详解树莓派Model B+控制蜂鸣器演奏乐曲
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：
// pwm.c
//
// Example program for bcm2835 library
// Shows how to use PWM to control GPIO pins
//
// After installing bcm2835, you can build this
// with something like:
// gcc -o pwm pwm.c -l bcm2835
// sudo ./pwm
//
// Or you can test it before installing with:
// gcc -o pwm -I ../../src ../../src/bcm2835.c pwm.c
// sudo ./pwm
//
// Author: Mike McCauley
// Copyright (C) 2013 Mike McCauley
// $Id: RF22.h,v 1.21 2012/05/30 01:51:25 mikem Exp $ #include <bcm2835.h>
#include <stdio.h> // PWM output on RPi Plug P1 pin 12 (which is GPIO pin 18)
// in alt fun 5.
// Note that this is the _only_ PWM pin available on the RPi IO headers
#define PIN RPI_GPIO_P1_12
// and it is controlled by PWM channel 0
#define PWM_CHANNEL 0
// This controls the max range of the PWM signal
#define RANGE 1024 #define PIN2 RPI_BPLUS_GPIO_J8_32 int main(int argc, char **argv)
{
if (!bcm2835_init())
return ; // Set the output pin to Alt Fun 5, to allow PWM channel 0 to be output there
bcm2835_gpio_fsel(PIN, BCM2835_GPIO_FSEL_ALT5); bcm2835_gpio_fsel(PIN2, BCM2835_GPIO_FSEL_ALT0); // 打开PI 32 Pin脚的PWM0输出功能 // Clock divider is set to 16.
// With a divider of 16 and a RANGE of 1024, in MARKSPACE mode,
// the pulse repetition frequency will be
// 1.2MHz/1024 = 1171.875Hz, suitable for driving a DC motor with PWM
bcm2835_pwm_set_clock(BCM2835_PWM_CLOCK_DIVIDER_16);
bcm2835_pwm_set_mode(PWM_CHANNEL, , );
bcm2835_pwm_set_range(PWM_CHANNEL, RANGE); printf("this is banlance mode, anykey will change to markspace mode\n");
bcm2835_pwm_set_data(PWM_CHANNEL, RANGE/);
getchar(); printf("change to markspace mode, anykey to exit\n");
bcm2835_pwm_set_mode(PWM_CHANNEL, , );
bcm2835_pwm_set_range(PWM_CHANNEL, RANGE);
bcm2835_pwm_set_data(PWM_CHANNEL, RANGE/);
getchar(); bcm2835_close();
return ;
}
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：
/*************************************************
* Public Constants
*************************************************/ #define NOTE_B0 31
#define NOTE_C1 33
#define NOTE_CS1 35
#define NOTE_D1 37
#define NOTE_DS1 39
#define NOTE_E1 41
#define NOTE_F1 44
#define NOTE_FS1 46
#define NOTE_G1 49
#define NOTE_GS1 52
#define NOTE_A1 55
#define NOTE_AS1 58
#define NOTE_B1 62
#define NOTE_C2 65
#define NOTE_CS2 69
#define NOTE_D2 73
#define NOTE_DS2 78
#define NOTE_E2 82
#define NOTE_F2 87
#define NOTE_FS2 93
#define NOTE_G2 98
#define NOTE_GS2 104
#define NOTE_A2 110
#define NOTE_AS2 117
#define NOTE_B2 123
#define NOTE_C3 131
#define NOTE_CS3 139
#define NOTE_D3 147
#define NOTE_DS3 156
