基于STM32定時(shí)器的PWM音樂(lè)播放功能的實(shí)現(xiàn)

基于32位的STM32F103，利用PWM產(chǎn)生的音頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器演奏樂(lè)曲，實(shí)現(xiàn)了音樂(lè)播放器的應(yīng)用設(shè)計(jì)。該播放器能實(shí)現(xiàn)從低音到高音的21個(gè)音階，并能根據(jù)樂(lè)譜演奏完整的曲目。測(cè)試結(jié)果表明，PWM的輸出信號(hào)與各音階對(duì)應(yīng)的聲音頻率基本一致，方案切實(shí)可行。這一方法也可用于電機(jī)控制、電子琴設(shè)計(jì)等方面，具有較好的實(shí)用性。

在科研項(xiàng)目開(kāi)發(fā)中，有時(shí)會(huì)遇到需要播放電話鈴聲、音樂(lè)等情況。簡(jiǎn)單的做法是購(gòu)買專用音樂(lè)芯片，但該方法的缺點(diǎn)是播放的內(nèi)容不可變，不能很好地滿足項(xiàng)目需求。一般地，可采用89C51等單片機(jī)實(shí)現(xiàn)音樂(lè)播放，其播放內(nèi)容及歌曲數(shù)量都可以隨時(shí)修改，使用上相對(duì)方便。隨著STM32系列微處理器的出現(xiàn)，其基于ARM Cortex—M內(nèi)核的32位閃存微控制器，高達(dá)72 MHz的主頻，高集成度、實(shí)時(shí)性、數(shù)字信號(hào)處理、低功耗、低電壓操作等眾多特點(diǎn)，使得其應(yīng)用越來(lái)越廣泛。本文基于STM32處理器，根據(jù)樂(lè)曲簡(jiǎn)譜制作供程序識(shí)別的樂(lè)譜，并利用內(nèi)部定時(shí)器產(chǎn)生PWM輸出信號(hào)，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器完成自定義樂(lè)譜的播放。經(jīng)測(cè)試，播放效果良好。

1 樂(lè)譜簡(jiǎn)析
1．1 音階
音階是音樂(lè)必不可少的要素，主要由聲音的頻率決定。通過(guò)給蜂鳴器不同頻率的音頻脈沖，可以產(chǎn)生不同的音階，而要產(chǎn)生某頻率的音頻脈沖，最簡(jiǎn)單的辦法是算出該音頻的周期，然后將此周期除以2即為半周期的時(shí)間。通過(guò)程序控制單片機(jī)某引腳半周期為“高”、半周期為“低”，不斷交替變換，即可產(chǎn)生該頻率的矩形波，接到蜂鳴器上就可發(fā)出該頻率的聲音。若想改變音階，只需要改變半周期時(shí)間即可。表1為C調(diào)時(shí)音符頻率對(duì)照表，據(jù)此可產(chǎn)生不同音階的音符?！?”表示半音，用于上升或下降半個(gè)音，乘以2就提升該聲音一個(gè)8度音階，減半則降一個(gè)8度。

1．2 節(jié)拍

若要構(gòu)成音樂(lè)，光有音階是不夠的，還需要節(jié)拍，也就是音符持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短，一般用拍數(shù)表示。至于1拍是多少秒，沒(méi)有嚴(yán)格的規(guī)定，只要節(jié)拍適宜，聲音悅耳即可。假如某首歌曲的節(jié)奏是每分鐘120拍，那么1拍為0．5 s，1／4拍為0．125 s，以此類推可得到其他節(jié)拍對(duì)應(yīng)的時(shí)長(zhǎng)。這樣，利用不同的頻率，加上與拍數(shù)對(duì)應(yīng)的延時(shí)，就構(gòu)成了樂(lè)曲。

