用单片机spwm实现八音盒效果

摘自八音盒

在调试装置时需要一个稳定的声音源，想到之前买的有不少stc的MCU芯片，可以用它来产生几个声音信号。于是写了这个程序。

原理介绍

八音盒能产生七个不同的乐音，而音乐就是由这些基本音阶组合构成。所以本例程就是个基于MCU的乐音产生程序。 用MCU产生一个乐音本身很简单，比如要产生一个110HZ的乐音，只要用MCU生成一个频率为110HZ的PWM方波，然后输出电路上加个一阶低通滤波器，驱动喇叭就听到声音了。

但当我们需要产生多个乐音时，就遇到一个问题，不同乐音的频率不同，需要的滤波器的参数就不一样，只用一个滤波器时，频率高的乐音会受到较大的衰减。结果低音很强，高音听不见了。

当然可以用七个不同的低通滤波器，应对七个频率，用一个cd4051进行选择，mcu输出不同频度时，控制cd4051接通不同的滤波器。不过这样硬件就多了几样。而且无法适应更多的频率。

常用解决办法是采用一个高频率的载波，然后把需要产生的声音频率信号调制到载波上。这样就节省了滤波器。这就是spwm波。它是一个脉冲宽度按正弦规律变化的PWM波。下面给出一个实现方法。

👉实现方法

stc32g12k128具有硬件pwm功能。只要做好设置，它能自动产生符合设置频率和脉宽的PWM波，不需要占用MCU时间。我们只要合理控制它的脉宽变化，就能得到需要的SPWM波了。所以程序简单稳定，精度也很高。

1. 频率选择 我选择系统主频用24MHZ，载波频率为55*512=28160HZ。55为参考频率，512为对应该频率时正弦波表的点数。因为人耳可闻声频率上限20KHZ，所以这个频率不会对乐音产生干扰，同时它又能保证每个周期对应一个波点数据。最大限度的保证产生的声音的精度。 对其它频率的乐音，载波频率不变，只改变正弦波表的点数。始终保证系统在最大精度上运行。该载波频率对应的周期设置值为：24000000/28161=852=0x0354

2. SPWM生成 STC官方技术手册上有现成的产生spwm波的例程。就直接套用了，包括pwm设置和pwm中断服务。本例程主要是解决正统波表的生成，管理;使用,乐谱表的建立和使用;乐曲的播放管理。 对spwm波来讲，每个频率的正弦波都需要一组正统波表数据，建立正统波表时，我使用了软件Spwm_calc.exe。它的界面如图所示。 中值采用420，幅值415，调制度0.98，在55HZ时的点数512.其它频率的点数值通过计算获得。软件产生了七组数据存放在头文件sin_table1.h里，每组数据的第一个数放的是本组数据的个数（也就是使用的点数）。第二个开始才是正弦波表的数据。也就是说。读波表数据要从第二个开始读。这是为了编程序简单方便。

3. 音符的实现方法 系统设置了三个数组，一个是正弦波表 ，放在头文件里。第二个是波表索引数组u16 *sin_table_index[]，存放正弦波表的数据的地址，它是乐谱与正弦波表的过渡。第三个是乐谱数组u8 music_score[33][3]。

   乐谱表中一组数据有三个，第一个是音符名，程序根据它通过索引数组读取对应正弦波表。第二个是音组名。1是最低音，2是低音，3是中音4是高音，5是最高音。这个数据决定从波表中读取数据的数量，数据越少音频越高。比如读512个是最低音的6（la),那么读256个就是低音的6（la）,高了八度,频率高一倍,以此类推。这样七组波表数据可用以播放几十个乐音。第三个是音长(乐音的持续时间）。本例程只设置了三个数值，1是全音，2是半音,4 是4分音。仅用来展示一下音长管理的方法。想多加几个音长设置很容易。

4. 软件的编写和资源的分配 例程中使用了四个中断服务：

5. PWMA中断，基本照抄官方例程，用来产生spwm波。不同的是这里输出的正弦波频率不是固定的。所以读波表时不能用固定首地址。而是用了一个变量*p存放正弦波表首地址值，方便切换频率。

6. 外中断int0控制程序运行，主要是把等待切换为运行。如果不用这个中断。可以让程序开机后就自动循环播放。在中断服务程序中。控制变量CC的值，从而影响主程序里语句While(cc);的运行。

