步进电机以及无源蜂鸣器这些都需要脉冲信号才能够驱动,这里将用GPIO的PWM接口驱动无源蜂鸣器弹奏乐曲,本文基于树莓派Mode B+,其他版本树莓派实现时需参照相关资料进行修改!
1 预备知识
1.1 无源蜂鸣器和有源蜂鸣器
无源蜂鸣器:内部没有震荡源,直流信号无法让它鸣叫。必须用去震荡的电流驱动它,2K-5KHZ的方波PWM (Pulse Width Modulation脉冲宽度调制)。5KHZ的电流方波就是每秒震动5K次,每一个完整的周期占用200us的时间,高点平占一部分时间,低电平占一部分时间。声音频率可控,可以做出不同的音效。
有源蜂鸣器:内部带震荡电路,一通电就鸣叫,所以可以跟前面LED一样,给个高电平就能响,编程比无源的更方便。
本文利用无源蜂鸣器弹奏乐曲,用的就是淘宝上普通的电磁式阻抗16欧交流/2KHz 3V 5V 12V通用无源蜂鸣器,如果手边没有无源蜂鸣器,用普通的耳机也可以来代替无源蜂鸣器。
1.2 PWM
PWM(Pulse Width Modulation)即脉冲宽度调制,是一种利用微处理器的数字输出来控制模拟电路的控制技术。可以用下面的一幅图来形象地说明PWM:
图中tpwm就是一个周期的时间长度。对于2KHz频率来说,那么周期就是1s/2K=500us。图中的D叫做占空比,指的是高电平的时间占用整个周期时间的百分比。第一个周期D=50%,那么就是高电平低电平的时间各占一半。接下来的D为33%,那就是通电时间为33%,剩余的不通电时间占用67%。树莓派Model B+有4个PIN脚支持PWM输出,如下图最右侧:
但是,需要注意的是BCM2835芯片只支持两路PWM输出,所以以上12 Pin脚和32 Pin脚对应的都是channel 1的PWM输出,即如果这两个Pin的功能都选择的是PWM输出,则它们输出的PWM是完全相同的,同理33 Pin脚和35 Pin脚对应芯片channel 2的PWM输出。
博通公司公布的BCM2835芯片资料BCM2835 ARM Peripherals中第9章比较详细的介绍了PWM相关内容,此外还可参考网上整理好的寄存器介绍资料rip-registers,通过阅读可以得知树莓派Model B+支持两种模式的PWM输出:一种是Balanced mode(平衡模式),一种是Mark-Space mode(MS模式)。另外树莓派的PWM输出基础频率是19.2MHz,PWM输出频率受这个基础频率的限制。
1.3 树莓派PWM分析
进行分析前先看一下实验的物理电路连接:
图中,红色杜邦线一头连接树莓派的32 Pin脚(PWM0),一头连接示波器的探针;绿色杜邦线一头连接树莓派的12 Pin脚(PWM0),一头连接无源蜂鸣器的正极;黄色杜邦线一头连接树莓派的6 Pin脚(ground),一头连接无源蜂鸣器的负极,此外示波器探针的ground也连接到黄色杜邦线,结合bcm2835 C library来进行分析:
(1)下载bcm2835库:wget http://www.airspayce.com/mikem/bcm2835/bcm2835-1.50.tar.gz
(2)解压:tar -zxvf bcm2835-1.50.tar.gz
(3)进入目录:cd bcm2835-1.35
(4)编译:./configure && make
(5)安装:sudo make install
修改examples/pwm/pwm.c的内容如下:
1 // pwm.c
2 //
3 // Example program for bcm2835 library
4 // Shows how to use PWM to control GPIO pins
5 //
6 // After installing bcm2835, you can build this
7 // with something like:
8 // gcc -o pwm pwm.c -l bcm2835
9 // sudo ./pwm
10 //
11 // Or you can test it before installing with:
12 // gcc -o pwm -I ../../src ../../src/bcm2835.c pwm.c
13 // sudo ./pwm
14 //
15 // Author: Mike McCauley
16 // Copyright (C) 2013 Mike McCauley
17 // $Id: RF22.h,v 1.21 2012/05/30 01:51:25 mikem Exp $
18
19 #include <bcm2835.h>
20 #include <stdio.h>
21
22 // PWM output on RPi Plug P1 pin 12 (which is GPIO pin 18)
23 // in alt fun 5.
