基于MSP430 Launchpad的音樂播放器

張皎，黃欣，朱雯麗

（西安交通大學電氣工程學院，陜西 西安 710049）

0 引言

不同于以往設計例如從TF卡中讀取音頻文件構成音樂播放器。以往方案需要生成AWG，當播放AWG時由于蜂鳴器的發(fā)聲狀態(tài)不穩(wěn)定，會發(fā)生雜音較大、音調不準等等的問題。該方案從波形頻率入手，因而能精準地控制音調和節(jié)拍，播放出來的音樂曲調較為優(yōu)美、精確，并且有一套完整的編曲規(guī)則，簡單方便。

對于MSP430來講，數模轉化器DAC是一個重要部分，本文利MSP-EXP430G2擴展板上的DAC先構造出基于DDS直接數字頻率合成原理的AWG任意波形發(fā)生器；而后直接將波形輸出給功放TPA301，并驅動蜂鳴器產生聲音。將一定頻率的PWM波輸入DAC，即可控制蜂鳴器產出不同音調的聲音；控制該頻率的PWM波的持續(xù)時間即可控制蜂鳴器產生對應聲音的時間?；谝陨贤瓿梢魳凡シ诺脑O計。

1 實驗原理簡述

1.1 蜂鳴器發(fā)聲原理

蜂鳴器按其結構分主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器兩種類型。電磁式蜂鳴器由振蕩器、電磁線圈、磁鐵、振動膜片及外殼等組成。接通電源后，振蕩器產生的音頻信號電流通過電磁線圈，使電磁線圈產生磁場，振動膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下，周期性地振動發(fā)聲[1]。

蜂鳴器按其是否帶有信號源又分為有源和無源兩種類型。有源蜂鳴器只需要在其供電端加上額定直流電壓，其內部的震蕩器就可以產生固定頻率的信號，驅動蜂鳴器發(fā)出聲音。無源蜂鳴器可以理解成與喇叭一樣，需要在其供電端上加上高低不斷變化的電信號才可以驅動發(fā)出聲音。

本文采用的是無源蜂鳴器。DAC的輸出由0歐跳線電阻R27選擇，直接輸出給功放TPA301，并驅動蜂鳴器產生聲音。只要將一定頻率的PWM波輸入DAC，即可控制蜂鳴器產出不同音調的聲音；而控制該頻率的PWM波持續(xù)時間即可控制蜂鳴器產生聲音的時間。據此原理完成音樂播放的設計。具體算法如下：

1.1.1 聲音頻率的控制

由原理可知聲音的頻率由PWM波的頻率（周期）控制。其設計思路為：引入數組，記錄PWM波的周期。當PWM電平翻轉時，驅動蜂鳴器振動發(fā)生，并延時相應的數值，即可實現(xiàn)不同音階的發(fā)生。這里，相應的數值即為數組中記錄的PWM波的周期。

將數組中的數值記為yuediao，有如下關系式：

式中，F(xiàn)req為系統(tǒng)時鐘頻率。f為對應音階的頻率，n為延時倍數，m為時值系數。

值得注意的是，引入延時倍數n、時值系數m是為了規(guī)定一個相對的標準的音符長度，以便后期譜曲計算時區(qū)分時值的音節(jié)。本文中，系統(tǒng)時鐘頻率12MHZ，延時倍數取12，以四分音符為基準，則時值系數取4，從而可得：

由此，查詢各個音階的頻率。即可計算各個音階所對應的延時周期。從而實現(xiàn)了演奏的第一步——輸出基本音階。

1.1.2 聲音長度的控制

首先考慮設計程序，使得蜂鳴器輸出長度相等的音符。為此，引入另一數組，數組的值控制蜂鳴器持續(xù)發(fā)出同一個音符的時間，考慮到音長和頻率成反比。該數值等于對應音符的頻率即可。其次，由于在歌曲的演奏中，有全音符、二分音符、四分音符等到三十二音符的區(qū)別，每種音符持續(xù)的時間也不同，因此我們又引入了音符系數k，若記數組中的值為yuechang，則有如下關系：

其中，k的值可取0.3，0.6，1.2，2.4，4.8來區(qū)別全音符到十六音符。由此，我們實現(xiàn)了演奏的第二步——控制音長。

1.1.3 譜曲的實現(xiàn)

如前所述，已經實現(xiàn)由yuediao、yuechang兩個數組綜合控制，實現(xiàn)蜂鳴器輸出持續(xù)時間相同、音階不同的音符?？紤]到實際樂曲，要實現(xiàn)譜曲的節(jié)奏或是音符不同時值，只需在yuehcang數組中乘以相應的倍數。以四分音符為例，C調各音階對應數組取值如表1所示。

