林鵬,尹紹杰
?。ㄕ憬髮W(xué)臺州研究院 電氣與控制研究所,，浙江 臺州 318000）
摘要：為了在嵌入式系統(tǒng)中加入動聽的提示音或音樂效果，增加音效編輯的靈活性,，設(shè)計了一套完整的帶有余音控制的音效解決方案,。該方案主要由電腦端的音樂編輯軟件、經(jīng)改進(jìn)的蜂鳴器驅(qū)動電路及單片機(jī)參考處理流程組成,，可提供可視化的音樂編輯環(huán)境,，能夠及時試聽音樂效果,，解決了以往需要將程序燒錄至單片機(jī)后才能試聽效果的不便。經(jīng)測試,，該方案簡單方便,，降低了音效編輯的復(fù)雜度，音效清晰嘹亮,，能提升嵌入式產(chǎn)品的人機(jī)交互體驗,。
關(guān)鍵詞：單片機(jī)；蜂鳴器,；音樂,；C#；WPF
0引言
在嵌入式產(chǎn)品中加入提示音或音樂能使用戶的操作得到反饋,，提升了人機(jī)交互體驗,，也提高了產(chǎn)品的檔次。在大多數(shù)的產(chǎn)品中,，為了節(jié)省成本,，一般使用單片機(jī)驅(qū)動蜂鳴器來發(fā)出聲音而非使用專用芯片。然而單片機(jī)音效的調(diào)音和編曲工作比較繁復(fù),，往往需要燒錄程序后反復(fù)地試聽,，大大增加了操作強(qiáng)度。本文介紹一套在嵌入式系統(tǒng)中增加提示音或音樂的開發(fā)方案,，能夠比較直觀地編寫出提示音效,，并且每個音符帶有余音控制，而非普通的生硬地切換音符,。
1方案簡介
本方案包括一套電腦端的音樂編輯軟件,、經(jīng)改進(jìn)的蜂鳴器驅(qū)動電路以及供參考的單片機(jī)端的處理流程。系統(tǒng)框架如圖1所示,，電腦和單片機(jī)通過串口通信,，單片機(jī)根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)驅(qū)動蜂鳴器。在電腦端完成音效的編輯并定型后,，可移除串口通信的代碼,，將電腦端生成的文件加入單片機(jī)工程即可,。
2蜂鳴器音樂的發(fā)聲原理
音樂的基本要素包括音的高低,、長短、強(qiáng)弱和音色［1］,，要使蜂鳴器發(fā)出聲音就需要控制這些要素,。蜂鳴器的固有特性決定了音色，無法被控制,；通過驅(qū)動蜂鳴器的頻率可以改變音的高低,；控制蜂鳴器導(dǎo)通的時間可以決定音的長短,；調(diào)節(jié)蜂鳴器的供電電壓可以模擬出音的強(qiáng)弱。值得一提的是,，蜂鳴器分為有源和無源兩種,，有源蜂鳴器內(nèi)部自帶諧振電路，直接加電壓即可發(fā)出聲音,，無法控制聲音的頻率,，而無源蜂鳴器需要有脈沖頻率的驅(qū)動。本方案選擇無源蜂鳴器,。
本方案使用的蜂鳴器驅(qū)動電路［2］如圖2所示,。由圖可見該驅(qū)動電路稍顯復(fù)雜，一般的蜂鳴器驅(qū)動電路只有簡單的右半部分,，只能控制音的高低和長短,，無法控制音的強(qiáng)弱，加入了左半部分的控制電路后,，能調(diào)節(jié)蜂鳴器的供電電壓,，在一定程度上使得音的強(qiáng)弱也有所變化。
蜂鳴器驅(qū)動電路的原理為：在一個音程內(nèi),，BUZ_PWM端輸入指定頻率的方波信號,，當(dāng)BUZ_CTRL端的信號為高時，NPN三極管Q2導(dǎo)通,，PNP三極管Q1也導(dǎo)通,，電解電容C1充電，通過R3,、R4的限流和分壓后,，蜂鳴器得到供電，在BUZ_PWM端信號的驅(qū)動下發(fā)出特定頻率的聲音,；當(dāng)BUZ_CTRL端的信號為低時,，三極管Q2和Q1截止，蜂鳴器由電解電容C1的殘余能量供電,，蜂鳴器的音量將逐漸減低,，體現(xiàn)出音的強(qiáng)弱特性。BUZ_CTRL端的信號有兩種選擇：一種是輸出PWM(Pulse Width Modulation)脈寬調(diào)制信號,，并搭配一個小容量的電容,，通過調(diào)整脈沖的寬度，隨意調(diào)節(jié)音的強(qiáng)弱變化,；另一種是一個周期的高低信號,，配合一個較高容量的電容，驅(qū)動信號先高使電容充電,，在某個合適的時刻置低,，蜂鳴器僅由電容供電,，聲音緩慢減弱。第一種方法需要兩路PWM波驅(qū)動,，較復(fù)雜,，對單片機(jī)的要求也較高，但是能做出非常豐富的音樂效果,；第二種方法只要一路PWM波驅(qū)動,，外加一路開關(guān)信號，一些單片機(jī)即使沒有硬件PWM發(fā)生器也能較好地實現(xiàn)控制效果,，產(chǎn)生帶有余音效果的音效,。為了方便和控制簡單起見，本方案選用第二種控制方式,，驅(qū)動信號和電容上的電壓波形如圖3所示,。