   在调试时发现中断服务里改变cc值后，主程序里的while语句没有响应。接上stc-link1d仿真器后观察到，中断发生后cc值确实发生了变化，但while语句不理会，没有如预期的那样跳出死循环。把这个现象放到群里咨询时，有高人指出。这是由于keil编译不合理所致，解决的办法是声名变量CC时加一个限制符volatile。试了一下，果然解决了问题。

7. 中断T1是避免按键振动产生干扰的延时。这两个都不重要，可以不用。

8. 中断T0是核心，它控制一个乐音的播放时间，同时设定播放所需要的所有参数。各语句的作用在程序里做了注明。

   void t0_sever() interrupt 1//确定一个音符的输出参数，包括乐音的持续时间，音高数据的地址，数据量，读取参数
   {
   read_music_long(cnt);//读当前音符的播放时间，并设定对应的延时
           pp2=music_score[cnt][1];//读取本音符的音组值，以确定读波表数据时的偏移量
           pp3=pow(2,pp2);//计算本音符数据偏移量，在式中给pp2加整数能成倍提高输出频率
   pp0=*sin_table_index[music_score[cnt][0]-1];///pp2;//读取本音符的数据量
   pp1=(sin_table_index[music_score[cnt][0]-1]+1);//取本音符数据指针初值
           p=pp1;//赋正弦数据指针初值
           cnt++;//准备读下一个数据
           if(cnt>33)//乐谱播放完成，这里的33是根据乐谱数据的参数设定的。如果改变乐谱数据量，这里要做对应变化，用小了不能完整播放，用大了会出错
           {
           cc=0;//播放结束
           ET0=0;//关中断
           PWMA_IER = 0x00; //关中断
               PWMA_ENO = 0x00;//关闭PWM输出
   
           }
   }
   

   音长子程序里有三个软件定时程序，是直接使用stc官方的软件延时工具产生的。全音用了一秒，半音0.5秒，四分音用0.25秒。 乐音播放所需要的控制参数都是在这个中断服务里确定的。PWM中断服务则负责按参数进行输出。 本例程的主程序很简单，包括系统设置和播放管理两项。直接列出来吧：

   void main(void)
   {
           mcu_initial();//mcu设置程序
           //打开播放程序，播放完成后重新进入等待
       while(1)//这个是重入语句
       {
   
                   cc=1;//等待状态，由中断int0改变，如果使用cc=0；程序自动重复播放乐曲
                   while(cc);
                   //初始化播放指针并开始播放
                    cnt=0;//把播放计数复位到开始位置
                    ET0=1;
                   TR0 = 1;                                //定时器0开始计时
                  PWMA_IER = 0x01; //使能中断
                  PWMA_ENO |= 0x01; //使能输出
                  PWMA_ENO |= 0x02; //使能输出
   
                           cc=1;
                         while(cc);//等待播放完成，由T0中断服务程序控制这里的CC值
       }
   }
   

9. 声音的输出 为听到产生的声音，我使用了唯创的PWM功率放大模块WT1312，它能把spwm信号变成推动喇叭的正弦信号并直接推动喇叭发声。把mcu的spwm输出端直接连上功放芯片的PWM输入端就行了。因电流较大。芯片电源单独接了一个4.2/3.7V锂电池。二者不需要共地。功放的输入阻抗是100K，对MCU输出要求很低。它的体积很小，又只用了一个电容，所以我直接用sop23-10/dip10转接板当功放板了。 MCU部分电路没有特殊要求，使用最小系统板就行，我在实验中用了stc32g12k128的降龙棍系统板。 因为测试电路和这个八音盒程序都没使用晶振，所以会有些误差。效果整体还是很不错的。完整的程序见附件，欢迎大家批评指正。