表1 各基礎音階對應數值

除此之外，我們還引入了高音音階和低音音階，計算方法同C調音階，再此不多贅述。

那么接下來我們就可以編入歌曲信息讓蜂鳴器“唱歌”了，由于我們并不熟知簡譜，在此我們加入了編曲程序。這個編曲的程序其實十分簡單，其原理是利用另外一個數組“puzi”作為“密匙”來控制調用yindiao和yinchan的元素，puzi數組的元素均為三位數，其中最高位控制高中低音、次高位控制音調、最低位控制音長。這樣用戶只需輸入簡單易懂的命令即可進行編曲，節(jié)約了時間，方便了使用[2]。

1.2 數模轉換DAC

雖然MSP430G2553單片機內部沒有集成DAC，但在其擴展板上設計了一塊DAC，我們能用該數模轉換器DAC構造出任意波形，即據此設計基于DDS直接數字頻率合成原理的AWG任意波形發(fā)生器。而且DAC的輸出可以由0歐跳線電阻R27選擇，直接輸出給功放TPA301，并驅動蜂鳴器產生聲音。

MSP-EXP430G2擴展板上采用的DAC芯片視產品批次不同，可能為DAC7311/8311/8411中的一種。如圖2-1，DAC7311/8311/8411是TI公司推出的系列電阻串(R-String)型DAC，分辨率分別為12/14/16位。這三種DAC芯片不僅管腳兼容，針對16位的DAC8411編寫的程序代碼可以不經改動用于低位數的DAC8311和DAC7311。所以下面僅對DAC8411進行說明。DAC8411的幀數據格式如表2所示：

表2 DAC8411的幀格式

（1）頭2位是節(jié)能模式選擇，00是正常工作，01、10、11分別是接1k電阻到地、接10k電阻到地、高阻三種節(jié)能輸出（功耗依次降低）。

（2）選擇00模式讓DAC正常工作，然后接16位DAC數據，最后6位發(fā)不發(fā)沒有影響。如果是DAC7311和DAC8311芯片，則后接12位或14位有效數據，多發(fā)位沒有影響，所以DAC8411的時序圖其實兼容DAC7311和DAC8311。

DAC8411的控制時序如表2、圖1所示,當/SYNC使能有效后，將依次發(fā)送24位數據。之后CS禁止至少100ns才能發(fā)送下一數據。對于G2控制來說，因100ns已經接近最高時鐘頻率，所以不用考慮延時等待的問題。

圖1 DAC8411的控制時序

2 程序設計思路

2.1 整體思路

本程序主要由六大模塊組成：初始化模塊、啟動模塊、演奏模塊、計時模塊、顯示模塊和按鍵功能模塊。整個設計的核心為是演奏模塊、計時模塊以及LCD顯示模塊，設計目的為播放器在演奏樂曲的同時記錄播放時間，并通過LCD屏幕顯示相關信息。啟動模塊、按鍵功能模塊作為輔助模塊，完善整體設計和功能。詳見圖2流程圖。

圖2 程序設計流程圖

從整體來看，六個模塊各自負責不同的功能，但又并不完全分割，而是作為一個整體，相互關聯(lián)，實現(xiàn)系統(tǒng)的全部功能。

六大模塊的具體實現(xiàn)流程詳見下文，其主要功能概述如下：

（1）初始化模塊：關閉看門狗，配置時鐘，初始化各個設置，包括初始化LCD，初始化DAC初始化I O拓展口。

（2）啟動模塊：依次按下四個按鍵啟動系統(tǒng)。

（3）演奏模塊：將一定頻率的PWM波輸入DAC，控制蜂鳴器發(fā)出聲音，實現(xiàn)演奏。

（4）計時模塊：通過系統(tǒng)時鐘記錄時間。

（5）顯示模塊：將相關信息（播放時間、音量等）通過LCD屏顯示。

（6）按鍵功能模塊：判斷按鍵是否按下，并執(zhí)行相應的功能。

2.2 主要功能模塊實現(xiàn)

2.2.1 LCD顯示實現(xiàn)

顯示模塊，即將信息顯示在LCD屏幕上，包括播放時長、播放音量等。在LCD顯示前，需先完成調用I2C初始化函數（已寫入頭文件）對拓展版上的I/O拓展口初始化，其次需將LCD屏幕初始化并進行清屏操作。

同時，為了實時顯示當前信息，需要以一定頻率清除顯存，刷新屏幕。本例通過將刷新頻率與上述播放頻率相對應，即播放一個音符，刷新一次屏幕。避免刷新頻率過慢導致信息顯示滯后，又或刷新頻率過快影響演奏模塊[3]。

