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用FPGA演奏《小星星》：EGO1开发板上的音乐之旅

你有没有想过，一块看起来冷冰冰的FPGA开发板，其实可以“唱歌”？在数字逻辑课的大作业中，很多同学都遇到过这样一个任务：让EGO1开发板通过蜂鸣器播放一段音乐。听起来像魔法，但其实它背后是一套严谨而优美的硬件设计逻辑。

今天，我们就以“播放《小星星》”为例，带你从零开始，一步步实现一个完整的基于Vivado的蜂鸣器音乐播放系统。不堆术语、不讲空话，只说你能听懂、能复现、能调试清楚的实战细节。

为什么选蜂鸣器音乐作为大作业？

在众多FPGA课程项目中，“点亮LED”太简单，“UART通信”又偏底层，而“音乐播放”恰好卡在一个完美的平衡点上：

• 它需要你理解时序控制；
• 要掌握状态机建模；
• 涉及频率生成与定时精度；
• 还得会用ROM存储数据（乐谱）；
• 最关键的是——你能听见结果！

没错，这是少有的能让老师和室友同时听到你“成功了”的项目。失败时是刺耳杂音，成功那一刻，当熟悉的“Do Do Sol Sol La La Sol”响起，那种成就感，值回所有熬夜。

核心挑战拆解：三个关键技术模块

要让FPGA发出悦耳旋律，不能靠瞎试。我们必须把问题拆成三块来解决：

1. 怎么让蜂鸣器响？
2. 怎么让它发出不同的音高（Do、Re、Mi）？
3. 怎么控制节奏，让每个音符按时长准确播放？

这三问，对应的就是我们整个系统的三大核心模块：蜂鸣器驱动器 + 音符频率发生器 + 节拍控制器 + 主控状态机。

我们一个一个来看。

第一步：让蜂鸣器发声——无源蜂鸣器的本质

EGO1开发板上通常接的是无源电磁式蜂鸣器，它不像有源蜂鸣器那样通电就“嘀”一声，而是像个微型喇叭，必须给它输入一定频率的方波信号才能发声。

🔧 类比理解：就像你对着笛子吹气，频率决定音调高低；FPGA就是那个“吹气的人”，只不过吹的是电平翻转。

Xilinx Artix-7 的 IO 可以直接驱动这种蜂鸣器，但要注意：
- 最大输出电流约12mA；
- 建议串联一个220Ω~1kΩ 的限流电阻，保护 FPGA 引脚；
- 输出信号为 50% 占空比的方波即可。

所以我们的目标很明确：产生指定频率的方波。

第二步：把“Do Re Mi”变成数字信号

音乐的本质是频率。标准音阶中，每个音符都有对应的科学频率：

我们要做的，就是把这些频率“翻译”成 FPGA 能处理的计数周期。

假设主时钟为100MHz，要生成 261Hz 的方波，意味着每秒要翻转 522 次（上升沿+下降沿），即每半个周期持续约 1,915,708 个时钟周期。

于是我们可以这样设计：

// 音符频率发生器 module tone_generator ( input clk, input rst, input [6:0] note, // 音符编码 input enable, output reg beep // 蜂鸣器输出 ); parameter CLK_FREQ = 100_000_000; // 查表法：音符 → 频率（简化取整） localparam [18:0] freq_lookup[13] = '{ 0, // 0: 休止符 261, // 1: C4 294, // 2: D4 330, // 3: E4 349, // 4: F4 392, // 5: G4 440, // 6: A4 494, // 7: B4 523, // 8: C5 587, // 9: D5 659, // 10: E5 698, // 11: F5 784 // 12: G5 }; reg [31:0] counter; reg [18:0] target_period; // 计算半周期计数值：N = f_clk / (2 * f_note) always @(*) begin if (note == 0 || note >= 13) target_period = 0; else target_period = CLK_FREQ / freq_lookup[note] / 2; end always @(posedge clk or posedge rst) begin if (rst) begin counter <= 0; beep <= 0; end else if (enable && target_period > 0) begin if (counter >= target_period - 1) begin counter <= 0; beep <= ~beep; // 翻转输出 end else begin counter <= counter + 1; end end else begin beep <= 0; // 关闭输出 end end endmodule

📌关键点说明：
- 使用freq_lookup数组做音符映射，清晰易扩展；
- 计算的是“半周期”，因为每次翻转才构成完整波形；
- 当note=0或无效时，关闭输出，避免误响。

第三步：节奏怎么控？节拍定时器来了

光有音高还不够，还得知道这个音该“唱多久”。比如四分音符0.5秒，八分音符0.25秒。

我们可以设定一个基础节拍单位（例如每拍500ms，对应120BPM），然后用计数器精确倒计时。

module beat_timer #( parameter BEAT_MS = 500, parameter CLK_FREQ = 100_000_000 )( input clk, input rst, input start, output reg done ); localparam COUNT_MAX = CLK_FREQ * BEAT_MS / 1000; reg [31:0] count; always @(posedge clk or posedge rst) begin if (rst) begin count <= 0; done <= 0; end else if (start) begin count <= 0; done <= 0; end else if (count < COUNT_MAX - 1) begin count <= count + 1; done <= 0; end else begin done <= 1; end end endmodule

