HaaS EDU场景式应用整体介绍

 

1、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。

2、涉及知识点

• 乐谱编码
• PWM与蜂鸣器

 

3、软硬件环境准备

3.1、硬件

开发用电脑一台

HAAS EDU K1 开发板一块 （开发板内置蜂鸣器）

USB2TypeC 数据线一根

3.2、软件

"复古八音盒"功能已经包含在edu_demo应用中，并且包含在发布版本中。

3.2.1、固件版本

固件版本：V1.0.0

3.2.2、代码路径

git clone https://gitee.com/alios-things/AliOS-Things.git -b dev_3.1.0_haas

cd AliOS-Things/application/example/edu_demo/k1_apps/musicbox

3.2.3、编译

进入代码的顶层目录如AliOS-Things进行编译。直接编译application/example/目录下的edu_demo应用。

两种方法进行编译

命令行方式

aos make distclean

aos make edu_demo@haaseduk1 -c config

aos make

AliOS Studio IDE方式

3.2.4、烧录

见开发环境章节

 

4、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。

4.1、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。

 

4.2、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。

// application/example/edu_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);

}

 

5、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。

5.1、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*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）：

音程名称	间隔半音数	十二平均律的倍数	频率
纯一度(A1)	0	{\displaystyle 2^{0}=1\,}	{\displaystyle 440\times 1=440\,}
增一度/小二度(A♯1/B♭1)	1	{\displaystyle {\sqrt[{12}]{2}}=2^{\frac {1}{12}}\approx 1.0594630943592952645618252949463}	{\displaystyle 440\times 2^{\frac {1}{12}}\approx 466.1637615180899164072031297762}
大二度(B1)	2	{\displaystyle {\sqrt[{6}]{2}}=2^{\frac {2}{12}}\approx 1.1224620483093729814335330496792}	{\displaystyle 440\times 2^{\frac {2}{12}}\approx 493.8833012561241118307545418586}
小三度(C)	3	{\displaystyle {\sqrt[{4}]{2}}=2^{\frac {3}{12}}\approx 1.1892071150027210667174999705605}	{\displaystyle 440\times 2^{\frac {3}{12}}\approx 523.2511306011972693556999870466}
大三度(C♯)	4	{\displaystyle {\sqrt[{3}]{2}}=2^{\frac {4}{12}}\approx 1.2599210498948731647672106072782}	{\displaystyle 440\times 2^{\frac {4}{12}}\approx 554.3652619537441924975726672023}
纯四度(D)	5	{\displaystyle {\sqrt[{12}]{32}}=2^{\frac {5}{12}}\approx 1.3348398541700343648308318811845}	{\displaystyle 440\times 2^{\frac {5}{12}}\approx 587.3295358348151205255660277209}
增四度/减五度(D#/E♭)	6	{\displaystyle {\sqrt {2}}=2^{\frac {6}{12}}\approx 1.4142135623730950488016887242097}	{\displaystyle 440\times 2^{\frac {6}{12}}\approx 622.2539674441618214727430386522}
纯五度(E)	7	{\displaystyle {\sqrt[{12}]{128}}=2^{\frac {7}{12}}\approx 1.4983070768766814987992807320298}	{\displaystyle 440\times 2^{\frac {7}{12}}\approx 659.2551138257398594716835220930}
小六度(F)	8	{\displaystyle {\sqrt[{3}]{4}}=2^{\frac {8}{12}}\approx 1.5874010519681994747517056392723}	{\displaystyle 440\times 2^{\frac {8}{12}}\approx 698.4564628660077688907504812795}
大六度(F#)	9	{\displaystyle {\sqrt[{4}]{8}}=2^{\frac {9}{12}}\approx 1.6817928305074290860622509524664}	{\displaystyle 440\times 2^{\frac {9}{12}}\approx 739.9888454232687978673904190852}
小七度(G)	10	{\displaystyle {\sqrt[{6}]{32}}=2^{\frac {10}{12}}\approx 1.781797436280678609480452411181}	{\displaystyle 440\times 2^{\frac {10}{12}}\approx 783.9908719634985881713990609195}
大七度(G#)	11	{\displaystyle {\sqrt[{12}]{2048}}=2^{\frac {11}{12}}\approx 1.8877486253633869932838263133351}	{\displaystyle 440\times 2^{\frac {11}{12}}\approx 830.6093951598902770448835778670}
纯八度(A)	12	{\displaystyle 2^{1}=2\,}	{\displaystyle 440\times 2=880\,}

 

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。

// application/example/edu_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

5.2、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。

 

5.2.1、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

 

5.2.2、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。

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

 

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

 

5.2.3、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};

 

5.2.4、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。

// application/example/edu_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

 

6、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++;

    }

}

 

7、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();

    }

}

 

8、开发者技术支持

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