24 // Note that this is the _only_ PWM pin available on the RPi IO headers
25 #define PIN RPI_GPIO_P1_12
26 // and it is controlled by PWM channel 0
27 #define PWM_CHANNEL 0
28 // This controls the max range of the PWM signal
29 #define RANGE 1024
30
31 #define PIN2 RPI_BPLUS_GPIO_J8_32
32
33 int main(int argc, char **argv)
34 {
35 if (!bcm2835_init())
36 return 1;
37
38 // Set the output pin to Alt Fun 5, to allow PWM channel 0 to be output there
39 bcm2835_gpio_fsel(PIN, BCM2835_GPIO_FSEL_ALT5);
40
41 bcm2835_gpio_fsel(PIN2, BCM2835_GPIO_FSEL_ALT0); // 打开PI 32 Pin脚的PWM0输出功能
42
43 // Clock divider is set to 16.
44 // With a divider of 16 and a RANGE of 1024, in MARKSPACE mode,
45 // the pulse repetition frequency will be
46 // 1.2MHz/1024 = 1171.875Hz, suitable for driving a DC motor with PWM
47 bcm2835_pwm_set_clock(BCM2835_PWM_CLOCK_DIVIDER_16);
48 bcm2835_pwm_set_mode(PWM_CHANNEL, 0, 1);
49 bcm2835_pwm_set_range(PWM_CHANNEL, RANGE);
50
51 printf("this is banlance mode, anykey will change to markspace mode\n");
52 bcm2835_pwm_set_data(PWM_CHANNEL, RANGE/4);
53 getchar();
54
55 printf("change to markspace mode, anykey to exit\n");
56 bcm2835_pwm_set_mode(PWM_CHANNEL, 1, 1);
57 bcm2835_pwm_set_range(PWM_CHANNEL, RANGE);
58 bcm2835_pwm_set_data(PWM_CHANNEL, RANGE/4);
59 getchar();
60
61 bcm2835_close();
62 return 0;
63 }
pwm.c
代码中首先设置PWM输出为平衡模式,之后按任意键切换为MS模式,编译:gcc -o pwm pwm.c -lbcm2835,运行:sudo ./pwm,示波器分别捕获到如下波形图:
代码第47行用divider=16对19.2MHz的基础频率进行调整,调整后的pwm频率为19.2MHz/16=1.2MHz,根据BCM2835芯片资料及代码49行和52行内容可知占空比应为N/M=(RANGE/4)/RANGE=256/1024,平衡模式力求任意一段时间占空比都最接近N/M=1/4,即把256个高电平时钟周期平均的分配到1024个之中周期中,可以这样进行处理,每4个时钟周期为一组,其中的一个周期内为高电平,这样即可实现“平衡”,这时真实的PWM输出帧率为1.2MHz/4=300KHz,如以上左图所示;对于MarkSpace模式来说,占空比为M/S=(RANGE/4)/RANGE=256/1024,这种模式不需要进行平衡,即可以认为1024个时钟周期的前256个为高电平,其余的为低电平,这时真实的PWM输出帧率为1.2MHz/1024=1171.875Hz,如以上右图所示。
2 树莓派播放音乐
2.1 乐理知识
一首乐曲有若干音符组成,每个音符由音调和演奏时间组成。不同的音调在物理上就对应不同频率的音波。所以我们只要控制输出的频率和时长就能输出一首音乐了。当然实际的音乐很复杂,又有连接,还有重音什么的,这个就先不在讨论范围内了。
每个音符都会播放一定的时间,这样就能构成一首歌曲。在音乐上,音符节奏分为1拍、1/2拍、1/4拍、1/8拍,假设一拍音符的时间为1;半拍为0.5;1/4拍为0.25;1/8拍为0.125……,所以我们可以为每个音符赋予这样的拍子播放出来,音乐就成了。
Arduino官方网站给出了不同音符对应的不同频率的头文件pitches.h,相关内容可以参考博文,在本文我们把pitches.h文件直接应用到树莓派,该文件内容如下:
1 /*************************************************
2 * Public Constants
3 *************************************************/
4
5 #define NOTE_B0 31
6 #define NOTE_C1 33
7 #define NOTE_CS1 35
8 #define NOTE_D1 37