🎯 参数化设计的好处：换首歌只需要改BEAT_MS，不用动逻辑。

第四步：谁来指挥全局？有限状态机登场

现在我们有了“发声引擎”和“节拍器”，但谁来协调它们工作？答案是：有限状态机（FSM）。

我们定义几个状态，让播放流程自动流转：

• IDLE：等待播放指令
• FETCH：从ROM读取当前音符
• PLAY：启动蜂鸣器
• WAIT：等待节拍结束
• NEXT：索引+1，准备下一音
• STOP：播放完毕

下面是完整控制器代码：

module music_player ( input clk, input rst, input play, output reg [6:0] note_out, output reg enable_tone, output wire done_play ); typedef enum logic [2:0] { IDLE, FETCH, PLAY, WAIT, NEXT, STOP } state_t; state_t state, next_state; reg [7:0] current_index; wire beat_done; assign done_play = (state == STOP); // 实例化节拍定时器 beat_timer #(.BEAT_MS(500)) u_timer ( .clk(clk), .rst(rst), .start(state == PLAY), .done(beat_done) ); // 状态寄存 always @(posedge clk or posedge rst) begin if (rst) state <= IDLE; else state <= next_state; end // 状态转移逻辑 always @(*) begin case (state) IDLE: next_state = play ? FETCH : IDLE; FETCH: next_state = PLAY; PLAY: begin enable_tone = 1; note_out = song_rom[current_index]; next_state = WAIT; end WAIT: next_state = beat_done ? NEXT : WAIT; NEXT: begin current_index = current_index + 1; if (song_rom[current_index] == 7'h7F) next_state = STOP; else next_state = FETCH; end STOP: next_state = IDLE; default: next_state = IDLE; endcase end // 存储乐谱：《小星星》前两行 reg [6:0] song_rom[0:15] = '{ 1, 1, 5, 5, 6, 6, 5, // Do Do Sol Sol La La Sol 4, 4, 3, 3, 2, 2, 1, // Fa Fa Mi Mi Re Re Do 7'h7F // 结束标志 }; endmodule

🎵乐谱编码规则：
-1=C4,5=G4,6=A4…
-7’h7F表示结束

你可以轻松修改这段数组换成《欢乐颂》《生日快乐》，甚至加入附点节奏（通过调整BEAT_MS动态传参实现）。

系统整合与EGO1部署要点

整体架构图（文字版）

clk (100MHz) ↓ [music_player FSM] ↙ ↘ note_out start_timer ↓ ↓ tone_generator ← beat_timer ↓ beep → [EGO1 JB[0]] → 蜂鸣器

Vivado工程关键步骤

1. 创建RTL工程，添加上述三个模块；
2. 使用Clocking Wizard IP锁相环生成稳定100MHz时钟（若板载50MHz需倍频）；
3. 将beep信号绑定到实际引脚（如JB[0]）；
4. 编写XDC约束文件：

set_property PACKAGE_PIN J1 [get_ports {beep}]; set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {beep}]; set_property PACKAGE_PIN D9 [get_ports {play}]; # 按键输入 set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {play}];

5. 综合 → 实现 → 生成比特流 → 下载到EGO1。

常见坑点与调试秘籍

🔧问题1：完全没声音？

• ✅ 检查蜂鸣器是否接对（正负极别反）；
• ✅ 查看XDC是否正确绑定引脚；
• ✅ 用LED测试beep是否翻转（可用ILA抓信号）；

🔧问题2：声音沙哑或频率不准？

• ⚠️ 查表频率是否四舍五入过度？建议保留更多位宽计算；
• 💡 改用更精确公式：target_period = CLK_FREQ / (2 * freq)，使用实数运算预计算；

🔧问题3：节奏忽快忽慢？

• ✅ 确保beat_timer的start只在进入PLAY状态时触发一次；
• ❌ 避免在组合逻辑里反复置位start导致重置计数器；

🔧问题4：播完不停？

• ✅ 检查ROM结尾是否有明确结束标记（如7’h7F）；
• ✅ 在NEXT状态判断索引越界；

💡加分技巧：
- 加一个LED，在PLAY状态亮起，直观看到播放进度；
- 用两个按键：一个“播放”，一个“暂停/继续”；
- 扩展多首歌曲选择（用拨码开关选曲目）；

写在最后：这不是终点，而是起点

当你第一次听到FPGA奏出《小星星》时，别急着关电脑。想想下一步：

• 能不能加个低音伴奏通道？
• 能不能解析MIDI文件自动播放？
• 能不能做个简易电子琴，用按键实时弹奏？

这个看似简单的“大作业”，其实是通往音频DSP、嵌入式系统、软硬协同设计的大门钥匙。

更重要的是，它教会你一件事：硬件不是冰冷的逻辑门，它可以有旋律，也可以有温度。

下次答辩时，不必只展示波形截图。按下按钮，让评委听见你的作品——那才是最动人的“运行成功”。

🎶 用代码谱写旋律，让硅片奏响乐章。这才是FPGA的魅力所在。

如果你在实现过程中遇到了其他挑战，欢迎在评论区分享讨论。