#define NOTE_E3 165
#define NOTE_F3 175
#define NOTE_FS3 185
#define NOTE_G3 196
#define NOTE_GS3 208
#define NOTE_A3 220
#define NOTE_AS3 233
#define NOTE_B3 247
#define NOTE_C4 262
#define NOTE_CS4 277
#define NOTE_D4 294
#define NOTE_DS4 311
#define NOTE_E4 330
#define NOTE_F4 349
#define NOTE_FS4 370
#define NOTE_G4 392
#define NOTE_GS4 415
#define NOTE_A4 440
#define NOTE_AS4 466
#define NOTE_B4 494
#define NOTE_C5 523
#define NOTE_CS5 554
#define NOTE_D5 587
#define NOTE_DS5 622
#define NOTE_E5 659
#define NOTE_F5 698
#define NOTE_FS5 740
#define NOTE_G5 784
#define NOTE_GS5 831
#define NOTE_A5 880
#define NOTE_AS5 932
#define NOTE_B5 988
#define NOTE_C6 1047
#define NOTE_CS6 1109
#define NOTE_D6 1175
#define NOTE_DS6 1245
#define NOTE_E6 1319
#define NOTE_F6 1397
#define NOTE_FS6 1480
#define NOTE_G6 1568
#define NOTE_GS6 1661
#define NOTE_A6 1760
#define NOTE_AS6 1865
#define NOTE_B6 1976
#define NOTE_C7 2093
#define NOTE_CS7 2217
#define NOTE_D7 2349
#define NOTE_DS7 2489
#define NOTE_E7 2637
#define NOTE_F7 2794
#define NOTE_FS7 2960
#define NOTE_G7 3136
#define NOTE_GS7 3322
#define NOTE_A7 3520
#define NOTE_AS7 3729
#define NOTE_B7 3951
#define NOTE_C8 4186
#define NOTE_CS8 4435
#define NOTE_D8 4699
#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：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdint.h> #include <bcm2835.h>
#include "pitches.h" #define PWM_CHANNEL 0
typedef struct _TONE{
int freq;
int t_ms;
} TONE,*PTONE; int pin = RPI_GPIO_P1_12;
int baseFreq = ; // BCM2835_PWM_CLOCK_DIVIDER_32 对应600KHz typedef struct _melodyNode{
int note;
float fDuration;
}melodyNode; melodyNode melody[]= {
//
{NOTE_A4, 1.5}, //
{NOTE_G4, 0.5}, //
{NOTE_A4, }, //
{NOTE_G4, 0.5}, //
{NOTE_E4, 0.5}, // 3 //
{NOTE_G4, }, //
{NOTE_D4, }, // 2 //
{NOTE_C4, 1.5}, //
{NOTE_A3, 0.5}, // .6
{NOTE_D4, 0.5}, //
{NOTE_E4, 0.5}, //
{NOTE_G4, 0.5}, //
{NOTE_F4, 0.5}, // 4 //
{NOTE_E4, }, //
{NOTE_E4, 0.5}, //
{NOTE_G4, 0.5}, // 5 //
{NOTE_A4, 1.5}, //
{NOTE_G4, 0.5}, //
{NOTE_A4, }, //
{NOTE_G4, 0.5}, //
{NOTE_E4, 0.5}, // 5 //
{NOTE_G4, }, //
{NOTE_D4, }, // 2 //
{NOTE_C4, 1.5}, //
{NOTE_A3, 0.5}, // .6
{NOTE_D4, 0.5}, //
{NOTE_E4, 0.5}, //
{NOTE_G3, 0.5}, // .5
{NOTE_B3, 0.5}, // .7 //
{NOTE_A3, }, // .6 {, }, //
{NOTE_E4, 0.5}, //
{NOTE_D4, 0.5}, //
{NOTE_C4, 1.5}, //
{NOTE_B3, 0.5}, // .7 //
{NOTE_A3, 1.5}, // .6
{NOTE_E3, 0.5}, // .3
{NOTE_A3, }, // .6 //{NOTE_A3, 1}, // .6
{NOTE_A4, 0.5}, //
{NOTE_G4, 0.5}, //
{NOTE_E4, }, //
{NOTE_G4, 0.5}, //
{NOTE_D4, 0.5}, // {NOTE_E4, }, // {NOTE_E4, 0.5}, //
{NOTE_D4, 0.5}, //
{NOTE_C4, 1.5}, //
