准频率不能太小；如果基准频率过大也会导致分频数变大。在实际的设计中要综合考虑两个方面，在尽量减少频率误差的前提下取合适的基准频率。这里推荐的频率是以6MHz为基准频率，对于6MHz的频率要求并不是特别严格，在6MHz左右的基准频率也是可以的，如果想自己用其他的基准频率也是可以的，就是分频数就得自己再算一算。
  这里我参照的是王金明老师的《EDA技术与VerilogHDL设计》这本书。这里摘抄一下书的片段。
  为了减少输出的偶次谐波分量，最后输出到蜂鸣器的波形应为对称方波，因此在到达蜂鸣器之前，有一个二分频的分频器。下表的分频比就是在由6MHz频率二分频得到的3MHz频率的基础上计算得出的。如果用正弦波替代方波驱动蜂鸣器，将会有更好的效果。

  从表中可以看出，最大的分频系数为14468，故采用14位二进制计数器分频即可满足需要。除了给出分频比以外，还给出了对应于各个音阶频率时计数器不同的预置数。对于的分频系数，只要加载不同的预置数即可，对于乐曲中的休止符，只要将分频系数为0，即初始值为$2^{14}-1=16383$即可，此时扬声器不会发声。采用加载预置数实现分频的方法比采用反馈零法节省资源，实现起来也容易一些。
  音符的持续时间根据乐曲的速度及每个音符的节拍数来确定。这里的细节也可以参考我上面的文章。因为我的曲子有32分音符，同时4分音符的持续时间为$0.5s$，所以我需要$8/0.5=16$Hz的频率来产生32分音符的时长。
  关于音符差不多就到这了，接下来就是硬件的构思。首先我们需要一个分频器来产生6MHz的时钟，同时还需要一个分频器来产生16Hz的时钟，然后就是乐谱产生电路，最后一个数码管显示音符。
以下图片是相关模块的设计框图

这里解释一下为什么我上面的模块多了一个分频器，在教材中，它是直接对6MHz分频得到4Hz的频率，而我的曲子有32分音符，所以需要16Hz的频率，如果对6MHz的分频，分频系数就是小数，必然会产生不必要的误差，所以我就把50MHz再送到另一个分频器分频得到500KHz的频率，对这个频率再分频就能得到准确的16Hz时钟了。
关于为什么是对50MHz的时钟分频，这取决于你的板子所采用的时钟源频率，具体可以看你板子的原理图，这里我的板子所使用的晶振是50MHz，所以我是对50MHz进行分频，如果你的板子使用的是不同频率的晶振，就要根据你板子的晶振频率来计算相应的分频系数来到6MHz，以及16Hz（或者其他的频率值）

接下来就是对数码管模块的说明，因为我的数码管是公用8个段的，通过位选来控制点亮相应的数码管，所以我需要动态点亮数码管来在相应位置的数码管显示指定的音符。

如果你的数码管是独立的，即每个数码管有各自的8根段码线连接，那么你的数码管模块输出也是8个为一组作为一数码管的段码，如果要用3个数码管，也就是要24根线（这里也就是数码管的静态显示与动态显示的区别，如果不明白可以在网上查阅其他文章，其他文章应该有把这方面讲明白的，这里我就不再赘述了）
  好了，模块都已经讲清楚了，剩下的就是根据模块来写相应的代码。在实际的编写中，对模块的划分也是相当重要的，比起把代码都写在一个文件里，将不同的功能硬件代码划分出来，可以使代码条理更加清晰，功能明确，同时在后期的检查也十分方便，容易定位错误，也便于测试各个模块的功能。
下面就是贴代码了，具体细节我就都写在代码的注释里了

