基于STM32的PWM音乐播放器应用设计_马志强

基于Ｓ音乐播放器应用设计 ＴＭ３２的 ＰＷＭ

马志强，王建刚，孙少林，胡明

（总参谋部通信训练基地 ，宣 化 ０７５１００）

，。 摘要：基于３的 利 用 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 ２位 ＳＴＭ３２Ｆ１０３，ＰＷＭ ，。 ，播放器能实现从低音到高音的 音 阶 并能根据乐谱演奏完整的曲目 测 试 结 果 表 明 输 出 信 号 与 各 音 阶 ２１个 ＰＷＭ 的 ，、，。 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 蜂 鸣器 定 时器 音 乐 ＳＴＭ３２；ＰＷＭ；：：Ａ 中图分类号 文献标识码 ＴＰ２７３

ＡｌｉｃａｔｉｏｎＤｅｓｉｎｏｆＰＷＭ ＭｕｓｉｃＰｌａｅｒＢａｓｅｄｏｎＳＴＭ３２ ｐｐｇｙ

，Ｗ，，ＭａＺｈｉｉａｎａｎｉａｎａｎＳｕｎＳｈａｏｌｉｎＨｕ ＭｉｎｑｇｇＪｇｇｇ

（，） ＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＴｒａｉｎｉｎａｓｅｏｆＰＬＡ ＧｅｎｅｒａｌＳｔａｆｆＨｅａｄｕａｒｔｅｒｓＸｕａｎｈｕａ０７５１００，ＣｈｉｎａｇＢｑ

：，ＡｂｓｔｒａｃｔＢａｓｅｄｏｎ３２ｂｉｔＳＴＭ３２Ｆ１０３，ｕｓｉｎｕｄｉｏｓｉｎａｌｓｐｒｏｄｕｃｅｄｂｔｏｄｒｉｖｅａｂｕｚｚｅｒｔｏｐｌａｍｕｓｉｃａ ｍｕｓｉｃｐｌａｅｒｉｓｄｅｉ－ｇａｇｙＰＷＭ ｙ ｙ－ ｓｇｎｅｄ．Ｔｈｅｐｌａｅｒｃａｎｒｅａｌｉｚｅ２１ｓｃａｌｅｓｆｒｏｍｂａｓｓｔｏｔｒｅｂｌｅａｎｄｐｌａｏｍｌｅｔｅｓｏｎｓａｃｃｏｒｄｉｎｏｍｕｓｉｃｓｃｏｒｅｓ．Ｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔ ｔｈｅｙｙｃｐｇｇｔ，ｏｕｔｕｔｓｉｎａｌｓｏｆＰＷＭ ａｒｅｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔｗｉｔｈｔｈｅｃｏｒｒｅｓｏｎｄｉｎｏｉｃｅｆｒｅｕｅｎｃｆｔｈｅｓｃａｌｅｓａｎｄｔｈｅｓｃｈｅｍｅｉｓｆｅａｓｉｂｌｅ．Ｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄ ｃａｎａｌｐｇｐｇｖｑｙｏ，，ｓｏｂｅｕｓｅｄｉｎｍｏｔｏｒｃｏｎｔｒｏｌｋｅｂｏａｒｄｄｅｓｉｎａｎｄｓｏｏｎｓｈｏｗｉｎｏｏｄｐｒａｃｔｉｃａｌｉｔ． ｙｇｇｇｙ：；；ｍＫｅｏｒｄｓＳＴＭ３２；ＰＷＭ；ｂｕｚｚｅｒｔｉｍｅｒｕｓｉｃ ｙｗ

，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

［１－３］，，一般地 可 采用８其 播放 ９Ｃ５１等单片机实现音乐播放

，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 据 此可 Ｃ调时音符频率对照表 ，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 度 音 阶 减 半 则 降 一 个 ８ ８度。

表 １ Ｃ 调时音符频率对照表

，。 内容及歌曲数量都可以随时修改 使用上相对方便 随着 ，列微处 理 器 的 出 现 其 基 于 ＡＲＭ ＳＴＭ３２系 Ｃｏｒｔｅｘ－Ｍ 内 ，，核的 位闪存微控制器 高 达 主 频 高 集 成 ３２ ７２ ＭＨｚ的 、、、、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 处 理 器， ＳＴＭ３２ ，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 输 出 信 号 驱动蜂鸣器完成自定义乐谱的播 ＰＷＭ ，放。 经测试 播 放效果良好。

