摘要：基于32位的STM32F103，利用PWM產生的音頻信號驅動蜂鳴器演奏樂曲，實現(xiàn)了音樂播放器的應用設計。該播放器能實現(xiàn)從低音到高音的21個音階，并能根據樂譜演奏完整的曲目。測試結果表明，PWM的輸出信號與各音階對應的聲音頻率基本一致，方案切實可行。這一方法也可用于電機控制、電子琴設計等方面，具有較好的實用性。
關鍵詞：STM32；PWM；蜂鳴器；定時器；音樂

    在科研項目開發(fā)中，有時會遇到需要播放電話鈴聲、音樂等情況。簡單的做法是購買專用音樂芯片，但該方法的缺點是播放的內容不可變，不能很好地滿足項目需求。一般地，可采用89C51等單片機實現(xiàn)音樂播放，其播放內容及歌曲數量都可以隨時修改，使用上相對方便。隨著STM32系列微處理器的出現(xiàn)，其基于ARM Cortex—M內核的32位閃存微控制器，高達72 MHz的主頻，高集成度、實時性、數字信號處理、低功耗、低電壓操作等眾多特點，使得其應用越來越廣泛。本文基于STM32處理器，根據樂曲簡譜制作供程序識別的樂譜，并利用內部定時器產生PWM輸出信號，驅動蜂鳴器完成自定義樂譜的播放。經測試，播放效果良好。

1 樂譜簡析
1．1 音階
    音階是音樂必不可少的要素，主要由聲音的頻率決定。通過給蜂鳴器不同頻率的音頻脈沖，可以產生不同的音階，而要產生某頻率的音頻脈沖，最簡單的辦法是算出該音頻的周期，然后將此周期除以2即為半周期的時間。通過程序控制單片機某引腳半周期為“高”、半周期為“低”，不斷交替變換，即可產生該頻率的矩形波，接到蜂鳴器上就可發(fā)出該頻率的聲音。若想改變音階，只需要改變半周期時間即可。表1為C調時音符頻率對照表，據此可產生不同音階的音符。“#”表示半音，用于上升或下降半個音，乘以2就提升該聲音一個8度音階，減半則降一個8度。

1．2 節(jié)拍
    若要構成音樂，光有音階是不夠的，還需要節(jié)拍，也就是音符持續(xù)時間的長短，一般用拍數表示。至于1拍是多少秒，沒有嚴格的規(guī)定，只要節(jié)拍適宜，聲音悅耳即可。假如某首歌曲的節(jié)奏是每分鐘120拍，那么1拍為0．5 s，1／4拍為0．125 s，以此類推可得到其他節(jié)拍對應的時長。這樣，利用不同的頻率，加上與拍數對應的延時，就構成了樂曲。

2 STM32中的定時器
    音階的產生與聲音頻率有關，為了實現(xiàn)不同音階，必須能為蜂鳴器提供不同頻率的脈沖。為此，選擇STM32芯片，利用其自帶的定時器，通過PWM產生脈沖信號。STM32中一共有11個定時器，包含2個高級控制定時器、4個普通定時器、2個基本定時器，以及2個看門狗定時器和1個系統(tǒng)滴答定時器SysTiek。其中，TIM1和TIM8是高級定時器，時鐘由APB2的輸出產生。TIM2～TIM5是普通定時器，TIM6和TIM7是基本定時器，這6個定時器的時鐘由APB1的輸出產生。
2．1 定時時長的計算
    定時器的一個主要功能就是到指定時間就會產生一個溢出事件，這個時間的設置與定時器時鐘有關，在定時器時鐘基礎上進行預分頻，設置計數溢出大小即可。
2．1．1 系統(tǒng)時鐘設置
    要保證定時的準確性，必須先確保系統(tǒng)時鐘的設置是我們所預期的。定時器時鐘分配如圖1所示。通過編程使SYSCLK為72 MHz，APB1預分頻后得到PCLK1為36 MHz，再經TIM2～TIM7倍頻器得到TIM2～TIM7時鐘72 MHz。時鐘源多采用HSE(外部時鐘源)，對于STM32F103，其外部時鐘為8 MHz，而STM32F107外部時鐘為25 MHz，因此，在使用HSE做時鐘源時，這兩種器件產生SYSCLK的分頻和倍頻方式不同，需要使用者引起注意。

