• 任务：基于 STEP-MAX10M08核心板 和 STEP BaseBoard V3.0底板 完成简易电子琴设计并观察调试结果
• 要求：按动矩阵键盘，驱动底板无源蜂鸣器发出产生不同音调，弹奏一首《小星星》。
• 解析：通过FPGA编程驱动矩阵键盘电路，获取矩阵键盘键入的信息，然后通过编码将键盘输出的信息译码成对应的音节数据，最后通过PWM发生模块驱动底板上的无源蜂鸣器发出声音。

在基础数字电路实验部分我们已经掌握了FPGA设计PWM信号发生器的原理及方法，上节实验中又学习了矩阵键盘的驱动原理及方法，本实验主要学习无源蜂鸣器的驱动原理，同时熟悉PWM发生模块及矩阵键盘驱动模块的实例化应用。

• 熟悉PWM信号发生驱动模块和矩阵键盘驱动模块的应用
• 了解无源蜂鸣器的驱动原理及方法
• 完成简易电子琴设计实现

根据前面的实验解析我们可以得知，该设计总体可以拆分成两个功能模块实现，

• ArrayKeyBoard：通过驱动矩阵键盘工作获取键盘的操作信息数据。 * Beeper：根据键盘按键信息驱动无源蜂鸣器发出不同的音节。 顶层模块ElectricPiano通过实例化两个子模块并将对应的信号连接，最终实现简易电子琴的总体设计。我们知道无源蜂鸣器是通过交流信号驱动的，FPGA可以通过输出不同频率的PWM脉冲信号控制蜂鸣器产生不同的音节输出，所以上面Beeper模块又可以拆分成两个功能模块实现其功能
• tone：通过编码方式将键盘的操作信息译码成对应的PWM周期信息。
• PWM：根据PWM周期信息产生对应的PWM脉冲信号。

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。

我们STEP BaseBoard V3.0底板上集成的蜂鸣器为无源电磁式蜂鸣器，接下来和大家一起学习无源蜂鸣器的驱动

无源蜂鸣器没有集成振荡器，需要外部提供震荡激励，当震荡频率不同时发出不同的音调，对于数字系统来说，方波信号产生方便可靠，成为外部震荡激励的首选，方波信号输入谐振装置转换为声音信号输出，电磁式蜂鸣器需要的驱动电流较高，一般单片机和FPGA管脚驱动能力有限不能直接驱动，常用三极管增加驱动能力，另外电磁式蜂鸣器内部含有感应线圈，在电路通断瞬间会产生感应电势，为保证电路长期稳定的工作，最好增加续流二极管设计，STEP BaseBoard V3.0底板蜂鸣器驱动电路如下：

注：不需要蜂鸣器工作时，控制器BEEP端口输出低电平，管脚配置下拉（pull dowm）模式

蜂鸣器使用NPN三极管（S8050）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，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。

1. 双击打开Quartus Prime工具软件；
2. 新建工程：File → New Project Wizard（工程命名，工程目录选择，设备型号选择，EDA工具选择）；
3. 新建文件：File → New → Verilog HDL File，键入设计代码并保存；
4. 设计综合：双击Tasks窗口页面下的Analysis & Synthesis对代码进行综合；
5. 管脚约束：Assignments → Assignment Editor，根据项目需求分配管脚；
6. 设计编译：双击Tasks窗口页面下的Compile Design对设计进行整体编译并生成配置文件；
7. 程序烧录：点击Tools → Programmer打开配置工具，Program进行下载；
8. 观察设计运行结果。