如何去实现一种基于STM32的电子琴设计呢

　　1.前言
　　本文为本学期一门课程的一次课程设计大作业，题目是《音乐合成器设计》，想着作业做也做了，不如写下这篇博客巩固一下学习所得，同时也给有需要的人分享经验。所做工作主要有一下几个：1.基于乐曲简谱和“十二平均律”，使用MATLAB分析不同单音节的频谱；2.基于STM32利用乐音频率实现完整音乐的合成和播放功能。
　　2.前置知识
　　十二平均律
　　十二平均律，亦称“十二等程律”，世界上通用的一组音（八度）分成十二个半音音程的律制，各相邻两律之间的振动数之比完全相等。十二平均律在交响乐队和键盘乐器中得到广泛使用，钢琴即是根据十二平均律来定音的。-——来源百度百科
　　
　　划重点，十二平均律是组成一首音乐的基础，各相邻两律之间的振动数之比完全相等。换言之就是常见的Do Re Mi Fa So La Si Do和其他四个半音。
　　3.单音频谱分析
　　篇幅有限，笔者只录下7个常见单音。话不多说，立马翻出半途而废，尘封多年的吉他，用手机把7个单音逐个录了下来。
　　Do 2弦第1品、 Re 2弦第3品、Mi 1弦空弦、Fa 1弦第1品、So 1弦第3品、La 1弦第5品、Si 1弦第7品。——来自百度，笔者吉他水平实在太差
　　使用MATLAB对单音进行傅里叶变换（FFT），得到该音节的频谱图
　　MATLAB代码：
　　close all;
　　clear all;
　　clc;
　　figure;
　　［filename，filepath］=uigetfile（‘.wav’，‘Open wav file’）;
　　［w，fs，bits］=wavread（［filepath，filename］）; %从电脑文件夹选择wav音频文件
　　sound（w，fs，bits）;
　　y=w（：，1）;
　　display（‘声音文件的大小为：’）;size（w）
　　subplot（211）;plot（y）;title（‘时域波形’）;
　　N=pow2（nextpow2（length（y）））;
　　Y=fft（y，N）;
　　subplot（212）;plot（fs*［1:N］/N，abs（Y））;title（‘幅度值’）;grid;
　　注意有些手机录音机输出的是.m4a的MPEG-4音频文件，要使用转码软件转成.wav格式。
　　频谱如下：
　　1.Do：频率大约在380Hz
　　
　　
　　2.Re:436Hz
　　
　　
　　3.Mi:492Hz
　　
　　4.Fa：522Hz
　　
　　5.So：584Hz
　　
　　6.La：654Hz
　　
　　7.Si：734Hz
　　
　　综上，Do：380Hz Re:436Hz Mi:492Hz Fa：522Hz So：584Hz La：654Hz Si：734Hz。
　　他们之间的频率差56Hz 56Hz 30Hz 62Hz 70Hz 80Hz。
　　除了Re 和Mi之间没有半度音，其他都有半度音，考虑到手机录音存在偏差，基本各音节的频率差为30，基本满足了“各相邻两律之间的振动数之比完全相等”。
　　十二平均律的频谱分析到此为止。
　　4.基于STM32电子琴设计
　　本实验使用的是STM32F103和一个无源蜂鸣器。由于无源蜂鸣器的工作频率是在2KHz~5KHz，而上面吉他所测得的频率都在1KHz以下，显然不能满足无源蜂鸣器的工作频率。于是笔者查到下表：
　　
　　小字四组则是2KHz以上的十二平均律频率。
　　4.1 利用STM32内部定时器产生PWM输出信号
　　PWM就是脉冲宽度调制，由高电平和低电平来回跳变组成一组信号来驱动元件，其中有两个关键指标：频率和占空比。
　　1秒内，0.5秒开，0.5秒灭，占空比是50%对吧？那么，1毫秒内，0.5毫秒开，0.5毫秒灭，占空比也是50%，对吧？如果是1秒呢，频率就是1HZ，如果是1毫秒，频率就是1KHZ，显然，同样是50%占空比，如果频率是1HZ，那电机肯定是跳着走的，灯光肯定闪得可以跳舞，不具有调速和调光的意义。——@一个在奋斗路上前行的小菜鸟
　　笔者使用Tim3通道2输出一路PWM信号，定时器的参数由结构体TimeBaselnitTypeDef定义，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TIM3（定时器3）产生一个时长为1 s的定时，首先，应进行系统时钟的设置，得到TIM3CLK=72MHz，然后进行定时器设置。其中，预分频系数为35 999，此时，TIM3时钟为72 MHz／36 000=2 kHz，无时钟分割。设置计数溢出大小为1 999，即每计2 000个数就产生一个更新事件，输出频率为2 kHz／2 000=1 Hz。设置如下：
　　TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period=2000-1; //自动装载周期值
　　TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler=36000-1; //预分频值
　　TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision=0; //时钟分割
　　TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up;//向上计数模式
　　4.2占空比
　　有如下含义：在一串理想的脉冲周期序列（如方波）中，正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值。
　　
　　当TIM_Period为1 999时，若想得到占空比50％，则TIM_Pulse应设置为（1999+1）／2=1000。具体设置如下：
　　TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode=TIM_OCMode_PWM2; //PWM模式2
　　TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState=TIM_OutputState_Enable;//比较输出使能
