详解树莓派Model B+控制蜂鸣器演奏乐曲

步进电机以及无源蜂鸣器这些都需要脉冲信号才能够驱动，这里将用GPIO的PWM接口驱动无源蜂鸣器弹奏乐曲，本文基于树莓派Mode B+，其他版本树莓派实现时需参照相关资料进行修改！

1 预备知识

1.1 无源蜂鸣器和有源蜂鸣器

无源蜂鸣器：内部没有震荡源，直流信号无法让它鸣叫。必须用去震荡的电流驱动它，2K-5KHZ的方波PWM (Pulse Width Modulation脉冲宽度调制)。5KHZ的电流方波就是每秒震动5K次，每一个完整的周期占用200us的时间，高点平占一部分时间，低电平占一部分时间。声音频率可控，可以做出不同的音效。

有源蜂鸣器：内部带震荡电路，一通电就鸣叫，所以可以跟前面LED一样，给个高电平就能响，编程比无源的更方便。

本文利用无源蜂鸣器弹奏乐曲，用的就是淘宝上普通的电磁式阻抗16欧交流/2KHz 3V 5V 12V通用无源蜂鸣器，如果手边没有无源蜂鸣器，用普通的耳机也可以来代替无源蜂鸣器。

1.2 PWM

PWM(Pulse Width Modulation)即脉冲宽度调制，是一种利用微处理器的数字输出来控制模拟电路的控制技术。可以用下面的一幅图来形象地说明PWM：

图中t_pwm就是一个周期的时间长度。对于2KHz频率来说，那么周期就是1s/2K=500us。图中的D叫做占空比，指的是高电平的时间占用整个周期时间的百分比。第一个周期D=50%，那么就是高电平低电平的时间各占一半。接下来的D为33%，那就是通电时间为33%，剩余的不通电时间占用67%。树莓派Model B+有4个PIN脚支持PWM输出，如下图最右侧：

但是，需要注意的是BCM2835芯片只支持两路PWM输出，所以以上12 Pin脚和32 Pin脚对应的都是channel 1的PWM输出，即如果这两个Pin的功能都选择的是PWM输出，则它们输出的PWM是完全相同的，同理33 Pin脚和35 Pin脚对应芯片channel 2的PWM输出。

博通公司公布的BCM2835芯片资料BCM2835 ARM Peripherals中第9章比较详细的介绍了PWM相关内容，此外还可参考网上整理好的寄存器介绍资料rip-registers，通过阅读可以得知树莓派Model B+支持两种模式的PWM输出：一种是Balanced mode（平衡模式），一种是Mark-Space mode（MS模式）。另外树莓派的PWM输出基础频率是19.2MHz，PWM输出频率受这个基础频率的限制。

1.3 树莓派PWM分析

进行分析前先看一下实验的物理电路连接：

图中，红色杜邦线一头连接树莓派的32 Pin脚（PWM0），一头连接示波器的探针；绿色杜邦线一头连接树莓派的12 Pin脚（PWM0），一头连接无源蜂鸣器的正极；黄色杜邦线一头连接树莓派的6 Pin脚（ground），一头连接无源蜂鸣器的负极，此外示波器探针的ground也连接到黄色杜邦线，结合bcm2835 C library来进行分析：

（1）下载bcm2835库：wget http://www.airspayce.com/mikem/bcm2835/bcm2835-1.50.tar.gz

（2）解压：tar -zxvf bcm2835-1.50.tar.gz

（3）进入目录：cd bcm2835-1.35

（4）编译：./configure && make

（5）安装：sudo make install

修改examples/pwm/pwm.c的内容如下：

 // pwm.c
 //
 // Example program for bcm2835 library
 // Shows how to use PWM to control GPIO pins
 //
 // After installing bcm2835, you can build this
 // with something like:
 // gcc -o pwm pwm.c -l bcm2835
 // sudo ./pwm
 //
 // Or you can test it before installing with:
 // gcc -o pwm -I ../../src ../../src/bcm2835.c pwm.c
 // sudo ./pwm
 //
 // Author: Mike McCauley
 // Copyright (C) 2013 Mike McCauley
 // $Id: RF22.h,v 1.21 2012/05/30 01:51:25 mikem Exp $

