详解树莓派Model B+控制蜂鸣器演奏乐曲
步进电机以及无源蜂鸣器这些都需要脉冲信号才能够驱动，这里将用GPIO的PWM接口驱动无源蜂鸣器弹奏乐曲，本文基于树莓派Mode B+，其他版本树莓派实现时需参照相关资料进行修改！
1 预备知识
1.1 无源蜂鸣器和有源蜂鸣器
无源蜂鸣器：内部没有震荡源，直流信号无法让它鸣叫。必须用去震荡的电流驱动它，2K-5KHZ的方波PWM (Pulse Width Modulation脉冲宽度调制)。5KHZ的电流方波就是每秒震动5K次，每一个完整的周期占用200us的时间，高点平占一部分时间，低电平占一部分时间。声音频率可控，可以做出不同的音效。
有源蜂鸣器：内部带震荡电路，一通电就鸣叫，所以可以跟前面LED一样，给个高电平就能响，编程比无源的更方便。
本文利用无源蜂鸣器弹奏乐曲，用的就是淘宝上普通的电磁式阻抗16欧交流/2KHz 3V 5V 12V通用无源蜂鸣器，如果手边没有无源蜂鸣器，用普通的耳机也可以来代替无源蜂鸣器。
1.2 PWM
PWM(Pulse Width Modulation)即脉冲宽度调制，是一种利用微处理器的数字输出来控制模拟电路的控制技术。可以用下面的一幅图来形象地说明PWM：
图中tpwm就是一个周期的时间长度。对于2KHz频率来说，那么周期就是1s/2K=500us。图中的D叫做占空比，指的是高电平的时间占用整个周期时间的百分比。第一个周期D=50%，那么就是高电平低电平的时间各占一半。接下来的D为33%，那就是通电时间为33%，剩余的不通电时间占用67%。树莓派Model B+有4个PIN脚支持PWM输出，如下图最右侧：
但是，需要注意的是BCM2835芯片只支持两路PWM输出，所以以上12 Pin脚和32 Pin脚对应的都是channel 1的PWM输出，即如果这两个Pin的功能都选择的是PWM输出，则它们输出的PWM是完全相同的，同理33 Pin脚和35 Pin脚对应芯片channel 2的PWM输出。
博通公司公布的BCM2835芯片资料BCM2835 ARM Peripherals中第9章比较详细的介绍了PWM相关内容，此外还可参考网上整理好的寄存器介绍资料rip-registers，通过阅读可以得知树莓派Model B+支持两种模式的PWM输出：一种是Balanced mode（平衡模式），一种是Mark-Space mode（MS模式）。另外树莓派的PWM输出基础频率是19.2MHz，PWM输出频率受这个基础频率的限制。
1.3 树莓派PWM分析
进行分析前先看一下实验的物理电路连接：
图中，红色杜邦线一头连接树莓派的32 Pin脚（PWM0），一头连接示波器的探针；绿色杜邦线一头连接树莓派的12 Pin脚（PWM0），一头连接无源蜂鸣器的正极；黄色杜邦线一头连接树莓派的6 Pin脚（ground），一头连接无源蜂鸣器的负极，此外示波器探针的ground也连接到黄色杜邦线，结合bcm2835 C library来进行分析：
（1）下载bcm2835库：wget http://www.airspayce.com/mikem/bcm2835/bcm2835-1.50.tar.gz
（2）解压：tar -zxvf bcm2835-1.50.tar.gz
（3）进入目录：cd bcm2835-1.35
（4）编译：./configure && make
（5）安装：sudo make install
修改examples/pwm/pwm.c的内容如下：
1 // pwm.c 2 // 3 // Example program for bcm2835 library 4 // Shows how to use PWM to control GPIO pins 5 // 6 // After installing bcm2835, you can build this 7 // with something like: 8 // gcc -o pwm pwm.c -l bcm2835 9 // sudo ./pwm 10 // 11 // Or you can test it before installing with: 12 // gcc -o pwm -I ../../src ../../src/bcm2835.c pwm.c 13 // sudo ./pwm 14 // 15 // Author: Mike McCauley 16 // Copyright (C) 2013 Mike McCauley 17 // $Id: RF22.h,v 1.21 2012/05/30 01:51:25 mikem Exp $ 18 19 #include <bcm2835.h> 20 #include <stdio.h> 21 22 // PWM output on RPi Plug P1 pin 12 (which is GPIO pin 18) 23 // in alt fun 5. 