STM32掌机教程7，演奏音乐

今天药忘吃喽~ 2022-04-23 11:18 300阅读 0赞

## 使用定时器来计算时间 ##

在电子琴这节中，我们已经讲述了蜂鸣器的原理，知道如何用蜂鸣器演示不同音调的音乐，本节改进根据频率计算周期的方法，改为定时器，精确度更高，且不再阻塞CPU。  
  首先，我们不再把蜂鸣器的控制引脚PB1作为普通IO，而是作为定时器的通道。在IO的初始化中，不应当继续操作PB1。通过查看数据手册，可以知道，PB1可以作为定时器3的通道4。（当然也可以作为定时器1和定时器8的通道，只不过定时器1和8是高级定时器，用起来稍微复杂一点点）。  
通道的概念类似于道路。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2dlZWtfbW9ua2V5_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
![在这里插入图片描述][20190214110417178.png]  
  然后编写初始化函数。这段初始化函数可能比较复杂，我们暂时无需深究，只需要知道，这个定时器做了这么一件事情：  
把原先这样的代码延时，交给了定时器自带的功能来实现：

time_ON = F_us>>tvolum;
    	time_OFF = F_us - time_ON;
    	BEEP = 1;
    	delay_us(time_ON);
    	BEEP = 0;
    	delay_us(time_OFF);

定时器的用法是单片机里的重点和难点，不用想得太复杂，他就是个表嘛，只不过，他不能直接告诉你过了多少时间，他只知道数了多少个数字，也知道数一个数字用多长时间，两者结合，能算出过了多长时间。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2dlZWtfbW9ua2V5_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
  定时器3的初始化代码

//beep.c
    void TIM3_PWM_Init(u16 arr,u16 psc)
    {   
    	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    	TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;
    	TIM_OCInitTypeDef  TIM_OCInitStructure;
    
    	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);	
     	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB , ENABLE);  
    	 
    	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1; //TIM_CH4
    	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;  //复用推挽输出
    	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    	GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);//初始化GPIO
     
       //初始化TIM3 
    	TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr; //设置在下一个更新事件装入活动的自动重装载寄存器周期的值
    	TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =psc; //设置用来作为TIMx时钟频率除数的预分频值 
    	TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0; //设置时钟分割:TDTS = Tck_tim
    	TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;  //TIM向上计数模式
    	TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure); //根据TIM_TimeBaseInitStruct中指定的参数初始化TIMx的时间基数单位
    	
    	//初始化TIM3 Channel2 PWM模式 
    	TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1; //选择定时器模式:TIM脉冲宽度调制模式2 每路产生
     	TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; //比较输出使能
    	TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse=0;
    	TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High; //输出极性:TIM输出比较极性，高低没有区别
    	TIM_OC4Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure);  //根据T指定的参数初始化外设TIM3 OC4
    
    	TIM_OC4PreloadConfig(TIM3, TIM_OCPreload_Enable);  //使能TIM3在CCR4上的预装载寄存器
    	TIM_ARRPreloadConfig(TIM3, ENABLE);
    	TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);  //使能TIM3
    }

我们在主函数中调用这个中断服务函数：

TIM3_PWM_Init(0xfffe,8); //蜂鸣器频率定时器初始化

自动重装值决定什么时候定时器溢出，而分频系数决定定时器自加的频率，举例来说，定时器就像捉迷藏游戏中，负责捉人的小朋友，他要计数，好让大家躲起来。分频系数决定数数字的快慢，自动重装值决定数到几。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2dlZWtfbW9ua2V5_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

关于定时器溢出的时间计算，有个公式：

Tout = ((arr+1)*(psc+1))/Tclk

Tout 是溢出时间  
arr是自动重装值，也可以称为周期或计数值，捉迷藏要数到10，那么代表arr就是9。默认情况下arr要+1，代表即便参数是0，也不会误操作。  
psc就是分频系数，决定捉迷藏数多快。这个数字越大，代表数的越慢。  
Tclk代表输入时钟，我们采用的是72Mhz  
  定时器本质上是**一个不断自加的计数器**，只不过在自加的时候，能够自动比较计数值跟某个设定值而已。定时器+1用时多少？  
  1/72000000，单位是秒。  
  我想让数的慢一点，感觉72Mhz的时钟太快了，想用36Mhz可以吗？可以，2分频就行，这是+1的操作用时  
  2/72000000，  
  数100个数字用时多少？  
  100 \* 2/72000000  
  在初始化的时候，我们传入的第一个参数是数多少个数字。第二个参数是数数字的速度。此处设置的频率是72/9=8Mhz。两个参数共同决定周期，由于第一个参数要根据频率改变，所以初始化的时候并不关心。

## 根据频率计算自动重装值 ##

接下来需要一个函数，把频率变为自动重装值。溢出时间 = 自动重装值+1/8000000，频率是时间的倒数，音调与频率有关，所以知道音调（频率）以后，可用以下方法计算自动重装值：

Autoreload=(8000000/usFraq)-1;  //频率变为自动重装值

特别的，当音调是0的时候，不发出任何声音。我们可以采取关闭定时器的方法来静音，但是不方便。比较方便的方法就是设置比较值，当自动重装值小于比较值的时候，引脚输出高电平，否则，引脚输出低电平。按理说，把比较值设置为0xffff，则无论如何自动重装值都小于比较值就可以保持静音了，不过实测，此时会有噪音，尝试后发现，设置比较值为0的时候，可以静音，且没有噪音。可以调用库函数设置比较值。在频率很小或者大于20000时，人类都听不到，此时可以静音。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2dlZWtfbW9ua2V5_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