 #include <bcm2835.h>
 #include <stdio.h>

 // PWM output on RPi Plug P1 pin 12 (which is GPIO pin 18)
 // in alt fun 5.
 // Note that this is the _only_ PWM pin available on the RPi IO headers
 #define PIN RPI_GPIO_P1_12
 // and it is controlled by PWM channel 0
 #define PWM_CHANNEL 0
 // This controls the max range of the PWM signal
 #define RANGE 1024

 #define PIN2 RPI_BPLUS_GPIO_J8_32

 int main(int argc, char **argv)
 {
     if (!bcm2835_init())
         return ;

     // Set the output pin to Alt Fun 5, to allow PWM channel 0 to be output there
     bcm2835_gpio_fsel(PIN, BCM2835_GPIO_FSEL_ALT5);

     bcm2835_gpio_fsel(PIN2, BCM2835_GPIO_FSEL_ALT0);    // 打开PI 32 Pin脚的PWM0输出功能

     // Clock divider is set to 16.
     // With a divider of 16 and a RANGE of 1024, in MARKSPACE mode,
     // the pulse repetition frequency will be
     // 1.2MHz/1024 = 1171.875Hz, suitable for driving a DC motor with PWM
     bcm2835_pwm_set_clock(BCM2835_PWM_CLOCK_DIVIDER_16);
     bcm2835_pwm_set_mode(PWM_CHANNEL, , );
     bcm2835_pwm_set_range(PWM_CHANNEL, RANGE);

     printf("this is banlance mode, anykey will change to markspace mode\n");
     bcm2835_pwm_set_data(PWM_CHANNEL, RANGE/);
     getchar();

     printf("change to markspace mode, anykey to exit\n");
     bcm2835_pwm_set_mode(PWM_CHANNEL, , );
     bcm2835_pwm_set_range(PWM_CHANNEL, RANGE);
     bcm2835_pwm_set_data(PWM_CHANNEL, RANGE/);
     getchar();

     bcm2835_close();
     return ;
 }

pwm.c

代码中首先设置PWM输出为平衡模式，之后按任意键切换为MS模式，编译：gcc -o pwm pwm.c -lbcm2835，运行：sudo ./pwm，示波器分别捕获到如下波形图：

代码第47行用divider=16对19.2MHz的基础频率进行调整，调整后的pwm频率为19.2MHz/16=1.2MHz，根据BCM2835芯片资料及代码49行和52行内容可知占空比应为N/M=(RANGE/4)/RANGE=256/1024，平衡模式力求任意一段时间占空比都最接近N/M=1/4，即把256个高电平时钟周期平均的分配到1024个之中周期中，可以这样进行处理，每4个时钟周期为一组，其中的一个周期内为高电平，这样即可实现“平衡”，这时真实的PWM输出帧率为1.2MHz/4=300KHz，如以上左图所示；对于MarkSpace模式来说，占空比为M/S=(RANGE/4)/RANGE=256/1024，这种模式不需要进行平衡，即可以认为1024个时钟周期的前256个为高电平，其余的为低电平，这时真实的PWM输出帧率为1.2MHz/1024=1171.875Hz，如以上右图所示。

2 树莓派播放音乐

2.1 乐理知识

一首乐曲有若干音符组成，每个音符由音调和演奏时间组成。不同的音调在物理上就对应不同频率的音波。所以我们只要控制输出的频率和时长就能输出一首音乐了。当然实际的音乐很复杂，又有连接，还有重音什么的，这个就先不在讨论范围内了。

每个音符都会播放一定的时间，这样就能构成一首歌曲。在音乐上，音符节奏分为1拍、1/2拍、1/4拍、1/8拍，假设一拍音符的时间为1；半拍为0.5；1/4拍为0.25；1/8拍为0.125……，所以我们可以为每个音符赋予这样的拍子播放出来，音乐就成了。