9 #define NOTE_DS1 39
10 #define NOTE_E1 41
11 #define NOTE_F1 44
12 #define NOTE_FS1 46
13 #define NOTE_G1 49
14 #define NOTE_GS1 52
15 #define NOTE_A1 55
16 #define NOTE_AS1 58
17 #define NOTE_B1 62
18 #define NOTE_C2 65
19 #define NOTE_CS2 69
20 #define NOTE_D2 73
21 #define NOTE_DS2 78
22 #define NOTE_E2 82
23 #define NOTE_F2 87
24 #define NOTE_FS2 93
25 #define NOTE_G2 98
26 #define NOTE_GS2 104
27 #define NOTE_A2 110
28 #define NOTE_AS2 117
29 #define NOTE_B2 123
30 #define NOTE_C3 131
31 #define NOTE_CS3 139
32 #define NOTE_D3 147
33 #define NOTE_DS3 156
34 #define NOTE_E3 165
35 #define NOTE_F3 175
36 #define NOTE_FS3 185
37 #define NOTE_G3 196
38 #define NOTE_GS3 208
39 #define NOTE_A3 220
40 #define NOTE_AS3 233
41 #define NOTE_B3 247
42 #define NOTE_C4 262
43 #define NOTE_CS4 277
44 #define NOTE_D4 294
45 #define NOTE_DS4 311
46 #define NOTE_E4 330
47 #define NOTE_F4 349
48 #define NOTE_FS4 370
49 #define NOTE_G4 392
50 #define NOTE_GS4 415
51 #define NOTE_A4 440
52 #define NOTE_AS4 466
53 #define NOTE_B4 494
54 #define NOTE_C5 523
55 #define NOTE_CS5 554
56 #define NOTE_D5 587
57 #define NOTE_DS5 622
58 #define NOTE_E5 659
59 #define NOTE_F5 698
60 #define NOTE_FS5 740
61 #define NOTE_G5 784
62 #define NOTE_GS5 831
63 #define NOTE_A5 880
64 #define NOTE_AS5 932
65 #define NOTE_B5 988
66 #define NOTE_C6 1047
67 #define NOTE_CS6 1109
68 #define NOTE_D6 1175
69 #define NOTE_DS6 1245
70 #define NOTE_E6 1319
71 #define NOTE_F6 1397
72 #define NOTE_FS6 1480
73 #define NOTE_G6 1568
74 #define NOTE_GS6 1661
75 #define NOTE_A6 1760
76 #define NOTE_AS6 1865
77 #define NOTE_B6 1976
78 #define NOTE_C7 2093
79 #define NOTE_CS7 2217
80 #define NOTE_D7 2349
81 #define NOTE_DS7 2489
82 #define NOTE_E7 2637
83 #define NOTE_F7 2794
84 #define NOTE_FS7 2960
85 #define NOTE_G7 3136
86 #define NOTE_GS7 3322
87 #define NOTE_A7 3520
88 #define NOTE_AS7 3729
89 #define NOTE_B7 3951
90 #define NOTE_C8 4186
91 #define NOTE_CS8 4435
92 #define NOTE_D8 4699
93 #define NOTE_DS8 4978
pitches.h
可以看到,这是一张类似表格的东西,里面是定义的大量的宏,即用宏名代替了频率名,对应到键盘的各个按键上。我们需要对应相应的音符到宏名上,为了实现这个首先看看钢琴大谱表与钢琴琴键的对照表:
为了将个音符的音名直观的看出来,给出以下表格:
2.2 播放音乐
对照以上表格及射雕英雄传主题曲铁血丹心简谱实现树莓派播放,铁血丹心简谱如下:
上面的简谱中缺少前奏,程序中增加了从其他版本中摘录的前奏部分,主程序tiexuedanxin.c代码如下:
1 #include <stdio.h>
2 #include <stdlib.h>
3 #include <stdint.h>
4
5 #include <bcm2835.h>
6 #include "pitches.h"
7
8 #define PWM_CHANNEL 0
9 typedef struct _TONE{