2．1．2 定時器相關參數設置
    定時器的參數由結構體TimeBaselnitTypeDef定義，主要包括預分頻系數、時鐘分割、計數器模式、計數溢出大小等。例如，要由TIM3(定時器3)產生一個時長為1 s的定時，首先，應進行系統(tǒng)時鐘的設置，得到TIM3CLK=72MHz，然后進行定時器設置。其中，預分頻系數為35 999，此時，TIM3時鐘為72 MHz／36 000=2 kHz，無時鐘分割。設置計數溢出大小為1 999，即每計2 000個數就產生一個更新事件，輸出頻率為2 kHz／2 000=1 Hz。代碼如下：
   
2．2 STM32的PWM輸出
    脈沖寬度調制(Pulse Width Modulation，PWM)是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，簡而言之，就是實現(xiàn)對輸出信號脈沖寬度的控制，一般用來控制步進電機等。STM32的定時器除了TIM6和TIM7之外，其他的定時器都可以用來產生PWM輸出，其中，高級定時器TIM1和TIM8能夠產生3對PWM互補輸出，而TIM2～TIM5也能同時產生4路的PWM輸出。
2．2．1 PWM輸出引腳
    STM32給不同的定時器分配了不同的輸出引腳，考慮到引腳復用功能，STM32還提出了一個“重映像”的概念，就是通過設置某一些相關的寄存器，使得在其他非原始指定的引腳上也能輸出PWM波形，但是這種重映像不是隨意的，使用方法可參照參考文獻。例如，TIM3的通道2，在沒有重映像的時候，指定的引腳是PA7。如果設置部分重映像之后，輸出就被映像到PB5上了；如果設置完全重映像的話，輸出就被映像到PC7上。
2．2．2 占空比的計算
    占空比(Duty Ratio)有如下含義：在一串理想的脈沖周期序列(如方波)中，正脈沖的持續(xù)時間與脈沖總周期的比值。
   
    當TIM_Period為1 999時，若想得到占空比50％，則TIM_Pulse應設置為(1999+1)／2=1000。具體設置如下：
   
   

3 用PWM控制蜂鳴器播放音樂
3．1 硬件電路設計
    蜂鳴器電路如圖2所示。需要注意的是，有源蜂鳴器是以固定頻率工作，加電即可鳴叫，無源蜂鳴器可以用不同頻率輸入信號來控制發(fā)聲，因此，需要選擇無源蜂鳴器。核心控制器件選擇STM32F103VET6，其引腳PB5連接到BEEP。由電路可知，當PB5為高電平時，蜂鳴器可工作，只要控制PB5高低電平輸出形成的矩形波的頻率就可以控制蜂鳴器演奏音樂。

3．2 程序設計
3．2．1 制作樂譜
    音階的產生依賴于PWM輸出信號的頻率。為了簡化設計，我們令定時器的TIM_Period為1 999，且占空比始終為50％，根據式(1)則TIM_ Pulse為1000。此時，PWM輸出信號頻率僅與定時器預分頻系數TIM_Prescaler有關，只需要調整該系數，即可得到所需信號頻率。
TIM_Prescaler由下式得到：
   
    式(2)中，fsound為音階對應的頻率，如低音Do頻率為262 Hz。要產生該音頻，TIM_Prescaler應為136。
    樂譜由音階和節(jié)拍組成，每兩個元素為一組，前者表示音階，后者表示節(jié)拍。節(jié)拍以1／4拍為基準，存放的數值為1／4拍的倍數。相關代碼如下：
   
3．2．2 主程序設計
    程序流程如圖3所示。由于STM32的PWM輸出引腳是PB5，所以我們采用TIM3的通道2來產生PWM輸出。在GPIO設置程序中，將TIM3的通道2引腳部分重映像到PB5，GPIO模式選擇為復用推挽輸出。程序循環(huán)讀取樂譜，根據音階修改定時器的預分頻系數，并重新設置定時器和PWM。同時，利用STM32的內部SysTick進行精確計時，根據節(jié)拍實現(xiàn)ms級延時，并減少內核消耗。圖4為示波器測量得到的低音So的PWM輸出波形。根據表1，該波形頻率應為392 Hz，實測為391．549 Hz，可見本方案的PWM輸出誤差較小。

結語
    STM32既可以搭載μC／OS，也可以作為單片機使用，是一款性價比較高的處理器。本文利用STM32的定時器，產生PWM音頻脈沖波形，實現(xiàn)了音樂播放功能。這種方法可用于電機控制、電子琴以及無線報務中的電子鍵設計等，具有較高的實用價值。