3電腦端音樂編輯軟件的設(shè)計
為了方便編輯單片機(jī)音樂，開發(fā)了配套的電腦端單片機(jī)音樂編輯器,，能夠更加直觀地調(diào)音和編曲,，加快開發(fā)進(jìn)度。
3.1開發(fā)環(huán)境簡介
電腦端的音樂編輯器采用C#和Windows Presentation Foundation（WPF）技術(shù)開發(fā),，使用Visual Studio 2010作為開發(fā)編譯平臺,，編譯后的可執(zhí)行文件可運(yùn)行在裝有.Net Framework 4.0運(yùn)行環(huán)境的電腦上。選用C#作為軟件開發(fā)語言主要是因其方便,、強(qiáng)大,，并且隨著微軟宣布終止對Windows XP操作系統(tǒng)的支持，使用C#編寫的軟件可直接運(yùn)行的電腦將越來越多,，從而不必?fù)?dān)心需要再安裝運(yùn)行環(huán)境的問題,。軟件的界面使用了WPF技術(shù)作為用戶界面框架而非傳統(tǒng)的WinForm界面，因為WPF包含諸多優(yōu)異的特性,，數(shù)據(jù)驅(qū)動,、數(shù)據(jù)綁定、動畫特效,、界面可定制程度高等特點(diǎn)使得界面開發(fā)更加得心應(yīng)手,，而且這也是被微軟官方所推薦使用的［3-4］。
3.2電腦端音樂編輯軟件的功能簡介
電腦端音樂編輯軟件的主界面如圖4所示,，主要有以下功能：
(1)選擇串口端口號及波特率,，啟停串口連接。
(2)鍵盤“←”和“→”按鍵可調(diào)整一個音符的持續(xù)長度,，鼠標(biāo)左右拖動方波中間的下降沿能分配電容的供電時間,。
(3)鍵盤“↑”和“↓”按鍵能調(diào)整音符的基礎(chǔ)頻率區(qū)間，以C大調(diào)的頻率為基準(zhǔn),。
(4)能載入或新建音樂編輯文件,，支持拖拽打開文件。
(5)當(dāng)軟件主界面獲得焦點(diǎn)時,，如果已連上串口通信,，按鍵盤的小鍵盤數(shù)字“0~7”按鍵能夠試聽音符效果；在按小鍵盤數(shù)字“0~7”按鍵的同時按住鍵盤上的左“Ctrl”鍵,，如果此時已打開編輯音樂文件界面則會將當(dāng)前的音符添加至編輯界面的音符列表中,，否則會打開一個空白的編輯界面。
電腦端音樂編輯器軟件的音符編輯界面如圖5所示,，從左至右,、從上至下其功能有：
(1)將主界面按下的音符添加至列表尾部。
(2)修改音符名或備注,，能在下拉菜單選擇音符名并自動修改對應(yīng)的頻率值或直接輸入備注文字,。
(3)能修改頻率、電容開通時間及音符持續(xù)時間,，帶有數(shù)值合法性檢驗,。
(4)列表中的每一個音符選中時能刪除（快捷鍵為鍵盤上的“Delete”鍵）和試聽（快捷鍵“F2”，需連上串口通信）,。
(5)當(dāng)連上串口通信后,，可以點(diǎn)擊界面右邊的“播放”按鈕（快捷鍵“F5”）從頭開始播放或停止播放；點(diǎn)擊“播放”按鈕下面的按鈕（快捷鍵“F1”）從當(dāng)前選中的行開始播放,。正在播放的行底色為淡紅色,，用以指示播放進(jìn)度。
(6)有刪除行時提示和修改頻率后試聽選項,。
(7)可以在選中的行下面新增一行（快捷鍵“F3”）,，新增的行底色為淡綠色以區(qū)分其他普通的行。
(8)將當(dāng)前編輯的音樂進(jìn)度保存為“.umf”格式,，方便以后導(dǎo)入文件繼續(xù)修改,。
(9)當(dāng)完成音樂編輯后，可以導(dǎo)出C語言格式的文件,，加入到單片機(jī)工程中,，以便完成整個單片機(jī)音樂功能的開發(fā)。
3.3音符數(shù)據(jù)的設(shè)計
軟件中的音符數(shù)據(jù)主要由音符名稱或備注,、音符頻率,、蜂鳴器供電電容上電時間和音符持續(xù)時間組成。其中電容上電時間和音符持續(xù)時間比較簡單,，在軟件主界面中能直觀地調(diào)整,，下面著重介紹音符名稱及其對應(yīng)的頻率。