　　TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity=TIM_OCPolarity_High;//输出极性高
　　4.3频率
　　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1 999，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_Prescaler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：
　　
　　fsound为音阶对应的频率，如Do频率为2093 Hz。要产生该音频，TIM_Prescaler应为17。
　　4.4电路设计
　　
　　4.5主要实现代码
　　beer.h
　　#ifndef _beer_H
　　#define _beer_H
　　#include “stm32f10x.h”
　　#include “delay.h”
　　void TIM3_PWM_Init（u16 arr，u16 psc）;//arr
　　void music_note（u16 psc，u16 ms）;
　　#endif
　　1
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　　beer.c
　　#include “beer.h”
　　void TIM3_PWM_Init（u16 arr，u16 psc）
　　{
　　GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
　　TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
　　TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;
　　RCC_APB1PeriphClockCmd（RCC_APB1Periph_TIM3， ENABLE）;
　　RCC_APB2PeriphClockCmd（RCC_APB2Periph_GPIOB|RCC_APB2Periph_AFIO， ENABLE）; //使能 PB，AFIO 端口时钟
　　GPIO_PinRemapConfig（GPIO_PartialRemap_TIM3， ENABLE）; //部分重映射，到PB5
　　GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5; //LED0--》PB.5 端口配置
　　GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; //推挽输出
　　GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; //IO 口速度为 50MHz
　　GPIO_Init（GPIOB， &GPIO_InitStructure）; //初始化 GPIOB.5
　　TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period=arr; //自动装载周期值
　　TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler=psc; //预分频值
　　TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision=0; //时钟分割
　　TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up;//向上计数模式
　　TIM_TimeBaseInit（TIM3， &TIM_TimeBaseStructure）;
　　TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode=TIM_OCMode_PWM2; //PWM模式2
　　TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState=TIM_OutputState_Enable;//比较输出使能
　　TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity=TIM_OCPolarity_High;//输出极性高
　　TIM_OC2Init（TIM3， &TIM_OCInitStructure）;
　　TIM_OC2PreloadConfig（TIM3， TIM_OCPreload_Enable）;//使能预装载寄存器
　　TIM_Cmd（TIM3， ENABLE）;//使能TIM3
　　}
　　void music_note（u16 psc，u16 ms） //单音节输出，包含预分频值和延迟时间
　　{
　　TIM3_PWM_Init（2000-1，psc）;
　　TIM_SetCompare2（TIM3，1000）;
　　delay_ms（ms）;
　　}
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　　41
　　main.c
　　#include “stm32f10x.h”
　　#include “delay.h”
　　#include “beer.h”
　　int main（）
　　{
　　delay_init（）;
　　NVIC_PriorityGroupConfig（NVIC_PriorityGroup_2）;
　　while（1）
　　{
　　music_note（17，500）;
　　music_note（15，500）;
　　music_note（14，500）;
　　music_note（13，500）;
　　music_note（11，500）;
　　music_note（10，500）;
　　music_note（9，500）;
　　}
　　}
　　实现效果：Do Re Mi Fa So La Si循环播放。