10 int freq;
11 int t_ms;
12 } TONE,*PTONE;
13
14 int pin = RPI_GPIO_P1_12;
15 int baseFreq = 600000; // BCM2835_PWM_CLOCK_DIVIDER_32 对应600KHz
16
17 typedef struct _melodyNode{
18 int note;
19 float fDuration;
20 }melodyNode;
21
22 melodyNode melody[]= {
23 // 1
24 {NOTE_A4, 1.5}, // 6
25 {NOTE_G4, 0.5}, // 5
26 {NOTE_A4, 1}, // 6
27 {NOTE_G4, 0.5}, // 5
28 {NOTE_E4, 0.5}, // 3
29
30 // 2
31 {NOTE_G4, 1}, // 5
32 {NOTE_D4, 3}, // 2
33
34 // 3
35 {NOTE_C4, 1.5}, // 1
36 {NOTE_A3, 0.5}, // .6
37 {NOTE_D4, 0.5}, // 2
38 {NOTE_E4, 0.5}, // 3
39 {NOTE_G4, 0.5}, // 5
40 {NOTE_F4, 0.5}, // 4
41
42 // 4
43 {NOTE_E4, 3}, // 3
44 {NOTE_E4, 0.5}, // 3
45 {NOTE_G4, 0.5}, // 5
46
47 // 5
48 {NOTE_A4, 1.5}, // 6
49 {NOTE_G4, 0.5}, // 5
50 {NOTE_A4, 1}, // 6
51 {NOTE_G4, 0.5}, // 5
52 {NOTE_E4, 0.5}, // 5
53
54 // 6
55 {NOTE_G4, 1}, // 5
56 {NOTE_D4, 3}, // 2
57
58 // 7
59 {NOTE_C4, 1.5}, // 1
60 {NOTE_A3, 0.5}, // .6
61 {NOTE_D4, 0.5}, // 2
62 {NOTE_E4, 0.5}, // 3
63 {NOTE_G3, 0.5}, // .5
64 {NOTE_B3, 0.5}, // .7
65
66 // 8
67 {NOTE_A3, 4}, // .6
68
69 {0, 1}, // 0
70 {NOTE_E4, 0.5}, // 3
71 {NOTE_D4, 0.5}, // 2
72 {NOTE_C4, 1.5}, // 1
73 {NOTE_B3, 0.5}, // .7
74
75 //
76 {NOTE_A3, 1.5}, // .6
77 {NOTE_E3, 0.5}, // .3
78 {NOTE_A3, 2}, // .6
79
80 //{NOTE_A3, 1}, // .6
81 {NOTE_A4, 0.5}, // 6
82 {NOTE_G4, 0.5}, // 5
83 {NOTE_E4, 1}, // 3
84 {NOTE_G4, 0.5}, // 5
85 {NOTE_D4, 0.5}, // 2
86
87 {NOTE_E4, 3}, // 3
88
89 {NOTE_E4, 0.5}, // 3
90 {NOTE_D4, 0.5}, // 2
91 {NOTE_C4, 1.5}, // 1
92 {NOTE_B3, 0.5}, // .7
93
94 {NOTE_A3, 1.5}, // .6
95 {NOTE_E3, 0.5}, // .6
96 {NOTE_A3, 2}, // .6
97
98 {0, 1}, // 0
99 {NOTE_D4, 0.5}, // 2
100 {NOTE_C4, 0.5}, // 1
101 {NOTE_A3, 1}, // .6
102 {NOTE_C4, 0.5}, // 1
103 {NOTE_D4, 0.5}, // 1
104
105 {NOTE_E4, 3}, // 3*/
106 {NOTE_E4, 1}, // 3 逐草四方
107
108 {NOTE_A4, 1.5}, // 6
109 {NOTE_G4, 0.5}, // 5
110 {NOTE_A4, 1}, // 6
111 {NOTE_G4, 0.5}, // 5
112 {NOTE_E4, 0.5}, // 3
113
114 {NOTE_G4, 1}, // 5
115 {NOTE_D4, 3}, // 2
116
117 {NOTE_C4, 1.5}, // 1
118 {NOTE_A3, 0.5}, // .6
119 {NOTE_D4, 0.5}, // 2
120 {NOTE_E4, 0.5}, // 3
121 {NOTE_G4, 0.5}, // 5
122 {NOTE_FS4, 0.5}, // #4
123
124 {NOTE_E4, 3}, // 3
125 {NOTE_E4, 0.5}, // 3
126 {NOTE_G4, 0.5}, // 5
127
128 {NOTE_A4, 1.5}, // 6
129 {NOTE_G4, 0.5}, // 5
130 {NOTE_A4, 1.0}, // 6
131 {NOTE_G4, 0.5}, // 5
132 {NOTE_E4, 0.5}, // 3
133
134 {NOTE_G4, 1.0}, // 5
135 {NOTE_D4, 3}, // 2