24 // Note that this is the _only_ PWM pin available on the RPi IO headers 25 #define PIN RPI_GPIO_P1_12 26 // and it is controlled by PWM channel 0 27 #define PWM_CHANNEL 0 28 // This controls the max range of the PWM signal 29 #define RANGE 1024 30 31 #define PIN2 RPI_BPLUS_GPIO_J8_32 32 33 int main(int argc, char **argv) 34 { 35 if (!bcm2835_init()) 36 return 1; 37 38 // Set the output pin to Alt Fun 5, to allow PWM channel 0 to be output there 39 bcm2835_gpio_fsel(PIN, BCM2835_GPIO_FSEL_ALT5); 40 41 bcm2835_gpio_fsel(PIN2, BCM2835_GPIO_FSEL_ALT0); // 打开PI 32 Pin脚的PWM0输出功能 42 43 // Clock divider is set to 16. 44 // With a divider of 16 and a RANGE of 1024, in MARKSPACE mode, 45 // the pulse repetition frequency will be 46 // 1.2MHz/1024 = 1171.875Hz, suitable for driving a DC motor with PWM 47 bcm2835_pwm_set_clock(BCM2835_PWM_CLOCK_DIVIDER_16); 48 bcm2835_pwm_set_mode(PWM_CHANNEL, 0, 1); 49 bcm2835_pwm_set_range(PWM_CHANNEL, RANGE); 50 51 printf("this is banlance mode, anykey will change to markspace mode\n"); 52 bcm2835_pwm_set_data(PWM_CHANNEL, RANGE/4); 53 getchar(); 54 55 printf("change to markspace mode, anykey to exit\n"); 56 bcm2835_pwm_set_mode(PWM_CHANNEL, 1, 1); 57 bcm2835_pwm_set_range(PWM_CHANNEL, RANGE); 58 bcm2835_pwm_set_data(PWM_CHANNEL, RANGE/4); 59 getchar(); 60 61 bcm2835_close(); 62 return 0; 63 }
代码中首先设置PWM输出为平衡模式，之后按任意键切换为MS模式，编译：gcc -o pwm pwm.c -lbcm2835，运行：sudo ./pwm，示波器分别捕获到如下波形图：
代码第47行用divider=16对19.2MHz的基础频率进行调整，调整后的pwm频率为19.2MHz/16=1.2MHz，根据BCM2835芯片资料及代码49行和52行内容可知占空比应为N/M=(RANGE/4)/RANGE=256/1024，平衡模式力求任意一段时间占空比都最接近N/M=1/4，即把256个高电平时钟周期平均的分配到1024个之中周期中，可以这样进行处理，每4个时钟周期为一组，其中的一个周期内为高电平，这样即可实现“平衡”，这时真实的PWM输出帧率为1.2MHz/4=300KHz，如以上左图所示；对于MarkSpace模式来说，占空比为M/S=(RANGE/4)/RANGE=256/1024，这种模式不需要进行平衡，即可以认为1024个时钟周期的前256个为高电平，其余的为低电平，这时真实的PWM输出帧率为1.2MHz/1024=1171.875Hz，如以上右图所示。
2 树莓派播放音乐
2.1 乐理知识
一首乐曲有若干音符组成，每个音符由音调和演奏时间组成。不同的音调在物理上就对应不同频率的音波。所以我们只要控制输出的频率和时长就能输出一首音乐了。当然实际的音乐很复杂，又有连接，还有重音什么的，这个就先不在讨论范围内了。
每个音符都会播放一定的时间，这样就能构成一首歌曲。在音乐上，音符节奏分为1拍、1/2拍、1/4拍、1/8拍，假设一拍音符的时间为1；半拍为0.5；1/4拍为0.25；1/8拍为0.125……，所以我们可以为每个音符赋予这样的拍子播放出来，音乐就成了。
Arduino官方网站给出了不同音符对应的不同频率的头文件pitches.h，相关内容可以参考博文，在本文我们把pitches.h文件直接应用到树莓派，该文件内容如下：
1 /************************************************* 2 * Public Constants 3 *************************************************/ 4 5 #define NOTE_B0 31 6 #define NOTE_C1 33 7 #define NOTE_CS1 35 8 #define NOTE_D1 37 9 #define NOTE_DS1 39 10 #define NOTE_E1 41 11 #define NOTE_F1 44 12 #define NOTE_FS1 46 13 #define NOTE_G1 49 14 #define NOTE_GS1 52 15 #define NOTE_A1 