基于ESP32的音樂播放系統(tǒng)設(shè)計

胡華玉　李嘉明

關(guān)鍵詞：音樂播放；ESP32；無源蜂鳴器；OLED；云端下載

中圖分類號：TP37 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）21-0103-03

0 引言

音樂在人們的生活中扮演著重要的角色，聽音樂有助于提高創(chuàng)造力、舒緩壓力等，音樂播放器廣泛應(yīng)用于人們?nèi)粘５纳a(chǎn)生活中[1]。在音樂播放器的設(shè)計上，很多音樂芯片模塊價格比較昂貴，對于只需播放純音樂的應(yīng)用場合，可通過單片機(jī)搭配無源蜂鳴器實現(xiàn)播放音樂的功能，單片機(jī)引腳輸出PWM（PulseWidth Modulation） 波，用于控制蜂鳴器發(fā)聲[2]。PWM 又叫脈沖寬度調(diào)制，是通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，等效出所需要的波形，對模擬信號電平進(jìn)行數(shù)字編碼。然而，基于單片機(jī)PWM模式的音樂播放系統(tǒng)[3-4]大多都沒有接入互聯(lián)網(wǎng)，只能播放本地音樂，受制于單片機(jī)較小的存儲空間，可播放的音樂數(shù)量并不多，新音樂往往需要通過重新編程寫入的方式實現(xiàn)，靈活性較差。

針對上述問題，結(jié)合嵌入式技術(shù)、信息通信技術(shù)、云計算技術(shù)，設(shè)計一款基于ESP32的音樂播放系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過更改ESP32芯片上的通用I/O引腳輸出的PWM信號頻率，驅(qū)動無源蜂鳴器發(fā)出不同音調(diào)的響聲。系統(tǒng)上電啟動時會嘗試連接代碼中所設(shè)置Wi-Fi 信號，若Wi-Fi 連接失敗，則只能播放本地音樂，若Wi-Fi連接成功，則可以通過相關(guān)按鍵的設(shè)置，下載存儲在云端的音樂樂譜，音樂的播放、暫停、上一首、下一首、單曲循環(huán)等常見功能同樣是通過相關(guān)按鍵的設(shè)置實現(xiàn)。此外，連接ESP32的OLED顯示屏?xí)崟r顯示當(dāng)前正在播放的歌曲名稱、Wi-Fi連接的狀態(tài)，或是設(shè)置模式下的選項菜單。

1 基本工作原理

采用無源蜂鳴器播放的音樂是通過實時調(diào)節(jié)音調(diào)和節(jié)拍，使其發(fā)出特定的聲音，而音色是沒有區(qū)別的。音調(diào)反映的是聲音的高低程度，頻率越大音調(diào)越高，二者具體的對應(yīng)關(guān)系見表1[5]。節(jié)拍則表示的是一個音符唱的時間，即無源蜂鳴器發(fā)出對應(yīng)音調(diào)的持續(xù)時間，ESP32可通過Micropython固件庫中封裝的延遲函數(shù)來控制這種音調(diào)對應(yīng)的頻率維持多久，從而實現(xiàn)節(jié)拍的控制。在運行程序之前，需要將待播放的音樂轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)類型為列表的數(shù)據(jù)存放到ESP32的軟件程序中，然后便可根據(jù)列表中給定的頻率值和播放時長，依次逐個播放音符。在運行程序的過程中，音樂暫停功能是通過ESP32 引腳停止輸出PWM 波實現(xiàn)的，此時會有相關(guān)的變量記錄目前播放到哪首歌曲的哪個音符，繼續(xù)播放音樂將會從剛剛暫停處，ESP32 重新輸出相應(yīng)的PWM波接著往下播放，播放上一首或下一首是通過改變列表中的索引實現(xiàn)不同音樂間的切換。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 ESP32芯片

ESP32芯片是樂鑫信息科技（上海）股份有限公司推出的一款集成Wi-Fi功能的微控制器，擁有40nm 工藝、雙核32 位MCU、2.4GHz 雙模Wi-Fi 和藍(lán)牙芯片、主頻高達(dá)240 MHz，其引腳電路圖如圖1 所示。ESP32性能穩(wěn)定，工作溫度范圍達(dá)到-40℃ ～ +125℃，內(nèi)部集成了自校準(zhǔn)電路，能夠動態(tài)調(diào)整電壓，并且適應(yīng)外部條件的變化。本系統(tǒng)選用ESP32作為系統(tǒng)的主控芯片和通信芯片。ESP32芯片具有下列特點：