{NOTE_B3, 0.5}, // .7 {NOTE_A3, 1.5}, // .6
{NOTE_E3, 0.5}, // .6
{NOTE_A3, }, // .6 {, }, //
{NOTE_D4, 0.5}, //
{NOTE_C4, 0.5}, //
{NOTE_A3, }, // .6
{NOTE_C4, 0.5}, //
{NOTE_D4, 0.5}, // {NOTE_E4, }, // 3*/
{NOTE_E4, }, // 3 逐草四方 {NOTE_A4, 1.5}, //
{NOTE_G4, 0.5}, //
{NOTE_A4, }, //
{NOTE_G4, 0.5}, //
{NOTE_E4, 0.5}, // {NOTE_G4, }, //
{NOTE_D4, }, // {NOTE_C4, 1.5}, //
{NOTE_A3, 0.5}, // .6
{NOTE_D4, 0.5}, //
{NOTE_E4, 0.5}, //
{NOTE_G4, 0.5}, //
{NOTE_FS4, 0.5}, // #4 {NOTE_E4, }, //
{NOTE_E4, 0.5}, //
{NOTE_G4, 0.5}, // {NOTE_A4, 1.5}, //
{NOTE_G4, 0.5}, //
{NOTE_A4, 1.0}, //
{NOTE_G4, 0.5}, //
{NOTE_E4, 0.5}, // {NOTE_G4, 1.0}, //
{NOTE_D4, }, // {NOTE_C4, 1.5}, //
{NOTE_A3, 0.5}, // .6
{NOTE_D4, 0.5}, //
{NOTE_E4, 0.5}, //
{NOTE_G3, 0.5}, // .5
{NOTE_B3, 0.5}, // .7 {NOTE_A3, }, // .6 {, }, //
{NOTE_E4, 0.5}, // 3 应知爱意似
{NOTE_D4, 0.5}, //
{NOTE_C4, 1.0}, //
{NOTE_C4, 0.5}, //
{NOTE_B3, 0.5}, // .7 {NOTE_A3, 1.5}, // .6
{NOTE_E3, 0.5}, // .3
{NOTE_A3, 2.0}, // .6 {, }, //
{NOTE_A3, 0.5}, // .6
{NOTE_G3, 0.5}, // .5
{NOTE_E3, 1.0}, // .3
{NOTE_G3, 0.5}, // .5
{NOTE_D3, 0.5}, // .2 {NOTE_E3, 3.0}, // .3 {, }, //
{NOTE_E4, 0.5}, // 3 身经百劫也
{NOTE_D4, 0.5}, //
{NOTE_C4, 1.0}, //
{NOTE_C4, 0.5}, //
{NOTE_B3, 0.5}, // .7 {NOTE_A3, 1.5}, // .6
{NOTE_E4, 0.5}, //
{NOTE_D4, 2.0}, // {, }, //
{NOTE_D4, 0.5}, //
{NOTE_C4, 0.5}, //
{NOTE_A3, 1.0}, // .6
{NOTE_B3, 0.5}, // .7
{NOTE_G3, 0.5}, // .5 {NOTE_A3, 3.0}, // .6
}; void beep(int freq, int t_ms)
{
int range;
/*if(freq<2000||freq>5000)
{
printf("invalid freq\n");
return;
}*/
if(freq == )
range=;
else
range=baseFreq/freq;
printf("will call bcm2835_pwm_set_range freq: %d range: %d\n", freq, range);
bcm2835_pwm_set_range(PWM_CHANNEL, range);
bcm2835_pwm_set_data(PWM_CHANNEL, range/);
if(t_ms>)
{
delay(t_ms);
}
} void init()
{
if (!bcm2835_init())
exit () ; printf("will init pin %d\n", pin);
// Set the output pin to Alt Fun 5, to allow PWM channel 0 to be output there
bcm2835_gpio_fsel(pin, BCM2835_GPIO_FSEL_ALT5);
bcm2835_pwm_set_clock(BCM2835_PWM_CLOCK_DIVIDER_32);
bcm2835_pwm_set_mode(PWM_CHANNEL, , );
} int main (void)
{
int index=;
int nLen = sizeof(melody)/sizeof(melody[]);
init(); for ( ; index<nLen; index++)
{
int noteDuration = *melody[index].fDuration;
beep(melody[index].note, noteDuration);
printf("will call bcm2835_pwm_set_data 0 after beep\n");
bcm2835_pwm_set_data(PWM_CHANNEL, );
printf("index: %d nLen: %d@@@@@@@@@@@@\n", index, nLen);
//delay(100);
} bcm2835_pwm_set_data(PWM_CHANNEL, );
bcm2835_close(); return ;
}
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。
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