BrokenMoon2.v文件

module BrokenMoon2(clk50MHz,speaker,dataLed,High,Med,Low);input clk50MHz;output speaker;output[7:0] dataLed;output High,Med,Low;wire clk500KHz_to_clk16Hz;wire clk6MHz_to_music;wire clk16Hz_to_music;wire[3:0] musicHigh_to_LED8s,musicMed_to_LED8s,musicLow_to_LED8s;CLK6MHz myCLK6MHz(.clk50MHz(clk50MHz),.clk6MHz(clk6MHz_to_music));CLK500KHz myCLK500KHz(.clk50MHz(clk50MHz),.clk500KHz(clk500KHz_to_clk16Hz));CLK16Hz myCLK16Hz(.clk500KHz(clk500KHz_to_clk16Hz),.clk16Hz(clk16Hz_to_music));MUSIC myMUSIC(.clk6MHz(clk6MHz_to_music),.clk16Hz(clk16Hz_to_music),.speaker(speaker),.high(musicHigh_to_LED8s),.med(musicMed_to_LED8s),.low(musicLow_to_LED8s));LED8s myLED(.dataH(musicHigh_to_LED8s),.dataM(musicMed_to_LED8s),.dataL(musicLow_to_LED8s),.ledout(dataLed),.high(High),.med(Med),.low(Low));
endmodule 

CLK6MHz.v文件

/*通过时钟频率50MHz的时钟分频得到6MHz的时钟（6MHz是近似，实际是6.25MHz）*/
module CLK6MHz(clk50MHz,clk6MHz);input clk50MHz;//输入时钟50MHzoutput reg clk6MHz;//输出时钟6MHzreg[2:0] count8;always @(posedge clk50MHz) beginif(count8 == 7) begin count8 <= 0;clk6MHz <= 1;endelse begincount8 <= count8+1;clk6MHz <= 0;endend
endmodule 

CLK500KHz.v文件

/*将50MHz时钟分频为500KHz时钟，为得到16Hz时钟做准备*/
module CLK500KHz(clk50MHz,clk500KHz);input clk50MHz;output reg clk500KHz;reg[6:0] count100;always @(posedge clk50MHz) beginif(count100 == 99) begincount100 <= 0;clk500KHz <= 1;endelse begincount100 <= count100+1;clk500KHz <= 0;endend
endmodule 

CLK16Hz.v文件

/*通过对500KHz时钟分频得到16Hz时钟*/
module CLK16Hz(clk500KHz,clk16Hz);input clk500KHz;output reg clk16Hz;reg[15:0] count16;always @(posedge clk500KHz) beginif(count16 == 15625) beginclk16Hz <= ~clk16Hz;count16 <= 0;endelse count16 <= count16+1;end
endmodule 

