Пьезоэлектрический излучатель. Мелодия

А: А кем ты работаешь?
Б: Я — программист!
А: О, классно, а что ты программируешь?
Б: Акустические волны.

Кроме генерации однотонного звука, можно воспроизвести даже целые мелодии: для этого потребуется поочередно задавать ту или иную частоту колебаний. Путь это будет русская народная песня «Коробейники».

Ниже представлена табулатура Коробейников для укулеле.


xxxxxxxxxx
A4||----------------------------------------------||
E4||----------------------------------------------||
C4||-----7-8-10-8-7-5-5-8---10-8-7-7-10---8-5-5---||
G4||---7------------------7-------------7---------||
A4||----------------------------------------------||
E4||----------------------------------------------||
C4||-----------------8---10-8-7-7-10---8-5-5------||
G4||---5-8-12-10-8-7---7-------------7------------||

Если записать линейно, то мелодия будет выглядеть так:

D₅, G₄, G₄#, A₄#, G₄#, G₄, F₄, F₄, G₄#, D₅, A₄#, G₄#, G₄, G₄, A₄#, D₅, G₄#, F₄, F₄,
C₅, D₅#, G₅, F₅, D₅#, D₅, G₄#, D₅, G₄#, D₅, A₄#, G₄#, G₄, G₄, A₄#, D₅, G₄#, F₄, F₄

В табулатуре используется первая и вторая октавы, однако наш динамик плохо воспроизводит звуки до 1 кГц. Вам необходимо транспонировать его на более высокие октавы (например, на 3 и 4 октавы, или же на 4 и 5 октавы). Нужные частоты вы можете найти в сети, мы же приведём частоты 3, 4 и 5 октав:

Нота	3 октава, Гц	4 октава, Гц	5 октава, Гц
C	1046,5	2093	4186
C#	1108,7	2217,4	4434,8
D	1174,6	2349,2	4698,4
D#	1244,5	2489	4978
E	1318,5	2637	5274
F	1396,9	2793,8	5587,6
F#	1480	2960	5920
G	1568	3136	6272
G#	1661,2	3322,4	6644,8
A	1760	3520	7040
A#	1864,6	3729,2	7458,4
H	1975,5	3951	7902

Поочередно меняя тон и вставляя задержки, мы получим мелодию. Добавим макросы с говорящими именами для каждого тона из таблицы.


xxxxxxxxxx
// buzzer.c
#define FREQ_C_3         1046
#define FREQ_C_4         2093
#define FREQ_C_5         4186
#define FREQ_C_SHARP_3   1108
#define FREQ_C_SHARP_4   2217
#define FREQ_C_SHARP_5   4434
#define FREQ_D_3         1174
#define FREQ_D_4         2349
#define FREQ_D_5         4698
#define FREQ_D_SHARP_3   1244
#define FREQ_D_SHARP_4   2489
#define FREQ_D_SHARP_5   4978
#define FREQ_E_3         1318
#define FREQ_E_4         2637
#define FREQ_E_5         5274
#define FREQ_F_3         1396
#define FREQ_F_4         2793
#define FREQ_F_5         5587
#define FREQ_F_SHARP_3   1480
#define FREQ_F_SHARP_4   2960
#define FREQ_F_SHARP_5   5920
#define FREQ_G_3         1568
#define FREQ_G_4         3136
#define FREQ_G_5         6272
#define FREQ_G_SHARP_3   1661
#define FREQ_G_SHARP_4   3322
#define FREQ_G_SHARP_5   6644
#define FREQ_A_3         1760
#define FREQ_A_4         3520
#define FREQ_A_5         7040
#define FREQ_A_SHARP_3   1864
#define FREQ_A_SHARP_4   3729
#define FREQ_A_SHARP_5   7458
#define FREQ_H_3         1975
#define FREQ_H_4         3951
#define FREQ_H_5         7902

Музыка это не только поочерёдная смена тона, а ещё и паузы между нотами — это называется ритмом. С технической точки зрения нужно сделать ШИМ внутри другого ШИМ, причём параметры обоих могут меняться во времени.