2 STM32中的定時(shí)器

音階的產(chǎn)生與聲音頻率有關(guān)，為了實(shí)現(xiàn)不同音階，必須能為蜂鳴器提供不同頻率的脈沖。為此，選擇STM32芯片，利用其自帶的定時(shí)器，通過(guò)PWM產(chǎn)生脈沖信號(hào)。STM32中一共有11個(gè)定時(shí)器，包含2個(gè)高級(jí)控制定時(shí)器、4個(gè)普通定時(shí)器、2個(gè)基本定時(shí)器，以及2個(gè)看門狗定時(shí)器和1個(gè)系統(tǒng)滴答定時(shí)器SysTiek。其中，TIM1和TIM8是高級(jí)定時(shí)器，時(shí)鐘由APB2的輸出產(chǎn)生。TIM2～TIM5是普通定時(shí)器，TIM6和TIM7是基本定時(shí)器，這6個(gè)定時(shí)器的時(shí)鐘由APB1的輸出產(chǎn)生。

2．1 定時(shí)時(shí)長(zhǎng)的計(jì)算

定時(shí)器的一個(gè)主要功能就是到指定時(shí)間就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)溢出事件，這個(gè)時(shí)間的設(shè)置與定時(shí)器時(shí)鐘有關(guān)，在定時(shí)器時(shí)鐘基礎(chǔ)上進(jìn)行預(yù)分頻，設(shè)置計(jì)數(shù)溢出大小即可。

2．1．1 系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置

要保證定時(shí)的準(zhǔn)確性，必須先確保系統(tǒng)時(shí)鐘的設(shè)置是我們所預(yù)期的。定時(shí)器時(shí)鐘分配如圖1所示。通過(guò)編程使SYSCLK為72 MHz，APB1預(yù)分頻后得到PCLK1為36 MHz，再經(jīng)TIM2～TIM7倍頻器得到TIM2～TIM7時(shí)鐘72 MHz。時(shí)鐘源多采用HSE(外部時(shí)鐘源)，對(duì)于STM32F103，其外部時(shí)鐘為8 MHz，而STM32F107外部時(shí)鐘為25 MHz，因此，在使用HSE做時(shí)鐘源時(shí)，這兩種器件產(chǎn)生SYSCLK的分頻和倍頻方式不同，需要使用者引起注意。

2．1．2 定時(shí)器相關(guān)參數(shù)設(shè)置

定時(shí)器的參數(shù)由結(jié)構(gòu)體TimeBaselnitTypeDef定義，主要包括預(yù)分頻系數(shù)、時(shí)鐘分割、計(jì)數(shù)器模式、計(jì)數(shù)溢出大小等。例如，要由TIM3(定時(shí)器3)產(chǎn)生一個(gè)時(shí)長(zhǎng)為1 s的定時(shí)，首先，應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)時(shí)鐘的設(shè)置，得到TIM3CLK=72MHz，然后進(jìn)行定時(shí)器設(shè)置。其中，預(yù)分頻系數(shù)為35 999，此時(shí)，TIM3時(shí)鐘為72 MHz／36 000=2 kHz，無(wú)時(shí)鐘分割。設(shè)置計(jì)數(shù)溢出大小為1 999，即每計(jì)2 000個(gè)數(shù)就產(chǎn)生一個(gè)更新事件，輸出頻率為2 kHz／2 000=1 Hz。代碼如下：

2．2 STM32的PWM輸出

脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，簡(jiǎn)而言之，就是實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出信號(hào)脈沖寬度的控制，一般用來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)等。STM32的定時(shí)器除了TIM6和TIM7之外，其他的定時(shí)器都可以用來(lái)產(chǎn)生PWM輸出，其中，高級(jí)定時(shí)器TIM1和TIM8能夠產(chǎn)生3對(duì)PWM互補(bǔ)輸出，而TIM2～TIM5也能同時(shí)產(chǎn)生4路的PWM輸出。

2．2．1 PWM輸出引腳

STM32給不同的定時(shí)器分配了不同的輸出引腳，考慮到引腳復(fù)用功能，STM32還提出了一個(gè)“重映像”的概念，就是通過(guò)設(shè)置某一些相關(guān)的寄存器，使得在其他非原始指定的引腳上也能輸出PWM波形，但是這種重映像不是隨意的，使用方法可參照參考文獻(xiàn)。例如，TIM3的通道2，在沒(méi)有重映像的時(shí)候，指定的引腳是PA7。如果設(shè)置部分重映像之后，輸出就被映像到PB5上了；如果設(shè)置完全重映像的話，輸出就被映像到PC7上。