55 16 #define NOTE_AS1 58 17 #define NOTE_B1 62 18 #define NOTE_C2 65 19 #define NOTE_CS2 69 20 #define NOTE_D2 73 21 #define NOTE_DS2 78 22 #define NOTE_E2 82 23 #define NOTE_F2 87 24 #define NOTE_FS2 93 25 #define NOTE_G2 98 26 #define NOTE_GS2 104 27 #define NOTE_A2 110 28 #define NOTE_AS2 117 29 #define NOTE_B2 123 30 #define NOTE_C3 131 31 #define NOTE_CS3 139 32 #define NOTE_D3 147 33 #define NOTE_DS3 156 34 #define NOTE_E3 165 35 #define NOTE_F3 175 36 #define NOTE_FS3 185 37 #define NOTE_G3 196 38 #define NOTE_GS3 208 39 #define NOTE_A3 220 40 #define NOTE_AS3 233 41 #define NOTE_B3 247 42 #define NOTE_C4 262 43 #define NOTE_CS4 277 44 #define NOTE_D4 294 45 #define NOTE_DS4 311 46 #define NOTE_E4 330 47 #define NOTE_F4 349 48 #define NOTE_FS4 370 49 #define NOTE_G4 392 50 #define NOTE_GS4 415 51 #define NOTE_A4 440 52 #define NOTE_AS4 466 53 #define NOTE_B4 494 54 #define NOTE_C5 523 55 #define NOTE_CS5 554 56 #define NOTE_D5 587 57 #define NOTE_DS5 622 58 #define NOTE_E5 659 59 #define NOTE_F5 698 60 #define NOTE_FS5 740 61 #define NOTE_G5 784 62 #define NOTE_GS5 831 63 #define NOTE_A5 880 64 #define NOTE_AS5 932 65 #define NOTE_B5 988 66 #define NOTE_C6 1047 67 #define NOTE_CS6 1109 68 #define NOTE_D6 1175 69 #define NOTE_DS6 1245 70 #define NOTE_E6 1319 71 #define NOTE_F6 1397 72 #define NOTE_FS6 1480 73 #define NOTE_G6 1568 74 #define NOTE_GS6 1661 75 #define NOTE_A6 1760 76 #define NOTE_AS6 1865 77 #define NOTE_B6 1976 78 #define NOTE_C7 2093 79 #define NOTE_CS7 2217 80 #define NOTE_D7 2349 81 #define NOTE_DS7 2489 82 #define NOTE_E7 2637 83 #define NOTE_F7 2794 84 #define NOTE_FS7 2960 85 #define NOTE_G7 3136 86 #define NOTE_GS7 3322 87 #define NOTE_A7 3520 88 #define NOTE_AS7 3729 89 #define NOTE_B7 3951 90 #define NOTE_C8 4186 91 #define NOTE_CS8 4435 92 #define NOTE_D8 4699 93 #define NOTE_DS8 4978
可以看到，这是一张类似表格的东西，里面是定义的大量的宏，即用宏名代替了频率名，对应到键盘的各个按键上。我们需要对应相应的音符到宏名上，为了实现这个首先看看钢琴大谱表与钢琴琴键的对照表：
为了将个音符的音名直观的看出来，给出以下表格：
2.2 播放音乐
对照以上表格及射雕英雄传主题曲铁血丹心简谱实现树莓派播放，铁血丹心简谱如下：
上面的简谱中缺少前奏，程序中增加了从其他版本中摘录的前奏部分，主程序tiexuedanxin.c代码如下：