1） 兩個或一個可以單獨控制的 CPU 內(nèi)核，時鐘頻率可調(diào)，范圍從 80 MHz 到 240 MHz。

2） +19.5 dBm 天線端輸出功率，確保良好的覆蓋范圍。

3） 傳統(tǒng)藍(lán)牙支持 L2CAP、SDP、GAP、SMP、AVDTP、AVCTP、A2DP （SNK） 和 AVRCP （CT） 協(xié)議。

4） 低功耗藍(lán)牙 （Bluetooth LE） 支持 L2CAP、GAP、GATT、SMP和 GATT 之上的 BluFi，SPP-like 協(xié)議等。

5） 睡眠電流小于 5 μA，適用于電池供電的可穿戴電子設(shè)備。

6） Wi-Fi協(xié)議：支持802.11 b/g/n等協(xié)議，速度高達(dá)150Mbps。

7） 豐富的外設(shè)接口：GPIO、ADC、 SPI、UART、I2S、I2C等。

2.2 OLED顯示屏

OLED（Organic Light-Emitting Diode） 有機(jī)發(fā)光二極管又稱為有機(jī)激光顯示，不同于LCD，OLED具有自發(fā)光的特性，所以不需要添加背光源，當(dāng)有電流通過時，屏幕上的有機(jī)材料便會發(fā)光，具有體積小、功耗低等優(yōu)勢。本系統(tǒng)選用的OLED顯示屏是僅支持I2C接口，供電電壓為直流3.3V，尺寸為0.96寸，分辨率為128×64，即水平方向上128個像素點，豎直方向上64 個像素點。OLED顯示屏的第1和第2引腳分別連接ESP32 開發(fā)板的3.3V 和GND，第3 和第4 個引腳與ESP32芯片的I2C接口連接，接收并顯示ESP32發(fā)送的信息，其電路原理圖如圖2所示。

2.3 按鍵模塊

按鍵模塊用于人機(jī)交互，用戶可通過按鍵實現(xiàn)音樂播放系統(tǒng)功能的設(shè)置，按鍵電路圖如圖3所示，觸電一端接地，另一端連接ESP32 的通用輸入輸出口。ESP32與按鍵相連的幾個I/O口都設(shè)置為輸入引腳，并開啟內(nèi)部的上拉電阻，當(dāng)按鍵未按下時，ESP32檢測到這幾個I/O口的電平為高電平，當(dāng)按鍵按下時，按鍵的兩個觸電導(dǎo)通，相應(yīng)的I/O口接地，檢測到的電平由高電平轉(zhuǎn)換成低電平，觸發(fā)特定的信號，執(zhí)行相對應(yīng)的程序。圖3中的按鍵S1較為特殊，所連接的不是通用I/O口，而是重啟引腳，當(dāng)S1按下時，整個系統(tǒng)將會軟重啟，重新運行程序。

2.4 蜂鳴器模塊

蜂鳴器分為源蜂鳴器和無源蜂鳴器。有源蜂鳴器自帶振蕩源，接通電壓時鳴響，振蕩頻率固定，通常作為報警器使用。無源蜂鳴器無內(nèi)部振蕩源，需要添加振蕩信號，頻率可以改變，因而可以發(fā)出不同音調(diào)的響聲。本系統(tǒng)采用無源蜂鳴器，電路原理圖如圖4 所示，ESP32輸出PWM波的引腳連接限流電阻R5后接入三極管Q1的基極，改變PWM的頻率，即能改變無源蜂鳴器發(fā)出的響聲。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 OLED軟件設(shè)計

導(dǎo)入OLED顯示屏專用的模塊ssd1306.py，通過ssd1306.py中提供的庫函數(shù)，可以方便地顯示數(shù)字、英文字符、點、直線、矩形等。如果需要顯示中文字符，則需要添加中文顯示的庫函數(shù)，以及待顯示中文字符對應(yīng)的點陣數(shù)據(jù)。

首先，利用PCtoLCD2002字模提取軟件將OLED 顯示的圖形轉(zhuǎn)換為點陣數(shù)據(jù)。PCtoLCD2002的字符模式界面如圖5所示，將字寬和字高均設(shè)置為16，則每個中文字符占據(jù)的寬度為16像素，高度也為16像素。設(shè)置好分隔符、換行符、字體等信息之后，在圖5 的文本框中輸入需要轉(zhuǎn)換的文字，接著，點擊“生成字?！眻D標(biāo)按鈕，生成中文字體對應(yīng)的字節(jié)點陣數(shù)據(jù)。

