HaaS EDU场景式应用学习 - 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
AliOS Things开发环境搭建
开发环境的搭建请参考 @ref HaaS_EDU_K1_Quick_Start (搭建开发环境章节)，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。
HaaS EDU K1 DEMO 代码下载
HaaS EDU K1 DEMO 的代码下载请参考 @ref HaaS_EDU_K1_Quick_Start (创建工程章节)，其中，
选择解决方案: 基于教育开发板的示例
选择开发板: haaseduk1 board configure
代码编译、烧录
参考 @ref HaaS_EDU_K1_Quick_Start (3.1 编译工程章节)，点击 ✅ 即可完成编译固件。
参考 @ref HaaS_EDU_K1_Quick_Start (3.2 烧录镜像章节)，点击 "⚡️" 即可完成烧录固件。
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();
}
}
开发者支持
HaaS官方：https://haas.iot.aliyun.com/
HaaS技术社区：https://blog.csdn.net/HaaSTech
开发者钉钉群和公众号见下图，开发者钉钉群每天都有技术支持同学值班。