1 #include <stdio.h> 2 #include <stdlib.h> 3 #include <stdint.h> 4 5 #include <bcm2835.h> 6 #include "pitches.h" 7 8 #define PWM_CHANNEL 0 9 typedef struct _TONE{ 10 int freq; 11 int t_ms; 12 } TONE,*PTONE; 13 14 int pin = RPI_GPIO_P1_12; 15 int baseFreq = 600000; // BCM2835_PWM_CLOCK_DIVIDER_32 对应600KHz 16 17 typedef struct _melodyNode{ 18 int note; 19 float fDuration; 20 }melodyNode; 21 22 melodyNode melody[]= { 23 // 1 24 {NOTE_A4, 1.5}, // 6 25 {NOTE_G4, 0.5}, // 5 26 {NOTE_A4, 1}, // 6 27 {NOTE_G4, 0.5}, // 5 28 {NOTE_E4, 0.5}, // 3 29 30 // 2 31 {NOTE_G4, 1}, // 5 32 {NOTE_D4, 3}, // 2 33 34 // 3 35 {NOTE_C4, 1.5}, // 1 36 {NOTE_A3, 0.5}, // .6 37 {NOTE_D4, 0.5}, // 2 38 {NOTE_E4, 0.5}, // 3 39 {NOTE_G4, 0.5}, // 5 40 {NOTE_F4, 0.5}, // 4 41 42 // 4 43 {NOTE_E4, 3}, // 3 44 {NOTE_E4, 0.5}, // 3 45 {NOTE_G4, 0.5}, // 5 46 47 // 5 48 {NOTE_A4, 1.5}, // 6 49 {NOTE_G4, 0.5}, // 5 50 {NOTE_A4, 1}, // 6 51 {NOTE_G4, 0.5}, // 5 52 {NOTE_E4, 0.5}, // 5 53 54 // 6 55 {NOTE_G4, 1}, // 5 56 {NOTE_D4, 3}, // 2 57 58 // 7 59 {NOTE_C4, 1.5}, // 1 60 {NOTE_A3, 0.5}, // .6 61 {NOTE_D4, 0.5}, // 2 62 {NOTE_E4, 0.5}, // 3 63 {NOTE_G3, 0.5}, // .5 64 {NOTE_B3, 0.5}, // .7 65 66 // 8 67 {NOTE_A3, 4}, // .6 68 69 {0, 1}, // 0 70 {NOTE_E4, 0.5}, // 3 71 {NOTE_D4, 0.5}, // 2 72 {NOTE_C4, 1.5}, // 1 73 {NOTE_B3, 0.5}, // .7 74 75 // 76 {NOTE_A3, 1.5}, // .6 77 {NOTE_E3, 0.5}, // .3 78 {NOTE_A3, 2}, // .6 79 80 //{NOTE_A3, 1}, // .6 81 {NOTE_A4, 0.5}, // 6 82 {NOTE_G4, 0.5}, // 5 83 {NOTE_E4, 1}, // 3 84 {NOTE_G4, 0.5}, // 5 85 {NOTE_D4, 0.5}, // 2 86 87 {NOTE_E4, 3}, // 3 88 89 {NOTE_E4, 0.5}, // 3 90 {NOTE_D4, 0.5}, // 2 91 {NOTE_C4, 1.5}, // 1 92 {NOTE_B3, 0.5}, // .7 93 94 {NOTE_A3, 1.5}, // .6 95 {NOTE_E3, 0.5}, // .6 96 {NOTE_A3, 2}, // .6 97 98 {0, 1}, // 0 99 {NOTE_D4, 0.5}, // 2 100 {NOTE_C4, 0.5}, // 1 101 {NOTE_A3, 1}, // .6 102 {NOTE_C4, 0.5}, // 1 103 {NOTE_D4, 0.5}, // 1 104 105 {NOTE_E4, 3}, // 3*/ 106 {NOTE_E4, 1}, // 3 逐草四方 107 108 {NOTE_A4, 1.5}, // 6 109 {NOTE_G4, 0.5}, // 5 110 {NOTE_A4, 1}, // 6 111 {NOTE_G4, 0.5}, // 5 112 {NOTE_E4, 0.5}, // 3 113 114 {NOTE_G4, 1}, // 5 115 {NOTE_D4, 3}, // 2 116 117 {NOTE_C4, 1.5}, // 1 118 {NOTE_A3, 0.5}, // .6 119 {NOTE_D4, 0.5}, // 2 120 {NOTE_E4, 0.5}, // 3 121 {NOTE_G4, 0.5}, // 5 122 {NOTE_FS4, 0.5}, // #4 123 124 {NOTE_E4, 3}, // 3 125 {NOTE_E4, 0.5}, // 3 126 {NOTE_G4, 0.5}, // 5 127 128 {NOTE_A4, 1.5}, // 6 129 {NOTE_G4, 0.5}, // 5 130 {NOTE_A4, 1.0}, // 6 131 {NOTE_G4, 0.5}, // 5 132 {NOTE_E4, 0.5}, // 3 133 134 {NOTE_G4, 1.0}, // 5 135 {NOTE_D4, 3}, // 2 136 137 {NOTE_C4, 1.5}, // 1 138 {NOTE_A3, 