复古八音盒

实验介绍

Chiptune是不少80,90后的童年回忆,说Chiptune的名字应该很多人比较陌生,不过它有另外一个名字:8-bit。所谓的Chiptune也就是由老式家用电脑、录像游戏机和街机的芯片(也就是所谓的CHIP)发出的声音而写作的曲子。严格说来其实Chiptune不仅仅只有8bit,不过都是追求复古颗粒感的低比特率。本实验中,我们也来实现一款复古“八音”盒。

涉及知识点

乐谱编码 PWM与蜂鸣器

开发环境准备

硬件

开发用电脑一台
HAAS EDU K1 开发板一块
USB2TypeC 数据线一根

软件

开发环境的搭建请参考《AliOS Things集成开发环境使用说明之搭建开发环境》,其中详细的介绍了AliOS Things 3.3的IDE集成开发环境的搭建流程。

本案例的代码下载请参考《AliOS Things集成开发环境使用说明之创建工程》

> 选择解决方案: “HaaS EDU K1教育开发案例合集”

> 选择开发板: haaseduk1 board configure

-- 编译固件可参考《AliOS Things集成开发环境使用说明之编译固件》

-- 烧录固件可参考《AliOS Things集成开发环境使用说明之烧录固件》

蜂鸣器

蜂鸣器是一种非常简单的发声器件,和播放播放使用的扬声器不同,蜂鸣器只能播放较为简单的频率。 从驱动原理上区分,蜂鸣器可以分为无源蜂鸣器和有源蜂鸣器。这里的“源”,指的就是有无驱动源。无源蜂鸣器,顾名思义,就是没有自己的内置驱动源。只有为音圈接入交变电流后,其内部的电磁铁与永磁铁相吸或相斥而推动振膜发声,而接入直流电后,只能持续推动振膜而无法产生声音,只能在接通或断开时产生声音。而有源驱动器相反,只要接入直流电,其内部的驱动源会以一个固定的频率驱动振膜,直接发声。 在本实验中,推荐大家使用无源蜂鸣器,因为它只由PWM驱动,声音会更清脆纯净。使用有源蜂鸣器时,也能实现类似的效果,不过由于叠加了有源蜂鸣器自己的震动频率,声音会略显嘈杂。

驱动电路

蜂鸣器的 1端 连接到VCC,2端 连接到三极管。这里的三极管由PWM0驱动,来决定蜂鸣器的 2端 是否和GND连通,进而引发一次振荡。通过不断翻转IO口,即可以驱动蜂鸣器发声。

驱动代码

为了实现IO口按特定频率翻转,我们可以使用PWM(脉冲宽度调制)功能。关于PWM的详细介绍可以参看z第三章资源PWM部分。 在本实验中,我们实现了tone和noTone两个方法。其中,tone方法用于驱动蜂鸣器发出特定频率的声音,也就是“音调”。noTone方法用于关闭蜂鸣器。 值得注意的是,在tone方法中,pwm的占空比固定设置为0.5,这代表在一个震动周期内,蜂鸣器的振膜总是一半时间在上,一半时间在下。在这里改变占空比并不会改变蜂鸣器的功率,所以音量大小不会改变。

// solutions/eduk1_demo/k1_apps/musicbox/musicbox.c

void tone(uint16_t port, uint16_t frequency, uint16_t duration)
{
    pwm_dev_t pwm = {port, {0.5, frequency}, NULL};        // 设定pwm 频率为设定频率
    if (frequency > 0)                                                                // 频率值合法才会初始化pwm
    {
        hal_pwm_init(&pwm);
        hal_pwm_start(&pwm);
    }
    if (duration != 0)                                        
    {
        aos_msleep(duration);
    }
    if (frequency > 0 && duration > 0)                // 如果设定了 duration,则在该延时后停止播放
    {
        hal_pwm_stop(&pwm);
        hal_pwm_finalize(&pwm);
    }
}

void noTone(uint16_t port)
{
    pwm_dev_t pwm = {port, {0.5, 1}, NULL};        // 关闭对应端口的pwm输出
    hal_pwm_stop(&pwm);
    hal_pwm_finalize(&pwm);
}

从音调到音乐

完成了蜂鸣器的驱动,可以让蜂鸣器发出我们想要频率的声音了。接下来,我们需要做的就是把这些频率组合起来,形成音乐。

定义音调

目前我们只能指定发声的频率,却不知道频率怎么对应音调。而遵循音调,才能拼接出音乐。如果把蜂鸣器看作我们要驱动的器件,那么频率与音调的对应关系就是通讯协议,而音乐就是理想的器件输出。 我们采用目前对常用的音乐律式——十二平均律。采用维基百科的定义,可以计算如下: 将主音设为a1(440Hz),来计算所有音的频率,结果如下(为计算过程更清晰,分数不进行约分):

这样就得到了频率与音调的关系,我们将它记录在头文件中。

// solutions/eduk1_demo/k1_apps/musicbox/pitches.h

#define NOTE_B0  31
#define NOTE_C1  33
#define NOTE_CS1 35
#define NOTE_D1  37
#define NOTE_DS1 39
... ...
#define NOTE_B7  3951
#define NOTE_C8  4186
#define NOTE_CS8 4435
#define NOTE_D8  4699
#define NOTE_DS8 4978