//beep.c
    //蜂鸣器停止发声
    void buzzerQuiet(void)
    { 
    	TIM_SetCompare4(TIM3,0);
    }

在频率小于122的时候，我们也认为应当静音，是因为一方面，各音调的频率都大于122；另一方面，自动重装值最大是65535，此时对应的频率就是122。  
  我们已经知道，音量由占空比决定，根据频率算出自动重装值以后，把它右移（相当于除以2的倍数）若干位，可以调整音量。

//beep.c
    //蜂鸣器发出声音 
    //usFreq即发声频率,volume_level是音量等级,1最高，到9几乎就听不到声音了。
    void buzzerSound(unsigned short usFraq,unsigned char volume_level)   //usFraq是发声频率，即真实世界一个音调的频率。
    { 
    	unsigned long Autoreload;
    	if((usFraq<=122)||(usFraq>20000))
    	{ 
    		buzzerQuiet();
    	}
    	else
    	{ 
    		Autoreload=(8000000/usFraq)-1;  //频率变为自动重装值
    		TIM_SetAutoreload(TIM3,Autoreload);
    		TIM_SetCompare4(TIM3,Autoreload>>volume_level);   //音量 
    	}
    }

**特别强调一点，比较值与自动重装值比较大小，这个功能是定时器自带的，不需要在中断服务里比较。**

## 主函数循环 ##

调用函数来演奏某个音乐是很简单的。我们先在主函数中演奏两只老虎的开头。

//main.c
    int main(void)
    { 
    	LED_Init();
    	KEY_Init();
    	delay_init();
    	initIIC();
    	initOLED();
    	
    	TIM3_PWM_Init(0xfffe,8); //蜂鸣器频率定时器初始化
    	while(1)
    	{ 
    		buzzerSound(CM1,volum);
    		delay_ms(250);
    		buzzerSound(CM2,volum);
    		delay_ms(250);
    		buzzerSound(CM3,volum);
    		delay_ms(250);
    		buzzerSound(CM1,volum);
    		delay_ms(250);
    		buzzerSound(0,volum);
    		delay_ms(250);
    	}
    }

## 从简谱到数组 ##

接下来我们尝试用数组来储存乐谱。我们要知道每个音符的音调和持续的时间，所以可以定义一个新的结构体：

typedef struct
    { 
    	short mName; //音名
    	short mTime; //时值，全音符，二分音符，四分音符
    }tNote;

然后我把两只老虎的乐谱改写如下：

const tNote AllBGM[]=
    { 
    	//两只老虎 36 BEGIN_BGM
    	{ CM1,TT/4},{ CM2,TT/4},{ CM3,TT/4},{ CM1,TT/4},
    	{ CM1,TT/4},{ CM2,TT/4},{ CM3,TT/4},{ CM1,TT/4},
    	{ CM3,TT/4},{ CM4,TT/4},{ CM5,TT/4},{ 0,TT/4},
    	{ CM3,TT/4},{ CM4,TT/4},{ CM5,TT/4},{ 0,TT/4},
    	{ CM5,TT/8},{ CM6,TT/8},{ CM5,TT/8},{ CM4,TT/8},{ CM3,TT/4},{ CM1,TT/4},
    	{ CM5,TT/8},{ CM6,TT/8},{ CM5,TT/8},{ CM4,TT/8},{ CM3,TT/4},{ CM1,TT/4},
    	{ CM1,TT/4},{ CL5,TT/4},{ CM1,TT/4},{ 0,TT/4},
    	{ CM1,TT/4},{ CL5,TT/4},{ CM1,TT/4},{ 0,TT/4},
    };

我们采用C调，中间的那个音阶，所有的音调都是CMx。每一小节都分4个音符，所以每个音符持续的时间都是某个常数的四分之一。这个常数我定义为TT，其实它与现实世界的没有直接的对应关系，数字小一点，唱的就快一点。如果音符有个下划线，那么持续的时间就是八分之一，再有个下划线，时间就是十六分之一。  
  用于演奏音乐的函数如下：

void musicPlay(int length,unsigned char volume_level)
    { 
    	u8 i=0;
    	while(i<length)
    	{ 
    		buzzerSound(AllBGM[i].mName,volume_level);
    		delay_ms(AllBGM[i].mTime);
    		i++;
    	}
    }

我传入的参数是数组的长度与音量，其实应当传入某个乐谱的指针，只是担心指针与结构体一起用，容易懵逼，因此乐谱作为了全局的变量。然后主函数值调用这个播放函数就可以了。

while(1)
    	{ 
    		musicPlay(36,volum);
    	}

代码放在[这里][Link 1]，需要的就那去吧。（积分忘了调了，5分，有点贵）

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2dlZWtfbW9ua2V5_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20220320/427aeadd56ed4ad8a5668cc24032832b.png
[20190214110417178.png]: /images/20220320/133fb654cbca42a28add3b6f2dd72e37.png
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[Link 1]: https://download.csdn.net/download/geek_monkey/10955858