音符 １ ２ ３ ４ ５ ６ 低 音／Ｈｚ ２６２ ２９４ ３３０ ３４９ ３９２ ４４０ ４９４ 中 音／Ｈｚ ５２３ ５７８ ６５９ ６９８ ７８４ ８８０ ９８８ 高 音／Ｈｚ １０４６ １１７５ １３１８ １３９７ １５６８ １７６０ １９７６ １ 乐谱简析

７ １．１ 音阶

，主 音阶是音 乐必不可少的要素 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 ，，最简单的办法是算出 音阶 而 要产生某频率 的 音 频 脉 冲 ，该音频的周期 然 后将 此 周 期 除 以 即为半周期的时间。 ２ “高 ”、通过程序控制单片机某 引 脚 半 周 期 为 半 周 期 为 “”，，即可产生该频率的矩形波 ，低不 断交替变换 接 到蜂鸣

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 拍 那 么 拍 为 １２０ １ ０．５ｓ／，。 为０．以此类推可得到其他节拍对应的时长 １４拍 １２５ｓ，，，这样 利用不同的频率 加上与拍数对应的延时 就 构成了

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乐曲。

，割。 设置计数溢出大 小 为 即 每 计 个 数 就 产 １９９９２０００

［４］

２ ＳＴＭ３２中的定时器

，／。 生一个更新事件 输 出频率 为 代 码 ２ｋＨｚ２０００＝１ Ｈｚ

如下：

（）｛ ＴｖｏｉｄＴＩＭＥＲ＿ＣｏｎｆｉＩＭ＿ＴｉｍｅＢａｓｅＩｎｉｔＴｅＤｅｆＴＩＭ＿ＴｉｍｅＢａｇｙｐ

； ｓｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅ……

／／预 分频系数

ＴＩＭ＿ＴｉｍｅＢａｓｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅ．ＴＩＭ＿Ｐｒｅｓｃａｌｅｒ＝３６０００－１； ／／设 置时钟分割

ＴＩＭ＿ＴｉｍｅＢａｓｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅ．ＴＩＭ＿ＣｌｏｃｋＤｉｖｉｓｉｏｎ＝ＴＩＭ＿ＣＫＤ＿ ＤＩＶ１；

／／设置计数溢出大小

ＴＩＭ＿ＴｉｍｅＢａｓｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅ．ＴＩＭ＿Ｐｅｒｉｏｄ ＝ ２０００－１； ……

／／将 配置应用到 中 ＴＩＭ３

（）； ＴＩＭ＿ＴｉｍｅＢａｓｅＩｎｉｔＴＩＭ３，＆ＴＩＭ＿ＴｉｍｅＢａｓｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅ｝

，，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 生 脉 冲 信 号。 ＰＷＭ 产 ，一共 有 个 定 时 器 包 含 个高级控制定时 ＳＴＭ３２中 １１ ２

、、，器 普通定时器 个 基 本 定 时 器 以 及 个 看 门 狗 定 ４个 ２ ２ ，时器 和 个 系 统 滴 答 定 时 器 Ｓ其 中 和 Ｔ１ ｓＴｉｃｋ。 ＴＩＭ１ ｙ，高级定时器 时 钟由 输出产生。ＴＩＭ８是 ＡＰＢ２的 ＩＭ２～ Ｔ，，普通定时器 和 是 基 本 定 时 器 这 ＩＭ５是 ＴＩＭ６ ＴＩＭ７ ６ 个定时器的时钟由 输出产生。 ＡＰＢ１的

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 ，，在 个溢出事件 这 个时间 的 设 置与定时器时钟有关 定 时 ，设置计数溢出大小即可 。 器时钟基础上进行预分频