深入分析

要实现八音盒的功能需要输出a~f的8个音节，每个音节有10个8度，所以下来有80个音节(没有计算半音)，它们是特定频率的正弦波。专业描述看下图：

解释： - Octave 0-9 表示八度区。C-D-E-F-G-A-B 为 C 大调七个主音：do re mi fa so la si（简谱记为 1 到 7）。科学音调记号法（scientific pitch notation）就是将上面这两者合在一起表示一个音，比如 A4 就是中音 la，频率为 440 Hz。C5 则是高音 do（简谱是 1 上面加一个点）。 - 升一个八度也就是把频率翻番。如图中黄色框所示，A5 频率 880 Hz，正好是 A4 的两倍。一个八度区有 12 个半音，就是把这两倍的频率间隔等比分为 12，所以两个相邻半音的频率比是 2 开 12 次方，也即大约 1.05946。这种定音高的办法叫做 twelve-tone equal temperament，简称 12-TET。 - 两个半音之间再等比分可以分 100 份，每份叫做一音分（cent）。科学音调记号加上音分一般足够表示准确的音高了。比如 A4 +30 表示比 440 Hz 高 30 音分，可以算出来具体频率是 447.69 Hz。 A4 又称 A440，是国际标准音高。钢琴调音师或者大型乐队乐器之间调音都用这个频率。 - C4 又称 Middle C，是中音八度的开始。图中红框。有一种音高标定方法是和 C4 比较相隔的半音数，比方 B4 就是 +11，表示比 C4 高 11 个半音。 - MIDI note number p 和频率 f 转换关系：p = 69 + 12 x log2(f/440)。这实际上就是把 C4 定为 MIDI note number 60，然后每升降一个半音就加减一个号码。 - 可以看到 E-F 和 B-C 的间隔是一个半音，而七个主音别的间隔都是两个半音，也叫一个全音。 - 标准钢琴琴键有大有小，大的白色琴键是主音，小的黑色琴键是主音升降一个半音后的辅音（图）。一般钢琴是 88 个琴键，从 A0 到 C8。

1. 波表和音符和音组频率的关系 波表是为了产生正弦波；音组是为了改变频率从而在基础波表的基础上产生低中高音符。 从上图可以看出，我们波表选择的是图中的绿色方框的8个频点，从A1举例，频率为55HZ,这就是上面选择载波频率为55*512的原因。同样，正弦波表里面的数组位数(unsigned int code a_6[513])也是这么来的. 那如果我要发出A2的音节呢？ A2音节的频率是110HZ,刚好比A1高一倍。那我们输出正弦波表的时候，空一位输出一次，这样正弦波频率就翻倍了，A1波表就可以输出A2了。同理，A3,A4也可以这么干。这样做不用每个音符都制作一个波表，节省空间。当然这样的坏处是正弦波会变粗糙一些。请看下面具体代码：

   void t0_sever() interrupt 1//用来确定一个音符的输出参数，包括音长，音高数据的地址，数据量，读取参数
   {
    read_music_long(cnt);//读音长，并给出对应定时
       pp2=music_score[cnt][1];//读取本音符的音组值，以确定读数据时的偏移量
       pp3=pow(2,pp2);//本音符数据偏移量
     pp0=*sin_table_index[music_score[cnt][0]-1];///pp2;//读取本音符的数据量
     pp1=(sin_table_index[music_score[cnt][0]-1]+1);//取本音符数据指针初值
       p=pp1;//赋正弦数据指针初值
       cnt++;//准备读下一个数据
       if(cnt>33)//乐谱播放完成
       {
         cc=0;//播放结束
         ET0=0;//关中断
         PWMA_IER = 0x00; //关中断
         PWMA_ENO = 0x00;//关闭PWM输出
   
       }
   }
   

   void PWMA_ISR() interrupt 26 //循环读取指定数组内容，控制脉宽输出，每周期读一次
   { 
       if(PWMA_SR1 & 0X01)
       {
           PWMA_SR1 &=~0X01; 
            PWM1_Duty = *p;
               p=p+pp3;//pp3为读取增量，对应的是音组名，0为最低音组，1算低音，2是中音，3是高音，4是最高音
               if(p >(pp1+pp0 )    )//p1为对应数组初地址，pp0为该数组长度，也就就该数组的数据量，这个语句没把握
               {
               p=pp1;//指针初始化
               }
           PWMA_CCR1H = (u8)(PWM1_Duty >> 8); //设置占空比时间
           PWMA_CCR1L = (u8)(PWM1_Duty);
       }
       PWMA_SR1 = 0;
   }
   

2. 音长的实现 音长就是音符持续的输出时间长度，音符是通过T0中断切换的。所以每次切换的时候会根据表格里面的音长来改变T0定时器的间隔，从而改变该音符的播放时长。

    void read_music_long(unsigned char music_long)
    {
    switch (music_score[music_long][2])//确定对应的音长
   {
       case 1:t0_1();break;
       case 2:t0_2();break;
       case 4:t0_4();break;
   default: t0_1();
   }
   

总结

1. SPWM构建最低音波表，生成基本音符。
2. 在基本音符基础上加上音组的偏移量来读取基础波表，从而实现频率倍数关系，实现其它的低中高音符。
3. 每次读取乐谱数据的时候根据音符的音长来设定定时器，从而控制该音符的播放时长。
4. 循环读取并播放所有音符，即可实现整个乐谱的播放。