Arduino官方网站给出了不同音符对应的不同频率的头文件pitches.h，相关内容可以参考博文，在本文我们把pitches.h文件直接应用到树莓派，该文件内容如下：

 /*************************************************
  * Public Constants
  *************************************************/

 #define NOTE_B0  31
 #define NOTE_C1  33
 #define NOTE_CS1 35
 #define NOTE_D1  37
 #define NOTE_DS1 39
 #define NOTE_E1  41
 #define NOTE_F1  44
 #define NOTE_FS1 46
 #define NOTE_G1  49
 #define NOTE_GS1 52
 #define NOTE_A1  55
 #define NOTE_AS1 58
 #define NOTE_B1  62
 #define NOTE_C2  65
 #define NOTE_CS2 69
 #define NOTE_D2  73
 #define NOTE_DS2 78
 #define NOTE_E2  82
 #define NOTE_F2  87
 #define NOTE_FS2 93
 #define NOTE_G2  98
 #define NOTE_GS2 104
 #define NOTE_A2  110
 #define NOTE_AS2 117
 #define NOTE_B2  123
 #define NOTE_C3  131
 #define NOTE_CS3 139
 #define NOTE_D3  147
 #define NOTE_DS3 156
 #define NOTE_E3  165
 #define NOTE_F3  175
 #define NOTE_FS3 185
 #define NOTE_G3  196
 #define NOTE_GS3 208
 #define NOTE_A3  220
 #define NOTE_AS3 233
 #define NOTE_B3  247
 #define NOTE_C4  262
 #define NOTE_CS4 277
 #define NOTE_D4  294
 #define NOTE_DS4 311
 #define NOTE_E4  330
 #define NOTE_F4  349
 #define NOTE_FS4 370
 #define NOTE_G4  392
 #define NOTE_GS4 415
 #define NOTE_A4  440
 #define NOTE_AS4 466
 #define NOTE_B4  494
 #define NOTE_C5  523
 #define NOTE_CS5 554
 #define NOTE_D5  587
 #define NOTE_DS5 622
 #define NOTE_E5  659
 #define NOTE_F5  698
 #define NOTE_FS5 740
 #define NOTE_G5  784
 #define NOTE_GS5 831
 #define NOTE_A5  880
 #define NOTE_AS5 932
 #define NOTE_B5  988
 #define NOTE_C6  1047
 #define NOTE_CS6 1109
 #define NOTE_D6  1175
 #define NOTE_DS6 1245
 #define NOTE_E6  1319
 #define NOTE_F6  1397
 #define NOTE_FS6 1480
 #define NOTE_G6  1568
 #define NOTE_GS6 1661
 #define NOTE_A6  1760
 #define NOTE_AS6 1865
 #define NOTE_B6  1976
 #define NOTE_C7  2093
 #define NOTE_CS7 2217
 #define NOTE_D7  2349
 #define NOTE_DS7 2489
 #define NOTE_E7  2637
 #define NOTE_F7  2794
 #define NOTE_FS7 2960
 #define NOTE_G7  3136
 #define NOTE_GS7 3322
 #define NOTE_A7  3520
 #define NOTE_AS7 3729
 #define NOTE_B7  3951
 #define NOTE_C8  4186
 #define NOTE_CS8 4435
 #define NOTE_D8  4699
 #define NOTE_DS8 4978

pitches.h

可以看到，这是一张类似表格的东西，里面是定义的大量的宏，即用宏名代替了频率名，对应到键盘的各个按键上。我们需要对应相应的音符到宏名上，为了实现这个首先看看钢琴大谱表与钢琴琴键的对照表：

为了将个音符的音名直观的看出来，给出以下表格：

2.2 播放音乐

对照以上表格及射雕英雄传主题曲铁血丹心简谱实现树莓派播放，铁血丹心简谱如下：

上面的简谱中缺少前奏，程序中增加了从其他版本中摘录的前奏部分，主程序tiexuedanxin.c代码如下：

 #include <stdio.h>
 #include <stdlib.h>
 #include <stdint.h>

 #include <bcm2835.h>
 #include "pitches.h"