根據(jù)科學(xué)音調(diào)記號法及相關(guān)的樂理知識［5］， C,、D,、E、F,、G,、A、B為C大調(diào)的七個主音,，唱名分別為do,、re、mi,、fa,、so、la,、si,，簡譜分別記為數(shù)字1~7，并可以知道每一個音符的頻率值,。在軟件中程序默認(rèn)的八度區(qū)為中央C,，即主界面右邊滑塊所指向的“C.262”（科學(xué)音調(diào)記號法記為“C4”，為了突出頻率的概念,，軟件中的滑塊右邊標(biāo)示符號格式為“C.”加對應(yīng)的頻率值）,，音符標(biāo)示名的格式為音符所在的八度區(qū)C音的頻率值加音符的唱名，如“C4”的音符名稱為“C262_Do”,。由于一般簡單的歌曲很少用到升音或降音,，為了操作方便，程序中將其忽略,，在錄入歌曲時先用臨近的音符代替,，調(diào)試時再修改備注和頻率。程序中將各個音符的頻率保存為一個二維數(shù)組,，這樣根據(jù)主界面右邊當(dāng)前滑塊值和按下的數(shù)字鍵就能很方便地獲得所需要錄入音符的頻率值,，該二維數(shù)組代碼如下：
private static readonly ushort［,］ ToneFrequency = new ushort［7,7］ {
{65, 73, 82, 87, 98, 110, 123},
{131, 147, 165, 175, 196, 220, 247},
{262, 294, 330, 349, 392, 440, 494},
{523, 587, 659, 698, 784, 880, 988},
{1047, 1175, 1319, 1397, 1568, 1760, 1976},
{2093, 2349, 2637, 2794, 3135, 3520, 3951},
{4186 ,4699, 5274, 5588, 6272, 7040, 7902}
};
3.4軟件主界面的程序流程圖
軟件主界面的程序流程圖如圖6所示。
3.5串口通信的數(shù)據(jù)格式
為了能測試所編輯音樂的實際效果,，需要將音符數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)演奏,，本方案使用串口來傳遞數(shù)據(jù)。播放一表1串口通信的數(shù)據(jù)格式字節(jié)偏移字節(jié)內(nèi)容0數(shù)據(jù)幀頭碼1,，0xEE1數(shù)據(jù)幀頭碼2,，0xFF2音符頻率，高8位3音符頻率,，低8位4電容通電時間,，每單位10 ms5音符持續(xù)時間，每單位10 ms個音符時，只需要通過串口向單片機(jī)發(fā)送音符數(shù)據(jù)即可,，由于需要發(fā)送定長多字節(jié)的數(shù)據(jù),，在數(shù)據(jù)幀中加入頭碼來方便單片機(jī)判斷數(shù)據(jù)幀的開始和結(jié)束。數(shù)據(jù)幀的格式如表1所示,。
3.6導(dǎo)出文件的格式
在完成音樂的編輯和調(diào)試后,，可以導(dǎo)出C語言文件,，加入單片機(jī)工程中,，完成單片機(jī)音樂的功能。導(dǎo)出的文件中包含音符結(jié)構(gòu)體的定義,、停止標(biāo)識符及音符結(jié)構(gòu)體數(shù)組,，可以根據(jù)需要添加多個音符結(jié)構(gòu)體數(shù)組，并修改數(shù)組名稱,。
4單片機(jī)參考處理流程
在串口接收到完整的一幀音符數(shù)據(jù)后,，調(diào)用Music_StartANewTone函數(shù)，啟動一次音符演奏的控制流程,，在該函數(shù)內(nèi)將音符的電容上電時間賦值給CURBuzzerOnTime全局變量,，音符的持續(xù)時間賦值給CURToneTime全局變量，將音符的計時器全局變量ToneTimer置為0,，并打開電容的供電控制并設(shè)置好蜂鳴器的驅(qū)動頻率,。一個音符的控制過程中每10 ms處理一次相關(guān)的變量操作，其程序流程圖如圖7所示,。
程序中定義了音符結(jié)構(gòu)體指針變量pMusicTone,，用于方便控制音樂的播放和停止，在需要播放音樂或停止播放時,，將指針變量pMusicTone指向?qū)?yīng)的音樂音符數(shù)組即可,，在音符的控制流程中將自動處理。
5結(jié)束語
本文介紹了一套完整的在嵌入式系統(tǒng)中加入高級提示音或音樂的方法,，能夠快速方便地編輯音樂和調(diào)試音樂效果,，加快嵌入式系統(tǒng)提示音或音樂功能的開發(fā)進(jìn)度，能夠廣泛地適用于需要警報提示音或開關(guān)機(jī)音樂的應(yīng)用場合,。
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