136
137 {NOTE_C4, 1.5}, // 1
138 {NOTE_A3, 0.5}, // .6
139 {NOTE_D4, 0.5}, // 2
140 {NOTE_E4, 0.5}, // 3
141 {NOTE_G3, 0.5}, // .5
142 {NOTE_B3, 0.5}, // .7
143
144 {NOTE_A3, 3}, // .6
145
146 {0, 1}, // 0
147 {NOTE_E4, 0.5}, // 3 应知爱意似
148 {NOTE_D4, 0.5}, // 2
149 {NOTE_C4, 1.0}, // 1
150 {NOTE_C4, 0.5}, // 1
151 {NOTE_B3, 0.5}, // .7
152
153 {NOTE_A3, 1.5}, // .6
154 {NOTE_E3, 0.5}, // .3
155 {NOTE_A3, 2.0}, // .6
156
157 {0, 1}, // 0
158 {NOTE_A3, 0.5}, // .6
159 {NOTE_G3, 0.5}, // .5
160 {NOTE_E3, 1.0}, // .3
161 {NOTE_G3, 0.5}, // .5
162 {NOTE_D3, 0.5}, // .2
163
164 {NOTE_E3, 3.0}, // .3
165
166 {0, 1}, // 0
167 {NOTE_E4, 0.5}, // 3 身经百劫也
168 {NOTE_D4, 0.5}, // 2
169 {NOTE_C4, 1.0}, // 1
170 {NOTE_C4, 0.5}, // 1
171 {NOTE_B3, 0.5}, // .7
172
173 {NOTE_A3, 1.5}, // .6
174 {NOTE_E4, 0.5}, // 3
175 {NOTE_D4, 2.0}, // 2
176
177 {0, 1}, // 0
178 {NOTE_D4, 0.5}, // 2
179 {NOTE_C4, 0.5}, // 1
180 {NOTE_A3, 1.0}, // .6
181 {NOTE_B3, 0.5}, // .7
182 {NOTE_G3, 0.5}, // .5
183
184 {NOTE_A3, 3.0}, // .6
185 };
186
187 void beep(int freq, int t_ms)
188 {
189 int range;
190 /*if(freq<2000||freq>5000)
191 {
192 printf("invalid freq\n");
193 return;
194 }*/
195 if(freq == 0)
196 range=1;
197 else
198 range=baseFreq/freq;
199 printf("will call bcm2835_pwm_set_range freq: %d range: %d\n", freq, range);
200 bcm2835_pwm_set_range(PWM_CHANNEL, range);
201 bcm2835_pwm_set_data(PWM_CHANNEL, range/2);
202 if(t_ms>0)
203 {
204 delay(t_ms);
205 }
206 }
207
208 void init()
209 {
210 if (!bcm2835_init())
211 exit (1) ;
212
213 printf("will init pin %d\n", pin);
214 // Set the output pin to Alt Fun 5, to allow PWM channel 0 to be output there
215 bcm2835_gpio_fsel(pin, BCM2835_GPIO_FSEL_ALT5);
216 bcm2835_pwm_set_clock(BCM2835_PWM_CLOCK_DIVIDER_32);
217 bcm2835_pwm_set_mode(PWM_CHANNEL, 1, 1);
218 }
219
220 int main (void)
221 {
222 int index=0;
223 int nLen = sizeof(melody)/sizeof(melody[0]);
224 init();
225
226 for ( ; index<nLen; index++)
227 {
228 int noteDuration = 600*melody[index].fDuration;
229 beep(melody[index].note, noteDuration);
230 printf("will call bcm2835_pwm_set_data 0 after beep\n");
231 bcm2835_pwm_set_data(PWM_CHANNEL, 0);
232 printf("index: %d nLen: %d@@@@@@@@@@@@\n", index, nLen);
233 //delay(100);
234 }
235
236 bcm2835_pwm_set_data(PWM_CHANNEL, 0);
237 bcm2835_close();
238
239 return 0 ;
240 }
tiexuedanxin
注意代码中195行做了特殊处理,这时候频率并不是为0,只是让树莓派不再发声。