２．１．１ 系统时钟设置

，必须先确保系统时钟的 设置是 要保证定时的准确性 我们所预期的。 定时器时钟分配如图 所 示。 通 过 编 程 １ ，使 为 预 分 频 后 得 到 为 ＳＹＳＣＬＫ ７２ ＭＨｚＡＰＢ１ ＰＣＬＫ１

，再 经 Ｔ倍 频 器 得 到 Ｔ３６ ＭＨｚＩＭ２ＴＩＭ７ ＩＭ２ＴＩＭ７ ～～（），时钟７２ 时 钟 源 多 采 用 Ｈ外 部 时 钟 源 对 于 ＭＨｚ。 ＳＥ

，，其 外部 时 钟 为 而 外 部 ＳＴＭ３２Ｆ１０３８ ＭＨｚＳＴＭ３２Ｆ１０７ ，，，时钟为２５ 因 此 在 使用 Ｈ做时钟源时 这 两种器 ＭＨｚＳＥ

，件产 生 的分频和倍频方式不同 需 要 使 用 者 引 ＳＹＳＣＬＫ 起注意。

输出 ２．２ ＳＴＭ３２的 ＰＷＭ

（，）脉冲宽度调 制 是 利 Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ ＭｏｄｕｌａｔｉｏｎＰＷＭ用微处理器的数字输出来对模拟电 路进行控制的一种非 ，，常有效的技术 简 而言 之 就 是实现对输出信号脉冲宽度

，的控制 一 般用 来 控制步进电机等。ＳＴＭ３２ 的 定 时 器 除 ，其他的定时器都可以用来产生 了 ＴＩＭ６和 ＴＩＭ７ 之 外 ，，输出 其 中 高 级定时 器 和 能 够 产 生 ＰＷＭ ＴＩＭ１ ＴＩＭ８ ３ ，而 对 互补 输 出 也 能 同 时 产 生 路 ＰＷＭ ＴＩＭ２ＴＩＭ５ ４ ～的 ＰＷＭ 输出。

输出引脚 ２．２．１ ＰＷＭ

，不同的定时器分配了不同的输出引脚 考 ＳＴＭ３２给

，“”虑到引脚复 用 功 能 还 提 出 了 一 个 重 映 像 的 概 ＳＴＭ３２ ，，念 就是通过设置 某一 些 相 关 的 寄 存 器 使得在其他非原

，始指定的引脚上也能输出 波形 但 是这种重映像不 ＰＷＭ ，［。 ，是随意的 使 用方法可参 照 参 考 文 献 例 如 的 １］ＴＩＭ３ ，通道２，在 没有重映像的时候 指 定 的 引 脚 是 如 果 ＰＡ７。 ，；设置部分重映像之后 输 出 就 被 映 像 到 上 了 如 果 设 ＰＢ５ ，。 置完全重映像的话 输出就被映像到 ＰＣ７上

２．２．２ 占空比的计算

图 １ 定时器时钟分配图

（）：在一串理想的脉冲 占空比有 如 下 含 义 ＤｕｔＲａｔｉｏｙ，正脉冲的持续时间与脉冲总 周期序列（如 方波）中 周期的

比值。

ＩＭ＿Ｐｕｌｓｅ 占空比 ＝ Ｔ（） ００％ １ＴＩＭ＿ Ｐｅｉｏｄ＋１ （ ｒ）×１

＿，若想得到占空比５０％ ，当 为时 则 ＴＩＭＰｅｒｉｏｄ１９９９＿（）／。 应 设 置 为 具 体 设 置 ＴＩＭＰｕｌｓｅ １９９９＋１２＝１０００

如下：

（）｛ ｖｏｉｄＰＷＭ＿Ｃｏｎｆｉｇ

２．１．２ 定时器相关参数设置

定时器的 参 数 由 结 构 体 义， ＴｉｍｅＢａｓｅＩｎｉｔＴｅＤｅｆ定 ｙｐ、、、主要包括预分频系数 时 钟分割 计 数器模式 计 数溢出大

，小等。 例如 要 由 定 时器３）产生一个时长为１ｓ的 ＴＩＭ３（，，，定时 首 先 应进行系统时钟的设置 得 到 ＴＩＭ３ＣＬＫ＝７２ ，。 ，然后进行定时器设置 其中 预 分频系数 为３ＭＨｚ５９９９，

