【.NET 与树莓派】让喇叭播放音乐

如果你和老周一样,小时候特别喜欢搞破坏(什么电器都敢拆),那下面这样小喇叭你一定见过。

这种喇叭其实以前很多录音机都用,包括上小学时买来做英语听力的便携录音机。嗯,就是放录音带的那种,录音带也叫磁带或卡带,有两个轮子,录音机的动力转轴会带动轮子转动,然后就能听到声音了。

 

小时候,放学从学校走回家,途中就能看到不少于十处卖录音带的,有文具店的,有蹲路边卖的,甚至连一些卖早餐的店也卖。至于是否正版,这个你懂的。反正 1.5 元到 2 元一盒,零花钱省点用的话,一个星期能买到两三盒,然后回到家里又可以嗨了。也不用担心被长辈们发现,因为他们也喜欢听,被发现了他们会和你一起分享。

玩具用的喇叭会稍微比这个小一点,有正圆形的,也有椭圆形的;老周曾经在一个电子琴里拆出有正方形的喇叭,以老周幼年的拆机经验,方形是极罕见的,正圆形居多。

网上购买,一般会买到有焊接杜邦线的,以及无焊接线的。

有焊接杜邦线的就爽了,直接上线;至于无线的,如果你焊接技术好的话,也可以自己焊,如果没电烙铁没焊锡丝也不要紧,可以用带杜邦头的鳄鱼夹,直接夹住接线孔就行了。毕竟两边的线离得比较远,两个鳄鱼夹不会碰到一起,就不必担心短路了。

 

除了上面介绍的喇叭,还有一种模块也能播放音乐,那就是蜂鸣器。

注意蜂鸣分为无源和有源,上图中,左边的是无源蜂鸣器,右边的是有源蜂鸣器。

有源蜂鸣器,只要电平信号就能发声,而且只能产生固定音高的声音,所以,想让它播放音乐是没门的。从图中你会看到,有源蜂鸣器上那块黑色的圆柱体(像牛粪的那个)上贴着纸签,如果不撕掉,发出的声音刺耳但音量很小;如果把纸签撕掉,音量变大但没那么刺耳。我们这个让喇叭播放音乐的实验必须使用无源蜂鸣器,所以买的时候要看清楚是有源的还是无源的。

 

好了,上面介绍的是完成实验的器件,至于是选小喇叭还是蜂鸣器,你看着办,因为两者原理一样——我们物理课上学过,音高是由频率决定的。

上一篇烂文中,老周扯了 PWM 调光的实验,由于 PWM 能以不同的频率输出电平信号,所以设置不同的频率,再发送PWM方波,就能让喇叭发出不同音高的声音了。喇叭不能直接上电源,那样是不能放音乐的,只能听见地雷爆炸的声音。再次强调一下,是改变 PWM 的频率,不是占空比,改变占空比只能控制声音强度

 

下面开始实验,此次实验老周选了一首很简单的歌,大家都听过的,《世上只有妈妈好》。简谱如下:

 

速度是每分钟 80 拍,所以每一拍(四分音符)的时长为 60/80 = 750 毫秒。接下来咱们确定一下曲中各音符的时值。

1、带附点的四分音符,时值为 750 + 750/2 = 1125 ms。附点就是延长当前音符时值的一半,所以四分音符加附点就是加上半拍的时值。

2、四分音符:750ms。

3、八分音符:750 / 2 = 375ms。

4、二分音符,后面有一横线的,就是两拍,750 * 2= 1500 ms。

至于每个音符的频率,可以直接网上查。

 

此处老周选用国际标准 A(中音 La)的频率(440 Hz)作为中音音域的参考点,于是得到各音阶的频率。

  音阶 频率 最终取值
低音部分 低音 5 195.998 196 Hz
低音 6 220.0 220 Hz
低音 7 246.942 247 Hz
中音部分 中音 1 261.626 262 Hz
中音 2 293.665 294 Hz
中音 3 329.628 330 Hz
中音 4  349.228  349 Hz
 中音 5  391.995  392 Hz
 中音 6 440.0 440 Hz 
 中音 7  493.883  494 Hz
 高音部分  高音 1  523.251  523 Hz

 