Таким образом, одна единица мелодии состоит из трёх частей: частота звука, продолжительность ноты, продолжительность паузы. Создадим для этого структуру.


xxxxxxxxxx
typedef struct {
    uint8_t note_duration;  // cs (10 * ms = 0.01 s)
    uint8_t pause_duration; // cs
    uint16_t note_freq;     // hz
} TONE_t;

Здесь по возможности нужно обойтись минимальным размером экземпляра структуры. Давайте рассуждать: частота точно не будет превышать 10 кГц, поэтому 16 бит для ноты вполне достаточно; если мы хотим уложится в 32 бита, то на продолжительность паузы и воспроизведения нужно оставить по 8 бит; продолжительность игры и паузы вряд ли будет больше 1 секунды, но даже при этом, если мы будем хранить значения в сантисекундах (10^-2), то переменной хватит аж на 2,55 с.

Создадим массив таких структур для мелодии «Коробейники».


xxxxxxxxxx
static const TONE_t peddler[] = {
    { 10, 1, FREQ_D_4,       },
    { 10, 1, FREQ_G_4,       },
    { 10, 1, FREQ_G_SHARP_4, },
    { 10, 1, FREQ_A_SHARP_4, },
    { 10, 1, FREQ_G_SHARP_4, },
    { 10, 1, FREQ_G_4,       },
    { 10, 1, FREQ_F_4,       },
    { 10, 1, FREQ_F_4,       },
    { 10, 1, FREQ_G_SHARP_4, },
    { 10, 1, FREQ_D_5,       },
    { 10, 1, FREQ_A_SHARP_4, },
    { 10, 1, FREQ_G_SHARP_4, },
    { 10, 1, FREQ_G_4,       },
    { 10, 1, FREQ_G_4,       },
    { 10, 1, FREQ_A_SHARP_4, },
    { 10, 1, FREQ_D_5,       },
    { 10, 1, FREQ_G_SHARP_4, },
    { 10, 1, FREQ_F_4,       },
    { 10, 1, FREQ_F_4,       },
    { 10, 1, FREQ_C_5,       },
    { 10, 1, FREQ_D_SHARP_5, },
    { 10, 1, FREQ_G_5,       },
    { 10, 1, FREQ_F_5,       },
    { 10, 1, FREQ_D_SHARP_5, },
    { 10, 1, FREQ_D_5,       },
    { 10, 1, FREQ_G_SHARP_4, },
    { 10, 1, FREQ_D_5,       },
    { 10, 1, FREQ_G_SHARP_4, },
    { 10, 1, FREQ_D_5,       },
    { 10, 1, FREQ_A_SHARP_4, },
    { 10, 1, FREQ_G_SHARP_4, },
    { 10, 1, FREQ_G_4,       },
    { 10, 1, FREQ_G_4,       },
    { 10, 1, FREQ_A_SHARP_4, },
    { 10, 1, FREQ_D_5,       },
    { 10, 1, FREQ_G_SHARP_4, },
    { 10, 1, FREQ_F_4,       },
    { 10, 1, FREQ_F_4,       },
};

Осталось мелодию воспроизвести. Добавим функцию для воспроизведения.


xxxxxxxxxx
// buzzer.h
#include "utils.h"
void buzzer_play(void);
// buzzer.c
#define SILENCE()       TIM2->ARR  = 0; \
                        TIM2->CCR3 = 0
void buzzer_play(void) {
    uint32_t n = sizeof(peddler) / sizeof(peddler[0]);
    buzzer_turn_on();
    for (uint32_t i = 0; i < n; i++) {
        SET_FREQ(peddler[i].note_freq);
        delay(peddler[i].note_duration * 100000);
        SILENCE();
        delay(peddler[i].pause_duration * 100000);
    }
    buzzer_turn_off();
}
// main.c
while(1) {
    buzzer_play();
}

Код доступен на GitHub: CMSIS.

Реализация наивная и имеет один существенный недостаток. Что, если вам потребуется остановить воспроизведение мелодии? Что, если данную функцию захочется вызвать из прерывания? Наверняка вам в голову уже пришло одно решение, но оно... не самое лучшее — вы просто не всё знаете.

Назад | Оглавление | Дальше