这样,我们就可以采用tone方法来发出对应的音调。

tone(0, NOTE_B7, 100)
// 使用pwm0对应的蜂鸣器播放 NOTE_B7 持续100ms

生成乐谱

接下来,我们就可以开始谱曲了,这里我们选用一首非常简单的儿歌——《两只老虎》,来为大家演示如何谱曲。 我们的tone方法有两个需要关注的参数:frequency决定了播放的音调,duration决定了该音调播放的时长,也就是节拍。因此我们在读简谱时,也需要关注这两个参数。 关于简谱的一些基础知识,感兴趣的同学可以参考wikipedia-简谱。本实验只会使用到非常简单的方法,因此也可以直接往下阅读。

以《两只老虎》这张简谱为例。

音符

音符用数字1至7表示。这7个数字就等于大调的自然音阶。 左上角的 1 = C 表示调号,代表这张简谱使用C大调,加上音名,就会是这样:

1 = C

音阶

C

D

E

F

G

A

B

唱名

do

re

mi

fa

sol

la

Si

数字

1

2

3

4

5

6

7

代码

NOTE_C4

NOTE_D4

NOTE_E4

NOTE_F4

NOTE_G4

NOTE_A4

NOTE_B4

如果 左上角的定义 1 = D,那么就从D开始重新标注,如下表:

1 = D

音阶

D

E

F

G

A

B

C

唱名

do

re

mi

fa

sol

la

Si

数字

1

2

3

4

5

6

7

代码

NOTE_D4

NOTE_E4

NOTE_F4

NOTE_G4

NOTE_A4

NOTE_B4

NOTE_C4

八度

如果是高一个八度,就会在数字上方加上一点。如果是低一个八度,就会数字下方加上一点。在中间的那一个八度就什么也不用加。如果要再高一个八度,就在上方垂直加上两点(如:);要再低一个八度,就在下方垂直加上两点(如:),如此类推。

自然大调

1 = C

自然大调

数字

5

代码

NOTE_G7

NOTE_G6

NOTE_G5

NOTE_G4

NOTE_G3

NOTE_G2

NOTE_G1

自然小调

1 = C

自然小调

数字

5

代码

NOTE_GS7

NOTE_GS6

NOTE_GS5

NOTE_GS4

NOTE_GS3

NOTE_GS2

NOTE_GS1

了解了音符和八度后,我们可以开始填写音调数组,这个数组里的每个元素对应 tone 方法的 frequency 参数。

static int liang_zhi_lao_hu_Notes[] = {
    NOTE_C4, NOTE_D4, NOTE_E4, NOTE_C4, NOTE_C4, NOTE_D4, NOTE_E4, NOTE_C4, 
//   两                   只                 老                  虎                 两                  只          老                  虎
    NOTE_E4, NOTE_F4, NOTE_G4, NOTE_E4, NOTE_F4, NOTE_G4,
//         跑                   得                 快           跑                 得                  快
    NOTE_G4, NOTE_A4, NOTE_G4, NOTE_F4, NOTE_E4, NOTE_C4, 
//   一                   只                 没                  有                 眼                  睛    
    NOTE_G4, NOTE_A4, NOTE_G4, NOTE_F4, NOTE_E4, NOTE_C4, 
//         一                   只                 没                  有                 尾                  巴
    NOTE_D4, NOTE_G3, NOTE_C4, 0, 
//          真                   奇                 怪
    NOTE_D4, NOTE_G3, NOTE_C4, 0};
//          真                   奇                 怪

拍号和音长

左上角的 2/4 表示拍号。这里的4代表4分音符为一拍,2代表每一个小节里共有两拍。 通常只有数字的是四分音符。数字下加一条横线,就可令四分音符的长度减半,即成为八分音符;两条横线可令八分音符的长度减半,即成为十六分音符,以此类推;数字后方的横线延长音符,每加一条横线延长一个四分音符的长度。 因此我们可以得到节拍数组,这个数组里的每个元素对应 tone 方法的 duration 参数。

static int liang_zhi_lao_hu_NoteDurations[] = {
    8, 8, 8, 8, 8, 8, 8, 8, 
    8, 8, 4, 8, 8, 4, 
    16, 16, 16, 16, 4, 4, 
    16, 16, 16, 16, 4, 4, 
    8, 8, 4, 4, 
    8, 8, 4, 4};