MUSIC.v文件

module MUSIC(clk6MHz,clk16Hz,speaker,high,med,low);input clk6MHz,clk16Hz;output reg speaker;output reg[3:0] high,med,low;reg[13:0] divider,origin;reg carry;reg[7:0] counter;//曲子长度的度量//通过置数改变分频比always @(posedge clk6MHz) beginif(divider == 16383) begincarry <= 1;divider <= origin;endelse begindivider <= divider+1;carry <= 0;endend//2分频产生方波信号always @(posedge carry) beginspeaker <= ~speaker;end//根据不同的音符，预置分频比always @(posedge clk16Hz) begincase({high,med,low})'h001: origin <= 4915;		'h002: origin <= 6168;'h003: origin <= 7281;		'h004: origin <= 7792;'h005: origin <= 8730;		'h006: origin <= 9565;'h007: origin <= 10310;		'h010: origin <= 10647;'h020: origin <= 11272;		'h030: origin <= 11831;'h040: origin <= 12094;		'h050: origin <= 12556;'h060: origin <= 12947;		'h070: origin <= 13346;'h100: origin <= 13516;		'h200: origin <= 13829;'h300: origin <= 14109;		'h400: origin <= 14235;'h500: origin <= 14470;		'h600: origin <= 14678;'h700: origin <= 14864;		'h000: origin <= 16383;endcaseendalways @(posedge clk16Hz) beginif(counter == 255) counter <= 0;//注意counter的取值范围，跟你的曲子长度有关，不同的长度，记得修改上面声明counter的位数，避免数值溢出else counter <= counter+1;//曲子的音符与时间case(counter)//下面是我的乐谱，如果是要播放其他乐曲，在这里修改乐谱/*第1小节*///低3 长度40: {high,med,low} <= 'h003;1: {high,med,low} <= 'h003;2: {high,med,low} <= 'h003;3: {high,med,low} <= 'h003;//低5 长度44: {high,med,low} <= 'h005;5: {high,med,low} <= 'h005;6: {high,med,low} <= 'h005;7: {high,med,low} <= 'h005;//低6 长度48: {high,med,low} <= 'h006;9: {high,med,low} <= 'h006;10: {high,med,low} <= 'h006;11: {high,med,low} <= 'h006;//中1 长度412: {high,med,low} <= 'h010;13: {high,med,low} <= 'h010;14: {high,med,low} <= 'h010;15: {high,med,low} <= 'h010;/*第2小节*///中2 长度816: {high,med,low} <= 'h020;17: {high,med,low} <= 'h020;18: {high,med,low} <= 'h020;19: {high,med,low} <= 'h020;20: {high,med,low} <= 'h020;21: {high,med,low} <= 'h020;22: {high,med,low} <= 'h020;23: {high,med,low} <= 'h020;//中1 长度424: {high,med,low} <= 'h010;25: {high,med,low} <= 'h010;26: {high,med,low} <= 'h010;27: {high,med,low} <= 'h010;//中2 长度428: {high,med,low} <= 'h020;29: {high,med,low} <= 'h020;30: {high,med,low} <= 'h020;31: {high,med,low} <= 'h020;//中3 长度832: {high,med,low} <= 'h030;33: {high,med,low} <= 'h030;34: {high,med,low} <= 'h030;35: {high,med,low} <= 'h030;36: {high,med,low} <= 'h030;37: {high,med,low} <= 'h030;38: {high,med,low} <= 'h030;39: {high,med,low} <= 'h030;//中1 长度440: {high,med,low} <= 'h010;41: {high,med,low} <= 'h010;42: {high,med,low} <= 'h010;43: {high,med,low} <= 'h010;//低6 长度444: {high,med,low} <= 'h006;45: {high,med,low} <= 'h006;46: {high,med,low} <= 'h006;47: {high,med,low} <= 'h006;/*第3小节*///低5 长度448: {high,med,low} <= 'h005;49: {high,med,low} <= 'h005;50: {high,med,low} <= 'h005;51: {high,med,low} <= 'h005;//低3 长度452: {high,med,low} <= 'h003;53: {high,med,low} <= 'h003;54: {high,med,low} <= 'h003;55: {high,med,low} <= 'h003;//中1 长度456: {high,med,low} <= 'h010;57: {high,med,low} <= 'h010;58: {high,med,low} <= 'h010;59: {high,med,low} <= 'h010;//中2 长度460: {high,med,low} <= 'h020;61: {high,med,low} <= 'h020;62: {high,med,low} <= 'h020;63: {high,med,low} <= 'h020;//低6 长度864: {high,med,low} <= 'h006;65: {high,med,low} <= 'h006;66: {high,med,low} <= 'h006;67: {high,med,low} <= 'h006;68: {high,med,low} <= 