，／，此时 时 钟 为 无 时 钟 分 ＴＩＭ３ ７２ ＭＨｚ３６０００＝２ｋＨｚ

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Ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ ＆ ＥｍｂｅｄｄｅｄＳｓｔｅｍｓ ｙ２０１２ 年第１１ 期 ｗｗｗ．ｍｅｓｎｅｔ．ｃｏｍ．ｃｎ

； ＴＩＭ＿ＯＣＩｎｉｔＴｅＤｅｆＴｉｍＯＣＩｎｉｔＳｔｒｕｃｔｕｒｅｙｐ３．２．２ 主程序设计

……

／／设 置占空比

ＴｉｍＯＣＩｎｉｔＳｔｒｕｃｔｕｒｅ．ＴＩＭ＿Ｐｕｌｓｅ ＝１０００； ……

／／设 置 ＴＩＭ３ 的 ＰＷＭ

输出为使能 ＴＩＭ＿ＣｔｒｌＰＷＭＯｕｔｐｕｔｓ（ＴＩＭ３，ＥＮＡＢＬＥ）； ｝

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

图 ２ 蜂鸣器电路

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 １９９９，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＿Ｐｒｅｓ－ ｃａｌｅｒ

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：

ＴＩＭ＿Ｐｒｅｓｃａｌｅｒ＝ ７２ ＭＨｚ －１

（２） （ＴＩＭ＿Ｐｅｒｉｏｄ＋１）×ｆｓｏｕｎｄ 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： ＃ｄ

ｅｆｉｎｅＳｔｄＢｅａｔ１２５ ／／１／４ 节拍 ＝１２５ｍｓ ／＊ 定义音阶（预 分频系数）＊／ ＃ｄ

ｅｆｉｎｅｌｏｗ＿１１３６ ／／低 音 Ｄｏ ＃ｄｅｆｉｎｅｌｏｗ＿２１２１ ／／低 音 Ｒｅ ……

＃ｄｅｆｉｎｅｈｉｇ

ｈ＿７１７ ／／高 音 Ｘｉ ／＊ 定义乐谱（两 只老虎）＊／ ｕ１６ ｍｕｓｉｃ［］＝｛ｍｉｄ＿１，４，ｍｉｄ＿２，４，ｍｉｄ＿３，４，ｍｉｄ＿１，４，ｍｉｄ＿１，４， ｍｉｄ＿２，４，ｍｉｄ＿３，４，ｍｉｄ＿１，４，ｍｉｄ＿３，４，ｍｉｄ＿４，４，ｍｉｄ＿５，８，

…｝； 敬请登录网站在线投稿

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 图 ４

为 示 波 器 ３ 主程序流程图

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。

图 ４ ＰＷＭ 输出波形

结 语

ＳＴＭ３２ 既可以搭载 ／ ，

也可以作为单片机使用 ， μ

Ｃ ＯＳ 是一款性价比较高的处理器。 本 文 利 用 ＳＴＭ３２ 的 定 时 器 ，产 生 ＰＷＭ 音频 脉 冲 波 形 ，实 现了音乐播放功能。 这 种方法可用于电机控制 、电子琴以及无线报务中的 电子键 设计等 ，具有较高的实用价值

。

参考文献

［１］远 飞．基于单片机的音乐播放器的仿真与制作 ［Ｊ］．电

子 元 器件应用 ，２０１０，１２（１２）：４７－４９． ［２］王 建平 ，焦 国太 ，陈 亚 星．数字音乐盒设计 ［Ｊ］．机 械 ，２０１１，

３８（４）：６５－６７． ［３］马 巍．单片机制作音乐盒［Ｊ］．职 业 ，２０１１（２９）：１６４－１６５． ［４］意法半导体（中国）投资有限公司．ＳＴＭ３２Ｆ１０ｘｘｘ参考手册，２０１０．

马志强（高级讲师），主要研究方向为无线通信、嵌入式系统和自动控制。

（责 任编辑 ：梅 栾芳 收稿日期 ：２０１２－０７－０９） ２０１２ 年第１１ 期

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