                   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

封装一个类,名为 NotePlayer,调用 PlayNote 方法播放指定频率的声音,持续 X 毫秒。

    class NotePlayer : IDisposable
    {
        private PwmChannel _pwmch = null;

        // 构造函数
        public NotePlayer() => _pwmch = PwmChannel.Create(0, 0);

        public void Dispose()
        {
            _pwmch?.Dispose();
        }

        /// <summary>
        /// 播放指定频率的声音
        /// </summary>
        /// <param name="freq">声音频率</param>
        /// <param name="duration">持续时间(毫秒)</param>
        public void PlayNote(int freq, int duration)
        {
            _pwmch.Frequency = freq;
            _pwmch.Start(); // 开始播放
            DelayHelper.DelayMillis(duration);
            _pwmch.Stop();   // 停止播放
        }
    }

核心部分是 PlayNote 方法,首先设置频率,然后调用 PwmChannel 的Start方法开始发送脉冲,随后持续一段时间(这段时间就是音符的时值,请看上文),播放完后,调用 Stop方法停止脉冲,喇叭不发声。

这里面有个辅助方法 DelayMillis,用来暂停 X 毫秒,你完全可以用 Thread.Sleep 方法,这里老周写这个方法,用的是另一种思路——这是参考微软的写法。

    class DelayHelper
    {
        public static void DelayMillis(int ms)
        {
            long ticks = ms * Stopwatch.Frequency / 1000;
            long targetTicks = Stopwatch.GetTimestamp() + ticks;
            do
            {
                Thread.SpinWait(1);
            }
            while (Stopwatch.GetTimestamp() < targetTicks);
        }
    }

原理是运用了 Stopwatch 类的计时器,GetTimestamp 方法总能返回计时器最新的 Tick,接着进入循环,每轮循环中调用 Thread.SpinWait(1) 只等待一个代码周期,这个时间很短,微秒级别的。循环退出条件是 GetTimestamp 方法返回的 Tick 达到我们预定好的时间。

这种方案适合对时间精度高的等待方案,比如等待几十微秒的。

 

这里要思考一件事:我们如果把每首曲子的音符都写进代码中,如果要播放其他曲子就得改一大遍代码,很不灵活。当然像 Arduino 那样没有操作系统且内部存储空间很小的板子,要么把代码写死,要么加个外部的 SD 卡模块,把音符信息放SD卡上,然后在代码中读。对于树莓派来说,这事情好办得要命。树莓派带操作系统,而且自身有 micro SD 卡接口,读写文件相当方便。

因此,老周把《世上只有妈妈好》的音符频率和时值输入到一个文本文件中,要换曲子直接换个文件就完事。格式很简单,每行一个音符,包括频率和时值,用空格分开。于是,《世上只有妈妈好》的文件如下:

440 1125
392 375
330 750
392 750
523 750
440 375
392 375
440 1500
0 750
330 750
392 375
440 375
392 750
330 375
294 375
262 375
220 375
392 375
330 375
294 1500
0 750
294 1125
330 375
392 750
392 375
440 375
330 1125
294 375
262 1500
0 750
392 1125
330 375
294 375
262 375
220 375
262 375
196 1500
0 750

其中,你会看到有几行,音符频率是 0,这个是为了让喇叭有停顿。

再写一个  MusicPlayer 类,可以控制播放整首曲子,并可以指定循环次数。

    public class MusicPlayer : IDisposable
    {
        private bool _playing = false; // 表示是否正在播放
        NotePlayer _noteplayer = null;
        Stream _stream = null;// 文件流

        #region 构造函数
        public MusicPlayer(string noteFilepath)
        {
            _noteplayer = new NotePlayer();
            _stream = File.OpenRead(noteFilepath);
        }
        #endregion

        /// <summary>
        /// 播放音乐
        /// </summary>
        /// <param name="count">重复次数,-1表示无限循环</param>
        public void Start(int count = 1)
        {
            _playing = true;

            if(count == -1)     // 无限循环
            {
                while(_playing)
                {
                    PlaySong();
                }
            }
            else
            {
                while (_playing && count > 0)
                {
                    PlaySong();
                    count--;
                }
            }
        }