'h006;69: {high,med,low} <= 'h006;70: {high,med,low} <= 'h006;71: {high,med,low} <= 'h006;//低6 长度472: {high,med,low} <= 'h006;73: {high,med,low} <= 'h006;74: {high,med,low} <= 'h006;75: {high,med,low} <= 'h006;//中1 长度476: {high,med,low} <= 'h010;77: {high,med,low} <= 'h010;78: {high,med,low} <= 'h010;79: {high,med,low} <= 'h010;/*第4小节*///中2 长度880: {high,med,low} <= 'h020;81: {high,med,low} <= 'h020;82: {high,med,low} <= 'h020;83: {high,med,low} <= 'h020;84: {high,med,low} <= 'h020;85: {high,med,low} <= 'h020;86: {high,med,low} <= 'h020;87: {high,med,low} <= 'h020;//中1 长度488: {high,med,low} <= 'h010;89: {high,med,low} <= 'h010;90: {high,med,low} <= 'h010;91: {high,med,low} <= 'h010;//中2 长度492: {high,med,low} <= 'h020;93: {high,med,low} <= 'h020;94: {high,med,low} <= 'h020;95: {high,med,low} <= 'h020;//中3 长度896: {high,med,low} <= 'h030;97: {high,med,low} <= 'h030;98: {high,med,low} <= 'h030;99: {high,med,low} <= 'h030;100: {high,med,low} <= 'h030;101: {high,med,low} <= 'h030;102: {high,med,low} <= 'h030;103: {high,med,low} <= 'h030;//中5 长度4104: {high,med,low} <= 'h050;105: {high,med,low} <= 'h050;106: {high,med,low} <= 'h050;107: {high,med,low} <= 'h050;//中6 长度4108: {high,med,low} <= 'h060;109: {high,med,low} <= 'h060;110: {high,med,low} <= 'h060;111: {high,med,low} <= 'h060;/*第5小节*///高1 长度4112: {high,med,low} <= 'h100;113: {high,med,low} <= 'h100;114: {high,med,low} <= 'h100;115: {high,med,low} <= 'h100;//中7 长度4116: {high,med,low} <= 'h070;117: {high,med,low} <= 'h070;118: {high,med,low} <= 'h070;119: {high,med,low} <= 'h070;//中6 长度1120: {high,med,low} <= 'h060;//中7 长度1121: {high,med,low} <= 'h070;//中6 长度2122: {high,med,low} <= 'h060;123: {high,med,low} <= 'h060;//中5 长度4124: {high,med,low} <= 'h050;125: {high,med,low} <= 'h050;126: {high,med,low} <= 'h050;127: {high,med,low} <= 'h050;//中6 长度8128: {high,med,low} <= 'h060;129: {high,med,low} <= 'h060;130: {high,med,low} <= 'h060;131: {high,med,low} <= 'h060;132: {high,med,low} <= 'h060;133: {high,med,low} <= 'h060;134: {high,med,low} <= 'h060;135: {high,med,low} <= 'h060;//中5 长度4136: {high,med,low} <= 'h050;137: {high,med,low} <= 'h050;138: {high,med,low} <= 'h050;139: {high,med,low} <= 'h050;//中3 长度4140: {high,med,low} <= 'h030;141: {high,med,low} <= 'h030;142: {high,med,low} <= 'h030;143: {high,med,low} <= 'h030;/*第6小节*///中2 长度8144: {high,med,low} <= 'h020;145: {high,med,low} <= 'h020;146: {high,med,low} <= 'h020;147: {high,med,low} <= 'h020;148: {high,med,low} <= 'h020;149: {high,med,low} <= 'h020;150: {high,med,low} <= 'h020;151: {high,med,low} <= 'h020;//中3 长度4152: {high,med,low} <= 'h030;153: {high,med,low} <= 'h030;154: {high,med,low} <= 'h030;155: {high,med,low} <= 'h030;//中1 长度4156: {high,med,low} <= 'h010;157: {high,med,low} <= 'h010;158: {high,med,low} <= 'h010;159: {high,med,low} <= 'h010;//中2 长度8160: {high,med,low} <= 'h020;161: {high,med,low} <= 'h020;162: {high,med,low} <= 'h020;163: {high,med,low} <= 'h020;164: {high,med,low} <= 'h020;165: {high,med,low} <= 'h020;166: {high,med,low} <= 'h020;167: {high,med,low} <= 'h020;//中1 长度4168: {high,med,low} <= 'h010;169: {high,med,low} <= 'h010;170: {high,med,low} <= 'h010;171: {high,med,low} <= 'h010;//中2 长度4172: {high,med,low} <= 'h020;173: {high,med,low} <= 'h020;174: {high,med,low} <= 'h020;175: {high,med,low} <= 'h020;/*第7小节*///中3 长度6176: {high,med,low} <= 'h030;177: {high,med,low} <= 'h030;178: {high,med,low} <= 'h030;179: {high,med,low} <= 'h030;180: {high,med,low} <= 'h030;181: {high,med,low} <= 'h030;//低6 长度2182: {high,med,low} <= 'h006;183: {high,med,low} <= 'h006;//中1 长度2184: {high,med,low} <= 'h010;185: {high,med,low} <= 'h010;//中2 长度2186: {high,med,low} <= 'h020;187: {high,med,low} <= 'h020;//中1 长度4188: {high,med,low} <= 'h010;189: {high,med,low} <= 'h010;190: {high,med,low} <= 'h010;191: {high,med,low} <= 'h010;//低6 长度8192: {high,med,low} <= 'h006;193: {high,med,low} <= 'h006;194: {high,med,low} <= 'h006;195: {high,med,low} <= 'h006;196: {high,med,low} <= 'h006;197: {high,med,low} <= 'h006;198: {high,med,low} <= 'h006;199: {high,med,low} <= 'h006;//低6 长度4200: {high,med,low} <= 'h006;201: {high,med,low} <= 'h006;202: {high,med,low} <= 'h006;203: {high,med,low} <= 'h006;//低5 长度4204: {high,med,low} <= 'h005;205: {high,med,low} <= 'h005;206: {high,med,low} <= 'h005;207: {high,med,low} <= 'h005;/*第8小节*///低6 长度6208: {high,med,low} <= 'h006;209: {high,med,low} <= 'h006;210: {high,med,low} <= 'h006;211: {high,med,low} <= 'h006;212: {high,med,low} <= 'h006;213: {high,med,low} <= 'h006;//低5 长度1214: {high,med,low} <= 'h005;//低6 长度1215: {high,med,low} <= 'h006;//中1 长度4216: {high,med,low} <= 'h010;217: {high,med,low} <= 'h010;218: {high,med,low} <= 'h010;219: {high,med,low} <= 'h010;//中2 长度4220: {high,med,low} <= 'h020;221: {high,med,low} <= 'h020;222: {high,med,low} <= 'h020;223: {high,med,low} <= 'h020;//中3 长度4224: {high,med,low} <= 'h030;225: {high,med,low} <= 'h030;226: {high,med,low} <= 'h030;227: {high,med,low} <= 'h030;//中2 长度4228: {high,med,low} <= 'h020;229: {high,med,low} <= 'h020;230: {high,med,low} <= 'h020;231: {high,med,low} <= 'h020;//低5 长度8232: {high,med,low} <= 'h005;233: {high,med,low} <= 'h005;234: {high,med,low} <= 'h005;235: {high,med,low} <= 'h005;236: {high,med,low} <= 'h005;237: {high,med,low} <= 'h005;238: {high,med,low} <= 'h005;239: {high,med,low} <= 'h005;/*第9小节*///低6 长度16240: {high,med,low} <= 'h006;241: {high,med,low} <= 'h006;242: {high,med,low} <= 'h006;243: {high,med,low} <= 'h006;244: {high,med,low} <= 'h006;245: {high,med,low} <= 'h006;246: {high,med,low} <= 'h006;247: {high,med,low} <= 'h006;248: {high,med,low} <= 'h006;249: {high,med,low} <= 'h006;250: {high,med,low} <= 'h006;251: {high,med,low} <= 'h006;252: {high,med,low} <= 'h006;253: {high,med,low} <= 'h006;254: {high,med,low} <= 'h006;255: {high,med,low} <= 'h006;default: {high,med,low} <= 'h000;endcaseend
endmodule 

LED8s.v文件

module LED8s(dataH,dataM,dataL,ledout,high,med,low);input[3:0] dataH,dataM,dataL;output reg[7:0] ledout;//输出位分别是abcdefgoutput high,med,low;//位选assign high = ~|dataH;//位选线低电平有效，根据原理图来写assign med = ~|dataM;assign low = ~|dataL;always @(*) begincase(dataH|dataM|dataL)//译码，将相应的数字译码使其在数码管上显示相应的数字0: ledout <= 8'b0000_0011;1: ledout <= 8'b1001_1111;2: ledout <= 8'b0010_0101;3: ledout <= 8'b0000_1101;4: ledout <= 8'b1001_1001;5: ledout <= 8'b0100_1001;6: ledout <= 8'b0100_0001;7: ledout <= 8'b0001_1111;8: ledout <= 8'b0000_0001;9: ledout <= 8'b0000_1001;default: ledout <= 8'b1111_1111;endcaseend
endmodule 

这些都完成之后，就是在quartus中进行编译（记得设置顶层文件，这里我的顶层文件是BrokenMoon2.v文件），然后引脚绑定再编译一次，最后下载到板子里就能看到结果了。