2．2．2 占空比的計(jì)算

占空比(Duty Ratio)有如下含義：在一串理想的脈沖周期序列(如方波)中，正脈沖的持續(xù)時(shí)間與脈沖總周期的比值。

當(dāng)TIM_Period為1 999時(shí)，若想得到占空比50％，則TIM_Pulse應(yīng)設(shè)置為(1999+1)／2=1000。具體設(shè)置如下：

3 用PWM控制蜂鳴器播放音樂(lè)

3．1 硬件電路設(shè)計(jì)

蜂鳴器電路如圖2所示。需要注意的是，有源蜂鳴器是以固定頻率工作，加電即可鳴叫，無(wú)源蜂鳴器可以用不同頻率輸入信號(hào)來(lái)控制發(fā)聲，因此，需要選擇無(wú)源蜂鳴器。核心控制器件選擇STM32F103VET6，其引腳PB5連接到BEEP。由電路可知，當(dāng)PB5為高電平時(shí)，蜂鳴器可工作，只要控制PB5高低電平輸出形成的矩形波的頻率就可以控制蜂鳴器演奏音樂(lè)。

3．2 程序設(shè)計(jì)

3．2．1 制作樂(lè)譜

音階的產(chǎn)生依賴于PWM輸出信號(hào)的頻率。為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，我們令定時(shí)器的TIM_Period為1 999，且占空比始終為50％，根據(jù)式(1)則TIM_ Pulse為1000。此時(shí)，PWM輸出信號(hào)頻率僅與定時(shí)器預(yù)分頻系數(shù)TIM_Prescaler有關(guān)，只需要調(diào)整該系數(shù)，即可得到所需信號(hào)頻率。

TIM_Prescaler由下式得到：

式(2)中，fsound為音階對(duì)應(yīng)的頻率，如低音Do頻率為262 Hz。要產(chǎn)生該音頻，TIM_Prescaler應(yīng)為136。

樂(lè)譜由音階和節(jié)拍組成，每?jī)蓚€(gè)元素為一組，前者表示音階，后者表示節(jié)拍。節(jié)拍以1／4拍為基準(zhǔn)，存放的數(shù)值為1／4拍的倍數(shù)。相關(guān)代碼如下：

3．2．2 主程序設(shè)計(jì)

程序流程如圖3所示。由于STM32的PWM輸出引腳是PB5，所以我們采用TIM3的通道2來(lái)產(chǎn)生PWM輸出。在GPIO設(shè)置程序中，將TIM3的通道2引腳部分重映像到PB5，GPIO模式選擇為復(fù)用推挽輸出。程序循環(huán)讀取樂(lè)譜，根據(jù)音階修改定時(shí)器的預(yù)分頻系數(shù)，并重新設(shè)置定時(shí)器和PWM。同時(shí)，利用STM32的內(nèi)部SysTICk進(jìn)行精確計(jì)時(shí)，根據(jù)節(jié)拍實(shí)現(xiàn)ms級(jí)延時(shí)，并減少內(nèi)核消耗。圖4為示波器測(cè)量得到的低音So的PWM輸出波形。根據(jù)表1，該波形頻率應(yīng)為392Hz，實(shí)測(cè)為391．549 Hz，可見(jiàn)本方案的PWM輸出誤差較小。

結(jié)語(yǔ)

STM32既可以搭載μC／OS，也可以作為單片機(jī)使用，是一款性價(jià)比較高的處理器。本文利用STM32的定時(shí)器，產(chǎn)生PWM音頻脈沖波形，實(shí)現(xiàn)了音樂(lè)播放功能。這種方法可用于電機(jī)控制、電子琴以及無(wú)線報(bào)務(wù)中的電子鍵設(shè)計(jì)等，具有較高的實(shí)用價(jià)值。