结构体定义

接下来,我们将得到的乐谱信息填入结构体当中。

// solutions/eduk1_demo/k1_apps/musicbox/musicbox.c

typedef struct
{
    char *name;                                        // 音乐的名字        
    int *notes;                                        // 音符数组
    int *noteDurations;                        // 节拍数组
    unsigned int noteLength;        // 音符数量
    unsigned int musicTime;                // 音乐总时长 由播放器处理 用于界面显示 用户不需要关心
} music_t;                                                // 音乐结构体

typedef struct
{
    music_t **music_list;                        // 音乐列表
    unsigned int music_list_len;        // 音乐列表的长度
    int cur_music_index;                        // 当前第几首音乐
    unsigned int cur_music_note;        // 当前音乐的第几个音符
    unsigned int cur_music_time;        // 当前的播放时长 由播放器处理 用于界面显示 用户不需要关心
    unsigned int isPlaying;                        // 音乐是否播放/暂停 由播放器处理 用户不需要关心
} player_t;

static music_t liang_zhi_lao_hu = {
    "liang_zhi_lao_hu", 
    liang_zhi_lao_hu_Notes, 
    liang_zhi_lao_hu_NoteDurations, 
    34
};

music_t *music_list[] = {
    &liang_zhi_lao_hu_Notes,                // 将音乐插入到音乐列表中
};

player_t musicbox_player = {music_list, 1, 0, 0, 0, 0};        // 初始化音乐播放器

实现播放音乐

while (1)
{
    // 如果当前音调下标小于这首音乐的总音调 即尚未播放完
    if (musicbox_player.cur_music_note < cur_music->noteLength)
    {
        // 通过节拍计算出当前音符需要的延时 1000ms / n分音符
        int noteDuration = 1000 / cur_music->noteDurations[musicbox_player.cur_music_note];
        // 对于附点音符 我们用读数来标记 加有一个附点后音符的音长比其原来的音长增加了一半,即原音长的1.5倍。
        noteDuration = (noteDuration < 0) ? (-noteDuration * 1.5) : noteDuration;
                // 得到当前的音调
        int note = cur_music->notes[musicbox_player.cur_music_note];
        // 使用 tone 方法播放音调
        tone(0, note, noteDuration);
        // 延时一段时间 让音调转换更清晰
        aos_msleep((int)(noteDuration * NOTE_SPACE_RATIO));
        // 计算当前的播放时间
        musicbox_player.cur_music_time += (noteDuration + (int)(noteDuration * NOTE_SPACE_RATIO));
        // 准备播放下一个音调
        musicbox_player.cur_music_note++;
    }
}

绘制播放器

作为一位有理想有追求的开发者,仅仅能播放音乐肯定没法满足我们的创造欲。所以我们再来实现一个播放器,可以做到 暂停/播放, 上一首/下一首, 还能显示歌曲名和进度条。 实现这些需要的信息,我们在结构体中都已经完成了相关的定义,只需要根据按键操作完成对应的音乐播放控制即可。

void musicbox_task()
{
    while (1)
    {
        // 清除上一次绘画的残留
        OLED_Clear();
        // 获取当前音乐的指针
        music_t *cur_music = musicbox_player.music_list[musicbox_player.cur_music_index];

        // 获取当前音乐的名字并且绘制
        char show_song_name[14] = {0};
        sprintf(show_song_name, "%-13.13s", cur_music->name);
        OLED_Show_String(14, 4, show_song_name, 16, 1);

        // 如果当前播放器并未被暂停(正在播放)
        if (musicbox_player.isPlaying)
        {
                       // 如果还没播放完
            if (musicbox_player.cur_music_note < cur_music->noteLength)
            {
                int noteDuration = 1000 / cur_music->noteDurations[musicbox_player.cur_music_note];
                noteDuration = (noteDuration < 0) ? (-noteDuration * 1.5) : noteDuration;
                printf("note[%d] = %d\t delay %d ms\n", musicbox_player.cur_music_note, cur_music->noteDurations[musicbox_player.cur_music_note], noteDuration);
                int note = cur_music->notes[musicbox_player.cur_music_note];
                tone(0, note, noteDuration);
                aos_msleep((int)(noteDuration * NOTE_SPACE_RATIO));
                musicbox_player.cur_music_time += (noteDuration + (int)(noteDuration * NOTE_SPACE_RATIO));
                musicbox_player.cur_music_note++;
            }
            // 如果播放完 切换到下一首
            else
            {
                noTone(0);
                aos_msleep(1000);
                next_song();        // musicbox_player.cur_music_index++ 播放器的指向下一首音乐
            }
            OLED_Icon_Draw(54, 36, &icon_pause_24_24, 1);        // 播放器处于播放状态时 绘制暂停图标
        }
        else
        {
            OLED_Icon_Draw(54, 36, &icon_resume_24_24, 1);        // 播放器处于暂停状态时 绘制播放图标
            aos_msleep(500);
        }
        
        // 绘制一条直线代表进度条 直线的长度是 99.0(可绘画区域的最大长度) * (musicbox_player.cur_music_time(播放器记录的的当前音乐播放时长) / cur_music->musicTime(这首歌的总时长))
        OLED_DrawLine(16, 27, (int)(16 + 99.0 * (musicbox_player.cur_music_time * 1.0 / cur_music->musicTime)), 27, 1);        
 
        // 绘制上一首和下一首的图标
        OLED_Icon_Draw(94, 36, &icon_next_song_24_24, 1);
        OLED_Icon_Draw(14, 36, &icon_previous_song_24_24, 1);
        
        // 将绘制的信息显示在屏幕上
        OLED_Refresh_GRAM();
    }
}