設計中用來執(zhí)行顯示模塊的128段LCD位于拓展版上。本例在單片機中定義8個16位的變量LCD_Buffer[0]～LCD_Buffer［7］為顯示緩存，頂層函數想修改LCD的顯示內容，只需修改LCD_Buffer［0］～LCD_Buffer［7］的內容即可。另外，用void LCD_DisplaySeg(unsigned char SegNum)函數顯示特定的一段，用LCD_DisplayDigit(unsigned char Digit,uns igned charPosition ) 在特定位置顯示特定數值。例如在系統(tǒng)啟動以后，點亮若干特定數碼管，在屏幕上方顯示“VOL”字樣，作為音量標識的具體實現(xiàn)為：

LCD_DisplaySeg(100)；LCD_DisplaySeg(102)；LCD_DisplaySeg(103)；LCD_DisplaySeg(104)；LCD_DisplaySeg(105)；LCD_DisplaySeg(106)；LCD_DisplaySeg(108)；LCD_DisplaySeg(110)；LCD_DisplaySeg(111)；LCD_DisplaySeg(113)；LCD_DisplaySeg(114)；LCD_DisplaySeg(116)；LCD_DisplaySeg(118)；LCD_DisplaySeg(119)；

2.2.2 演奏模塊

演奏模塊是本次實驗的核心。演奏模塊的實現(xiàn)思路是通過一定頻率的PWM波輸DAC，控制蜂鳴器發(fā)聲。當PWM波電平翻轉時，驅動蜂鳴器振動發(fā)聲[4]。PWM波的頻率（周期）即控制聲音的音調，該頻率PWM波所持續(xù)的時間控制聲音的持續(xù)長度，反映到歌曲里即為歌曲的節(jié)拍。不難想到，需首先設計程序，使得蜂鳴器發(fā)出不同音階。具體實現(xiàn)如下：

#include

#include

using namespace std；int main()

{int yuediao[1000]；int yuechang[1000]；

intpinlv［3］［7］={

{131,147,164,175,196,220,250},//低音{262,294,33 0,349,392,440,494,},//中音

{523,587,659,698,784,880,988}//高音}；

int yindiao［3］［7］={{1920,1702,1516,1431,127 5,1136,1012},//低音{955,851,758,715,637,568,506},//中音{478,425,379,358,319,281,253}//高音}；

float jiepai［5］={0.3,//十六分音符=八分之一拍

0.6,//八分音符=四分之一拍 1.2,//四分音符= 半拍

2.4,//二分音符=一拍4.8//全音符小數要定義成 float!

int puzi[200]={253,333,332,322,313,333,313,312,322,323,353,

353，352，342，333，343，343，332，322，353，333，333，353，353，313，

333，323，323，323，332，332，332，331，351，354，332，322，342，341，331，323，253，

313，312，272，263，253，313，312，322，323，353，353，352，342，333，343，343，332，322，353，333，

333，353，353，313，333，323，323，323，332，332，332，331，351，354，332，322，342，341，331，323，

332，332，332，331，351，354，332，322，342，342，331，331，331，331，322，322，322，322

unsigned int i=0;

for(i=0;i<200;i++)

int a = puzi[i]/100 1；// 控制高低音

int b = (puzi[i]%100)/10 1；// 控制音調

int c = (puzi[i]%100)%10 1；// 控制節(jié)拍

yuediao[i] = yindiao[a][b]；

yuechang[i] = jiepai[c]*pinlv[a][b]；

//cout<

//cout<

//cout<

}

2.2.3 計時模塊

計時模塊也是本次實驗的核心模塊之一。該模塊的單獨實現(xiàn)較為簡單，通過系統(tǒng)時鐘系統(tǒng)實現(xiàn)計時即可。難點在于將計時模塊以及演奏模塊合理拼接，實現(xiàn)演奏的同時進行計時。

本例中將一定的節(jié)拍節(jié)奏轉化為時間間隔，將計時模塊寫入演奏函數中。要將演奏時間作為計時參照，需要保證各個音符離散播放，才能將每個音符的演奏時間獨立出來，進行時間的線性疊加。否則，將會各個音符之間連續(xù)播放直至整首曲子結束再進行計時[5]。為此，本例在演奏函數中引入FOR 循環(huán)，每次循環(huán)即完成且僅完成一個音符的演奏，將循環(huán)周期記為T，有如下關系式：

ΔT==T

將時間記錄為time ，對其進行標準化處理，則記錄的時間應為：

time=ΔT/T

具體實現(xiàn)為：

3 結語

本文提出了基于MSP430 launchPad非內存讀取音樂播放器的一種解決新方案，該方案不僅能解決TF卡播放出來的樂音小、雜音較大、音頻變的問題。還提供了一種利用PWM波設計樂曲的新思路。該音樂播放器的功能較為完備，可以調整音高、切換歌曲以及循環(huán)播放，并且加入了啟動界面，用戶使用體驗較好；音樂播放的品質（音調、節(jié)拍）準確性也較高；基本達到設計預期。