        /// <summary>
        /// 停止播放
        /// </summary>
        public void Stop() => _playing = false;

        public void Dispose()
        {
            _stream?.Close();
            _stream?.Dispose();
            _noteplayer?.Dispose();
        }

        #region 私有方法
        private void PlaySong()
        {
            string line = null;
            _stream.Seek(0L, SeekOrigin.Begin);
            // 这里一定要让 leaveOpen 参数为 true
            // 不然 reader 关闭时会直接把文件给释放
            // 后面就不能播放第二遍了
            using StreamReader _noteReader = new(_stream, leaveOpen: true);
            line = _noteReader.ReadLine();
            int freq, dura;
            while (_playing && (line is not null))
            {
                string[] _s = line.Split(' ');
                if (!int.TryParse(_s[0].Trim(), out freq))
                {
                    continue;
                }
                if (!int.TryParse(_s[1].Trim(), out dura))
                {
                    continue;
                }
                if (freq < 0 || dura < 0)
                {
                    continue;
                }
                // 播放音符
                _noteplayer.PlayNote(freq, dura);
                // 播放完读下一个音符
                line = _noteReader.ReadLine();
            }
        }
        #endregion
    }

打开包含音符频率和时值的文件,一行一行地读。每读出一行,以空格作分隔符拆开字符串——可拆成两个元素的字符串数组。第一个元素为频率,第二个元素为时值,随后用前面封装的 PlayNote 播放。

注意实例化 StreamReader 时,一定要保证它被释放时不要关闭文件,不然打开文件后只能播放一次了,后续的重复播放就会报错。

 

回到程序的 Main 方法。

    class Program
    {
        // 声明字段
        static MusicPlayer ply = null;

        static void Main(string[] args)
        {
            // 当按取消键时清理资源
            Console.CancelKeyPress += (_,_) =>
            {
                ply?.Stop();
                ply?.Dispose();
            };

            ply = new("./test01.txt");
            // 尝试通过命令行参数获取播放次数
            int count = -1;
            if(args is { Length: > 0})
            {
                string s = args[0];
                if(!int.TryParse(s,out count))
                {
                    count = -1;
                }
            }
            Console.WriteLine($"播放{count}次……");
            ply.Start(count);

            ply.Dispose();
        }

    }

这里还实现了通过命令行参数来设定循环播放次数,-1为单曲循环。

 

最后是发布,上传到树莓派。

下面看怎么接线。

一、如果用小喇叭,注意正负极。如下图,左边是负极(接线孔右侧有“-”),右边是正极(接线孔左侧有“+”)。负极接树莓派的 GND(有多个,随便挑一个),正极串联一个大于 100 Ω 的电阻(电阻一定要接,不然会有破音,而且时间长了会烧掉喇叭,阻值 100 - 200 均可,电阻大了声音小一点)后接 GPIO 18,这个你看过上一篇文章就知道了,4B 只有这个引脚能产生第一路 PWM,其他树莓派你可以自己试。

 

二、使用无源蜂鸣器。这个得看你买的模块是什么样子的,老周买的这个是三个引脚的。

 

 VCC 接树莓派供电脚,3.3V 和 5V 均可,都兼容,放心烧不了,上面有100欧的电阻。

GND 接树莓派 GND。

IO 接树莓派的 GPIO 18。

 

执行程序,就可以欣赏音乐了。

示例源代码,请点击这里

可以试听一下效果

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补充一下,开发板只能产生方波,不能产生正弦(含余弦)波,更不能产生叠加的交流声波。所以,它只能依据频率来产生不同的音高,你不能控制其音色,更别指望变成自制 Midi。树莓派主板上是有 3.5 mm 音频接口的,要看电影要听歌,跟电脑一样,插个耳机或有源音箱(如低音炮)即可。也可以去买一块专门的功放模块(针对像 Arduino 那样没有音频接口的板子),不用写代码驱动,插上音响就能嗨。当然也有蓝牙功放模块,网购无极限,啥都有可能买到。所以这年头想DIY还是比较容易的。

下一篇烂文,老周会说一下用 PWM 来驱动舵机,以及调节风扇的转速。

 

posted @ 2021-02-10 12:54  东邪独孤  阅读(1506)  评论(4编辑  收藏