利用MAXQ3210产生压电信号

摘要：MAXQ3210微控制器集成了一个压电扬声器驱动器，以固定频率驱动高音扬声器。本应用笔记演示了怎样改动扬声器驱动器反馈单元，利用软件来产生各种频率信号。

引言

压电蜂鸣器或扬声器使用压电晶体单元，压电晶体在加电时会出现轻微变形，将电信号转换为声音。晶体单元连在扬声器锥体或面板，当施加快速变化的电压时，它会快速振动。这种振动激发出空气中的声波，从而产生频率基于电波频率的音调。

早期的计算机和电子游戏使用压电扬声器产生的各类声音，从单音、汽笛音到白噪声等。和早期相比，个人计算机的声音产生技术有了很大的进步。今天，系统即使增加了多通道、数字声音和音乐，以及基于MIDI的音乐合成器系统，仍然使用简单的压电扬声器。汽车报警、烟雾探测器、销售点(PoS)终端、小型电子玩具和游戏以及很多应用都依靠压电声发生器来产生单音、大分贝报警音效。

改动硬件驱动扬声器

对系统中的压电扬声器增加硬件非常简单。

对于只需要一路频率输出的应用，可以对压电扬声器进行优化，以一定的音频振荡。通过加入反馈网络和逆变器，扬声器在接通后以共振频率开始自激振荡。这类网络通常用于在烟雾探测器、二氧化碳传感器和安防系统中产生大分贝报警音。

Maxim的MAXQ3210微控制器集成了这类压电扬声器驱动电路(图1)。软件界面非常简单，包括一个控制位，用于打开或者关断扬声器。输出音的频率和音量完全由压电扬声器和反馈网络元件决定。


图1. MAXQ3210微控制器的压电音驱动电路

在软件控制下迅速接通和关断扬声器可以产生各种嘀哒、啁啾等声音效果，但是输出频率不变。怎样才能产生各种不同的输出频率呢?

为改变输出频率，必须去掉自动反馈环路，直接通过端口引脚来控制扬声器输出。数字扬声器的输入可以在固定电压和地之间切换，微控制器的数字I/O引脚可直接驱动它。根据压电扬声器输出大小和所需的分贝数，可能需要专门的驱动电路或者IC来处理压电扬声器引脚的高压，或者将大电流驱动到扬声器中，以产生高音。在这些情况下，微控制器I/O引脚被用于打开或者关断扬声器，设置输出频率。I/O引脚不直接驱动压电单元。

MAXQ3210还可用于产生多个扬声器输出频率。反馈输入引脚直接连接到器件的一个其他端口引脚上。只要内置扬声器逆变器能够跟上端口引脚驱动的频率，按照合适的速率触发端口引脚都可以产生所需的音调。

注意：本应用笔记的源代码可以下载(ZIP, 4.5kB)。

音乐合成器

为能够产生简单的音乐信号，扬声器必须接通一段时间，然后关断相同的时间。产生的声音频率由下面的公式给出：

输出频率 = 1/(长周期 + 短周期)

为能够产生一定时间长度的声音，需要计算进行驱动的完整周期数：

周期数 = (声音持续时间 × 输出频率)

以中C基本钢琴音标音频为例。对这些频率进行调谐，音符“中C的A”等于440Hz。表1中列出的值是近似值。

表1. 音符和接近的声音频率

Note	Frequency (Hz)
Middle C	261
C sharp/D flat	277
D	294
D sharp/E flat	311
E	330
F	349
F sharp/G flat	370
G	392
G sharp/A flat	415
A	440
A sharp/B flat	466
B	494
C (next octave up)	523

以一定频率来接通和关断MAXQ3210端口引脚最简单的方法是使用软件循环。使用微控制器的单周期指令执行频率来计算内循环延时，该频率典型值为3.57MHz。

move    HRNC, #1          ; Turn the piezoelectric horn driver on.;; Play Middle C for one second.move    LC[1], #261       ; Outer loop counter = 261 cycles (1s * 261Hz)middleC:move    PO0.0, #1         ; Switch output high.move    LC[0], #6839      ; Half period : (1/261Hz) / (1/3.57MHz) / 2djnz    LC[0], $          ; Decrement and jump, if not zero, to current ;    instruction.move    PO0.0, #0         ; Switch output low.move    LC[0], #6839      ; Half period : (1/261Hz) / (1/3.57MHz) / 2djnz    LC[0], $          ; Decrement and jump if not zero to current ;    instruction.djnz    LC[1], middleC    ; Decrement and jump, if not zero, to top of loop.

通过改变循环计数器LC[0]装载的数值来改变输出频率(对应于产生的音符)。通过改变循环计数器LC[1]装载的数值来改变音符持续时间。把这些代码打包到一个简单宏中，定义几个常数，就很容易产生播放一小段音乐的代码。

#define NOTE_C     261#define NOTE_C_SH  277#define NOTE_D_FL  277#define NOTE_D     294#define NOTE_D_SH  311#define NOTE_E_FL  311#define NOTE_E     330#define NOTE_F     349#define NOTE_F_SH  370#define NOTE_G_FL  370#define NOTE_G     392#define EIGHTH     1       ; 120 beats per minute, 4/4 time#define QUARTER    2       ; 120 beats per minute, 4/4 time#define QUARTERDOT 3       ; 120 beats per minute, 4/4 time#define HALF       4       ; 120 beats per minute, 4/4 time#define WHOLE      8       ; 120 beats per minute, 4/4 timeplay macro note, durationlocal L1, L2move    HRNC,  #1move    LC[1], #(note * duration / 8)L1:move    PO0.0, #1         ; Switch output high.move    LC[0], #(1785000 / note)djnz    LC[0], $          ; Decrement and jump, if not zero, to current ;    instruction.move    PO0.0, #0         ; Switch output low.move    LC[0], #(1785000 / note)djnz    LC[0], $          ; Decrement and jump, if not zero, to current ;    instruction.djnz    LC[1], L1         ; Decrement and jump, if not zero, to top of loop.move    HRNC,  #1move    LC[1], #50        ; 50ms of silenceL2:move    LC[0], #3570      ; 1ms (inner loop)  djnz    LC[0], $djnz    LC[1], L2endm;; First 8 bars of Beethoven's Ode to Joyplay    NOTE_E,     QUARTERplay    NOTE_E,     QUARTERplay    NOTE_F,     QUARTERplay    NOTE_G,     QUARTERplay    NOTE_G,     QUARTERplay    NOTE_F,     QUARTERplay    NOTE_E,     QUARTERplay    NOTE_D,     QUARTERplay    NOTE_C,     QUARTERplay    NOTE_C,     QUARTERplay    NOTE_D,     QUARTERplay    NOTE_E,     QUARTERplay    NOTE_E,     QUARTERDOTplay    NOTE_D,     EIGHTHplay    NOTE_D,     HALFplay    NOTE_E,     QUARTERplay    NOTE_E,     QUARTERplay    NOTE_F,     QUARTERplay    NOTE_G,     QUARTERplay    NOTE_G,     QUARTERplay    NOTE_F,     QUARTERplay    NOTE_E,     QUARTERplay    NOTE_D,     QUARTERplay    NOTE_C,     QUARTERplay    NOTE_C,     QUARTERplay    NOTE_D,     QUARTERplay    NOTE_E,     QUARTERplay    NOTE_D,     QUARTERDOTplay    NOTE_C,     EIGHTHplay    NOTE_C,     HALF