 #define PWM_CHANNEL 0
 typedef struct _TONE{
   int freq;
   int t_ms;
 } TONE,*PTONE;

 int pin = RPI_GPIO_P1_12;
 int baseFreq = ;          // BCM2835_PWM_CLOCK_DIVIDER_32 对应600KHz

 typedef struct _melodyNode{
   int note;
   float fDuration;
 }melodyNode;

 melodyNode melody[]= {
   //
   {NOTE_A4, 1.5},      //
   {NOTE_G4, 0.5},      //
   {NOTE_A4, },        //
   {NOTE_G4, 0.5},      //
   {NOTE_E4, 0.5},      // 3

   //
   {NOTE_G4, },        //
   {NOTE_D4, },        // 2

   //
   {NOTE_C4, 1.5},      //
   {NOTE_A3, 0.5},      // .6
   {NOTE_D4, 0.5},      //
   {NOTE_E4, 0.5},      //
   {NOTE_G4, 0.5},      //
   {NOTE_F4, 0.5},      // 4

   //
   {NOTE_E4, },        //
   {NOTE_E4, 0.5},      //
   {NOTE_G4, 0.5},      // 5

   //
   {NOTE_A4, 1.5},      //
   {NOTE_G4, 0.5},      //
   {NOTE_A4, },        //
   {NOTE_G4, 0.5},      //
   {NOTE_E4, 0.5},      // 5

   //
   {NOTE_G4, },        //
   {NOTE_D4, },        // 2

   //
   {NOTE_C4, 1.5},      //
   {NOTE_A3, 0.5},      // .6
   {NOTE_D4, 0.5},      //
   {NOTE_E4, 0.5},      //
   {NOTE_G3, 0.5},      // .5
   {NOTE_B3, 0.5},      // .7

   //
   {NOTE_A3, },        // .6

   {, },              //
   {NOTE_E4, 0.5},      //
   {NOTE_D4, 0.5},      //
   {NOTE_C4, 1.5},      //
   {NOTE_B3, 0.5},      // .7

   //
   {NOTE_A3, 1.5},      // .6
   {NOTE_E3, 0.5},      // .3
   {NOTE_A3, },        // .6

   //{NOTE_A3, 1},        // .6
   {NOTE_A4, 0.5},      //
   {NOTE_G4, 0.5},      //
   {NOTE_E4, },        //
   {NOTE_G4, 0.5},      //
   {NOTE_D4, 0.5},      //

   {NOTE_E4, },        //

   {NOTE_E4, 0.5},      //
   {NOTE_D4, 0.5},      //
   {NOTE_C4, 1.5},      //
   {NOTE_B3, 0.5},      // .7

   {NOTE_A3, 1.5},        // .6
   {NOTE_E3, 0.5},        // .6
   {NOTE_A3, },          // .6

   {, },              //
   {NOTE_D4, 0.5},      //
   {NOTE_C4, 0.5},      //
   {NOTE_A3, },        // .6
   {NOTE_C4, 0.5},      //
   {NOTE_D4, 0.5},      //

   {NOTE_E4, },        // 3*/
   {NOTE_E4, },        // 3 逐草四方

   {NOTE_A4, 1.5},      //
   {NOTE_G4, 0.5},      //
   {NOTE_A4, },        //
   {NOTE_G4, 0.5},      //
   {NOTE_E4, 0.5},      //

   {NOTE_G4, },        //
   {NOTE_D4, },        //

   {NOTE_C4, 1.5},      //
   {NOTE_A3, 0.5},      // .6
   {NOTE_D4, 0.5},      //
   {NOTE_E4, 0.5},      //
   {NOTE_G4, 0.5},      //
   {NOTE_FS4, 0.5},     // #4