添加的中文庫函數(shù)如圖6所示。該函數(shù)封裝在類里面，所以第一個參數(shù)為self，參數(shù)ch_str傳入待顯示的中文字符串，參數(shù)x_axis、y_axis分別是水平方向、豎直方向上的偏移，用于確定待顯示的字符在OLED屏上顯示的位置，參數(shù)fonts是數(shù)據(jù)類型是字典，包含待顯示中文字符的utf-8編碼與其字節(jié)點陣數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系。

3.2 系統(tǒng)主程序設(shè)計

系統(tǒng)主程序的程序流程圖如圖7所示。系統(tǒng)上電運行后，ESP32導(dǎo)入相關(guān)的模塊并進(jìn)行初始化操作，隨后根據(jù)程序中預(yù)設(shè)的賬號和密碼連接Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)。若Wi-Fi連接成功，則程序中點亮ESP32核心板上的LED指示燈，OLED屏顯示“Network OK”；若Wi-Fi連接失敗，則在10秒內(nèi)嘗試重新連接，時間的間隔通過Micropython集成的utime模塊中的time函數(shù)實現(xiàn)，time 函數(shù)會返回一個秒級的計數(shù)值，即每經(jīng)過1秒，time（） 函數(shù)返回的值增大1，剛開始連接Wi-Fi時調(diào)用time 函數(shù)，得到計時的初始值，將其存放到自定義變量start_time中，在進(jìn)行重連的過程中，utime.time（）減去start_time 的值即是連接Wi-Fi 經(jīng)過的時間，單位是秒，10秒后如果還是連接不成功，則OLED屏上顯示連接超時的提示信息“Network timeout”。無論Wi-Fi 是否連接成功，并開啟外部中斷，始終監(jiān)聽按鍵S2是否有被按下，若被按下，則轉(zhuǎn)去執(zhí)行對應(yīng)的回調(diào)函數(shù)，回調(diào)函數(shù)執(zhí)行完后再返回主程序繼續(xù)運行。ESP32 會載入本地音樂的數(shù)據(jù)，Micropython固件庫中的ma?chine模塊內(nèi)含有PWM模塊，使用PWM模塊創(chuàng)建pwm 對象，調(diào)用pwm 對象封裝好的freq 函數(shù)可調(diào)整輸出PWM的頻率值，對應(yīng)的持續(xù)時間采用time模塊的延時函數(shù)sleep（）實現(xiàn)，具體的頻率值和延時的時長從本地音樂數(shù)據(jù)中有序提取。當(dāng)音樂播放完結(jié)束之后，會更改一個全局變量的值，自動播放下一首，直至遍歷完所有的本地音樂數(shù)據(jù)。

3.3 外部中斷程序設(shè)計

從開啟外部中斷的那句代碼開始，程序運行過程中會響應(yīng)按鍵S2按下的信號，當(dāng)S2按下時，會自動調(diào)用設(shè)定的回調(diào)函數(shù)。進(jìn)入回調(diào)后，OLED屏清空之前顯示的內(nèi)容，顯示相關(guān)的功能菜單，如下一首、開始播放、暫停播放、云端下載等，通過按鍵S3可以在功能菜單上不同功能間進(jìn)行切換，按鍵S4按下則會去執(zhí)行對應(yīng)的功能，并退出設(shè)置模式，結(jié)束回調(diào)函數(shù)并回到主程序。云端下載的功能是在Wi-Fi連接成功，并且成功接入互聯(lián)網(wǎng)的前提下才能生效，使用云端下載時，ESP32使用urequests模塊的get方法獲取云服務(wù)中存放的音樂，得到返回結(jié)果后調(diào)用相關(guān)的數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換的函數(shù)，從返回的json格式數(shù)據(jù)中提取出音樂的id、音樂播放的頻率值、音樂的名稱、音樂的中文字符對應(yīng)的點陣數(shù)據(jù)等，并將其替換本地音樂數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計的基于ESP32的音樂播放系統(tǒng)，通過輸出變化的PWM波，驅(qū)動無源蜂鳴器播放音樂，OLED 屏幕實時顯示播放的音樂名稱或者設(shè)置功能的菜單內(nèi)容，支持從云服務(wù)器上下載音樂，具有成本低、功耗低、靈活易用的特點。