0.5}, // .6 139 {NOTE_D4, 0.5}, // 2 140 {NOTE_E4, 0.5}, // 3 141 {NOTE_G3, 0.5}, // .5 142 {NOTE_B3, 0.5}, // .7 143 144 {NOTE_A3, 3}, // .6 145 146 {0, 1}, // 0 147 {NOTE_E4, 0.5}, // 3 应知爱意似 148 {NOTE_D4, 0.5}, // 2 149 {NOTE_C4, 1.0}, // 1 150 {NOTE_C4, 0.5}, // 1 151 {NOTE_B3, 0.5}, // .7 152 153 {NOTE_A3, 1.5}, // .6 154 {NOTE_E3, 0.5}, // .3 155 {NOTE_A3, 2.0}, // .6 156 157 {0, 1}, // 0 158 {NOTE_A3, 0.5}, // .6 159 {NOTE_G3, 0.5}, // .5 160 {NOTE_E3, 1.0}, // .3 161 {NOTE_G3, 0.5}, // .5 162 {NOTE_D3, 0.5}, // .2 163 164 {NOTE_E3, 3.0}, // .3 165 166 {0, 1}, // 0 167 {NOTE_E4, 0.5}, // 3 身经百劫也 168 {NOTE_D4, 0.5}, // 2 169 {NOTE_C4, 1.0}, // 1 170 {NOTE_C4, 0.5}, // 1 171 {NOTE_B3, 0.5}, // .7 172 173 {NOTE_A3, 1.5}, // .6 174 {NOTE_E4, 0.5}, // 3 175 {NOTE_D4, 2.0}, // 2 176 177 {0, 1}, // 0 178 {NOTE_D4, 0.5}, // 2 179 {NOTE_C4, 0.5}, // 1 180 {NOTE_A3, 1.0}, // .6 181 {NOTE_B3, 0.5}, // .7 182 {NOTE_G3, 0.5}, // .5 183 184 {NOTE_A3, 3.0}, // .6 185 }; 186 187 void beep(int freq, int t_ms) 188 { 189 int range; 190 /*if(freq<2000||freq>5000) 191 { 192 printf("invalid freq\n"); 193 return; 194 }*/ 195 if(freq == 0) 196 range=1; 197 else 198 range=baseFreq/freq; 199 printf("will call bcm2835_pwm_set_range freq: %d range: %d\n", freq, range); 200 bcm2835_pwm_set_range(PWM_CHANNEL, range); 201 bcm2835_pwm_set_data(PWM_CHANNEL, range/2); 202 if(t_ms>0) 203 { 204 delay(t_ms); 205 } 206 } 207 208 void init() 209 { 210 if (!bcm2835_init()) 211 exit (1) ; 212 213 printf("will init pin %d\n", pin); 214 // Set the output pin to Alt Fun 5, to allow PWM channel 0 to be output there 215 bcm2835_gpio_fsel(pin, BCM2835_GPIO_FSEL_ALT5); 216 bcm2835_pwm_set_clock(BCM2835_PWM_CLOCK_DIVIDER_32); 217 bcm2835_pwm_set_mode(PWM_CHANNEL, 1, 1); 218 } 219 220 int main (void) 221 { 222 int index=0; 223 int nLen = sizeof(melody)/sizeof(melody[0]); 224 init(); 225 226 for ( ; index<nLen; index++) 227 { 228 int noteDuration = 600*melody[index].fDuration; 229 beep(melody[index].note, noteDuration); 230 printf("will call bcm2835_pwm_set_data 0 after beep\n"); 231 bcm2835_pwm_set_data(PWM_CHANNEL, 0); 232 printf("index: %d nLen: %d@@@@@@@@@@@@\n", index, nLen); 233 //delay(100); 234 } 235 236 bcm2835_pwm_set_data(PWM_CHANNEL, 0); 237 bcm2835_close(); 238 239 return 0 ; 240 }
注意代码中195行做了特殊处理，这时候频率并不是为0，只是让树莓派不再发声。
