林鵬,尹紹杰

　　（浙江大學(xué)臺(tái)州研究院 電氣與控制研究所，浙江 臺(tái)州 318000）

       摘要：為了在嵌入式系統(tǒng)中加入動(dòng)聽的提示音或音樂效果，增加音效編輯的靈活性，設(shè)計(jì)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(dòng)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(shí)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(yàn)。

　　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(yàn)，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(dòng)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(gè)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(dòng)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(dòng)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(dòng)蜂鳴器的頻率可以改變音的高低；控制蜂鳴器導(dǎo)通的時(shí)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(dòng)。本方案選擇無源蜂鳴器。

　　本方案使用的蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路［2］如圖2所示。由圖可見該驅(qū)動(dòng)電路稍顯復(fù)雜，一般的蜂鳴器驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路的原理為：在一個(gè)音程內(nèi)，BUZ_PWM端輸入指定頻率的方波信號(hào)，當(dāng)BUZ_CTRL端的信號(hào)為高時(shí)，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(hào)的驅(qū)動(dòng)下發(fā)出特定頻率的聲音；當(dāng)BUZ_CTRL端的信號(hào)為低時(shí)，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(hào)有兩種選擇：一種是輸出PWM(Pulse Width Modulation)脈寬調(diào)制信號(hào)，并搭配一個(gè)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(gè)周期的高低信號(hào)，配合一個(gè)較高容量的電容，驅(qū)動(dòng)信號(hào)先高使電容充電，在某個(gè)合適的時(shí)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(dòng)，較復(fù)雜，對(duì)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(dòng)，外加一路開關(guān)信號(hào)，一些單片機(jī)即使沒有硬件PWM發(fā)生器也能較好地實(shí)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(dòng)信號(hào)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(jì)

　　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(tái)，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(duì)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?yàn)閃PF包含諸多優(yōu)異的特性，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)綁定、動(dòng)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(hào)及波特率，啟停串口連接。

　　(2)鍵盤“←”和“→”按鍵可調(diào)整一個(gè)音符的持續(xù)長度，鼠標(biāo)左右拖動(dòng)方波中間的下降沿能分配電容的供電時(shí)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(shí)，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(shí)按住鍵盤上的左“Ctrl”鍵，如果此時(shí)已打開編輯音樂文件界面則會(huì)將當(dāng)前的音符添加至編輯界面的音符列表中，否則會(huì)打開一個(gè)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(dòng)修改對(duì)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(shí)間及音符持續(xù)時(shí)間，帶有數(shù)值合法性檢驗(yàn)。

　　(4)列表中的每一個(gè)音符選中時(shí)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(shí)提示和修改頻率后試聽選項(xiàng)。

　　(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(gè)單片機(jī)音樂功能的開發(fā)。

　　3.3音符數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)

　　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(shí)間和音符持續(xù)時(shí)間組成。其中電容上電時(shí)間和音符持續(xù)時(shí)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(duì)應(yīng)的頻率。

　　根據(jù)科學(xué)音調(diào)記號(hào)法及相關(guān)的樂理知識(shí)［5］， C、D、E、F、G、A、B為C大調(diào)的七個(gè)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(gè)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(hào)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(hào)格式為“C.”加對(duì)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(shí)先用臨近的音符代替，調(diào)試時(shí)再修改備注和頻率。程序中將各個(gè)音符的頻率保存為一個(gè)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(shí)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(shí)間，每單位10 ms5音符持續(xù)時(shí)間，每單位10 ms個(gè)音符時(shí)，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(shí)符及音符結(jié)構(gòu)體數(shù)組，可以根據(jù)需要添加多個(gè)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(dòng)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(shí)間賦值給CURBuzzerOnTime全局變量，音符的持續(xù)時(shí)間賦值給CURToneTime全局變量，將音符的計(jì)時(shí)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(dòng)頻率。一個(gè)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(shí)，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(dòng)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(jí)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(bào)提示音或開關(guān)機(jī)音樂的應(yīng)用場合。

　　參考文獻(xiàn)

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　　［3］ 劉鐵猛. 深入淺出WPF［M］. 北京：中國水利水電出版社，2010.

　　［4］ KARLI W, JACOB V H, JON D R，等. C#入門經(jīng)典［M］. 齊立波，黃俊偉，譯. 北京：清華大學(xué)出版社，2013.

　　［5］ Wikipedia. Scientific pitch notation［EB/OL］. ［2016-06-10］. https://en.wikipedia.org/wiki/Scientific_pitch_notation.