   {NOTE_E4, },        //
   {NOTE_E4, 0.5},      //
   {NOTE_G4, 0.5},      //

   {NOTE_A4, 1.5},      //
   {NOTE_G4, 0.5},      //
   {NOTE_A4, 1.0},      //
   {NOTE_G4, 0.5},      //
   {NOTE_E4, 0.5},      //

   {NOTE_G4, 1.0},      //
   {NOTE_D4, },        //

   {NOTE_C4, 1.5},      //
   {NOTE_A3, 0.5},      // .6
   {NOTE_D4, 0.5},      //
   {NOTE_E4, 0.5},      //
   {NOTE_G3, 0.5},      // .5
   {NOTE_B3, 0.5},      // .7

   {NOTE_A3, },         // .6

   {, },              //
   {NOTE_E4, 0.5},      // 3 应知爱意似
   {NOTE_D4, 0.5},      //
   {NOTE_C4, 1.0},      //
   {NOTE_C4, 0.5},      //
   {NOTE_B3, 0.5},      // .7

   {NOTE_A3, 1.5},      // .6
   {NOTE_E3, 0.5},      // .3
   {NOTE_A3, 2.0},      // .6

   {, },              //
   {NOTE_A3, 0.5},      // .6
   {NOTE_G3, 0.5},      // .5
   {NOTE_E3, 1.0},      // .3
   {NOTE_G3, 0.5},      // .5
   {NOTE_D3, 0.5},      // .2

   {NOTE_E3, 3.0},      // .3

   {, },              //
   {NOTE_E4, 0.5},      // 3 身经百劫也
   {NOTE_D4, 0.5},      //
   {NOTE_C4, 1.0},      //
   {NOTE_C4, 0.5},      //
   {NOTE_B3, 0.5},      // .7

   {NOTE_A3, 1.5},      // .6
   {NOTE_E4, 0.5},      //
   {NOTE_D4, 2.0},      //

   {, },              //
   {NOTE_D4, 0.5},      //
   {NOTE_C4, 0.5},      //
   {NOTE_A3, 1.0},      // .6
   {NOTE_B3, 0.5},      // .7
   {NOTE_G3, 0.5},      // .5

   {NOTE_A3, 3.0},      // .6
 };

 void beep(int freq, int t_ms)
 {
     int range;
     /*if(freq<2000||freq>5000)
     {
         printf("invalid freq\n");
         return;
     }*/
     if(freq == )
         range=;
     else
         range=baseFreq/freq;
     printf("will call bcm2835_pwm_set_range freq: %d range: %d\n", freq, range);
     bcm2835_pwm_set_range(PWM_CHANNEL, range);
     bcm2835_pwm_set_data(PWM_CHANNEL, range/);
     if(t_ms>)
     {
         delay(t_ms);
     }
 }

 void init()
 {
     if (!bcm2835_init())
         exit () ;

     printf("will init pin %d\n", pin);
     // Set the output pin to Alt Fun 5, to allow PWM channel 0 to be output there
     bcm2835_gpio_fsel(pin, BCM2835_GPIO_FSEL_ALT5);
     bcm2835_pwm_set_clock(BCM2835_PWM_CLOCK_DIVIDER_32);
     bcm2835_pwm_set_mode(PWM_CHANNEL, , );
 }

 int main (void)
 {
     int index=;
     int nLen = sizeof(melody)/sizeof(melody[]);
     init();

     for ( ; index<nLen; index++)
     {
         int noteDuration = *melody[index].fDuration;
         beep(melody[index].note, noteDuration);
         printf("will call bcm2835_pwm_set_data 0 after beep\n");
         bcm2835_pwm_set_data(PWM_CHANNEL, );
         printf("index: %d nLen: %d@@@@@@@@@@@@\n", index, nLen);
         //delay(100);
     }

     bcm2835_pwm_set_data(PWM_CHANNEL, );
     bcm2835_close();

     return  ;
 }

tiexuedanxin

注意代码中195行做了特殊处理，这时候频率并不是为0，只是让树莓派不再发声。