基于STM32的PWM音乐播放器应用设计t

摘要：基于32位的STM32F103，利用PWM产生的音频信号驱动蜂鸣器演奏乐曲，实现了音乐播放器的应用设计。该播放器能实现从低音到高音的21个音阶，并能根据乐谱演奏完整的曲目。测试结果表明，PWM的输出信号与各音阶对应的声音频率基本一致，方案切实可行。这一方法也可用于电机控制、电子琴设计等方面，具有较好的实用性。
关键词：STM32；PWM；蜂鸣器；定时器；音乐

在科研项目开发中，有时会遇到需要播放电话铃声、音乐等情况。简单的做法是购买专用音乐芯片，但该方法的缺点是播放的内容不可变，不能很好地满足项目需求。一般地，可采用89C51等单片机实现音乐播放，其播放内容及歌曲数量都可以随时修改，使用上相对方便。随着STM32系列微处理器的出现，其基于ARM Cortex—M内核的32位闪存微控制器，高达72 MHz的主频，高集成度、实时性、数字信号处理、低功耗、低电压操作等众多特点，使得其应用越来越广泛。本文基于STM32处理器，根据乐曲简谱制作供程序识别的乐谱，并利用内部定时器产生PWM输出信号，驱动蜂鸣器完成自定义乐谱的播放。经测试，播放效果良好。

1 乐谱简析
1．1 音阶
音阶是音乐必不可少的要素，主要由声音的频率决定。通过给蜂鸣器不同频率的音频脉冲，可以产生不同的音阶，而要产生某频率的音频脉冲，最简单的办法是算出该音频的周期，然后将此周期除以2即为半周期的时间。通过程序控制单片机某引脚半周期为“高”、半周期为“低”，不断交替变换，即可产生该频率的矩形波，接到蜂鸣器上就可发出该频率的声音。若想改变音阶，只需要改变半周期时间即可。表1为C调时音符频率对照表，据此可产生不同音阶的音符。“#”表示半音，用于上升或下降半个音，乘以2就提升该声音一个8度音阶，减半则降一个8度。

1．2 节拍
若要构成音乐，光有音阶是不够的，还需要节拍，也就是音符持续时间的长短，一般用拍数表示。至于1拍是多少秒，没有严格的规定，只要节拍适宜，声音悦耳即可。假如某首歌曲的节奏是每分钟120拍，那么1拍为0．5 s，1／4拍为0．125 s，以此类推可得到其他节拍对应的时长。这样，利用不同的频率，加上与拍数对应的延时，就构成了乐曲。

2 STM32中的定时器
音阶的产生与声音频率有关，为了实现不同音阶，必须能为蜂鸣器提供不同频率的脉冲。为此，选择STM32芯片，利用其自带的定时器，通过PWM产生脉冲信号。STM32中一共有11个定时器，包含2个高级控制定时器、4个普通定时器、2个基本定时器，以及2个看门狗定时器和1个系统滴答定时器SysTiek。其中，TIM1和TIM8是高级定时器，时钟由APB2的输出产生。TIM2～TIM5是普通定时器，TIM6和TIM7是基本定时器，这6个定时器的时钟由APB1的输出产生。
2．1 定时时长的计算
定时器的一个主要功能就是到指定时间就会产生一个溢出事件，这个时间的设置与定时器时钟有关，在定时器时钟基础上进行预分频，设置计数溢出大小即可。
2．1．1 系统时钟设置
要保证定时的准确性，必须先确保系统时钟的设置是我们所预期的。定时器时钟分配如图1所示。通过编程使SYSCLK为72 MHz，APB1预分频后得到PCLK1为36 MHz，再经TIM2～TIM7倍频器得到TIM2～TIM7时钟72 MHz。时钟源多采用HSE(外部时钟源)，对于STM32F103，其外部时钟为8 MHz，而STM32F107外部时钟为25 MHz，因此，在使用HSE做时钟源时，这两种器件产生SYSCLK的分频和倍频方式不同，需要使用者引起注意。

3 用PWM控制蜂鸣器播放音乐
3．1 硬件电路设计
蜂鸣器电路如图2所示。需要注意的是，有源蜂鸣器是以固定频率工作，加电即可鸣叫，无源蜂鸣器可以用不同频率输入信号来控制发声，因此，需要选择无源蜂鸣器。核心控制器件选择STM32F103VET6，其引脚PB5连接到BEEP。由电路可知，当PB5为高电平时，蜂鸣器可工作，只要控制PB5高低电平输出形成的矩形波的频率就可以控制蜂鸣器演奏音乐。

3．2 程序设计
3．2．1 制作乐谱
音阶的产生依赖于PWM输出信号的频率。为了简化设计，我们令定时器的TIM_Period为1 999，且占空比始终为50％，根据式(1)则TIM_ Pulse为1000。此时，PWM输出信号频率仅与定时器预分频系数TIM_Prescaler有关，只需要调整该系数，即可得到所需信号频率。
TIM_Prescaler由下式得到：

式(2)中，fsound为音阶对应的频率，如低音Do频率为262 Hz。要产生该音频，TIM_Prescaler应为136。
乐谱由音阶和节拍组成，每两个元素为一组，前者表示音阶，后者表示节拍。节拍以1／4拍为基准，存放的数值为1／4拍的倍数。相关代码如下：

3．2．2 主程序设计
程序流程如图3所示。由于STM32的PWM输出引脚是PB5，所以我们采用TIM3的通道2来产生PWM输出。在GPIO设置程序中，将TIM3的通道2引脚部分重映像到PB5，GPIO模式选择为复用推挽输出。程序循环读取乐谱，根据音阶修改定时器的预分频系数，并重新设置定时器和PWM。同时，利用STM32的内部SysTick进行精确计时，根据节拍实现ms级延时，并减少内核消耗。图4为示波器测量得到的低音So的PWM输出波形。根据表1，该波形频率应为392 Hz，实测为391．549 Hz，可见本方案的PWM输出误差较小。