树莓派驱动开发实战05:PWM音乐盒

本文源码:https://github.com/Philon/rpi-drivers/tree/master/05-pwm_musicbox

上一篇用LED呼吸灯的方式,基本介绍了PWM原理以及在树莓派上的驱动开发,但总感觉意犹未尽,所以再写一篇PWM的应用场景——PWM+蜂鸣器,实现一个简易的音乐盒。

说明一下: 本篇纯粹是“玩”,并不涉及任何新的知识点,如果不感兴趣可以掠过。

先来看看我实现的效果:《保卫黄河》、《灌篮高手》、《欢乐斗地主》。这些谱子全是我从网上扒下来的,并根据蜂鸣器的效果修改过,自己不是专业搞音乐的,所以难免会有错误的地方。(反正我耳朵里听着没问题就行😁)

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philon@rpi:~ $ cd modules/
philon@rpi:~/modules $ sudo insmod musicbox.ko
philon@rpi:~/modules $ ./player_test music/01-保卫黄河 # 🎵
philon@rpi:~/modules $ ./player_test music/04-灌篮高手主题曲 # 🎵
philon@rpi:~/modules $ ./player_test music/05-欢乐斗地主 # 🎵

再来看看我是怎么实现的:

  1. 实现PWM蜂鸣器驱动musicbox:通过write音符给设备节点,播放不同的声音;通过ioctl控制节拍
  2. 实现应用层player_test,负责读取歌曲的乐谱
  3. 编写乐谱,其实就是文本简谱,类似下面这首
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C 3/4

# ~前奏~
(5` (4`) 3` 2` 1` 7 1` 0 3 (2) 3 5 (6 5 6 1`) 5 0)
(6` (5`) 4` 3` 2` 1` 7 6 5 6 1` 2` 5 6 2` 3` 5 6 3` 4` 5 6 4` 5`)

# 风在吼,马在叫,黄河在咆哮,黄河在咆哮
1` (1` 3) 5- 1` (1` 3) 5- (3) 3 (5) 1` 1` (6) 6 (4) 2` 2`

# 河西山岗万丈高,河东河北高粱熟了
(5 (6) 5 4) (3 2 3 0) (5 (6) 5 4) (3 2 3 1)

# 万山丛中,抗日英雄真不少
5 (6) 1` 3 (5 (3`) 2` 1`) 5 6 3-

# 青纱帐里,游击健儿真不少
5 (6) 1` 3 (5 (3`) 2` 1`) 5 6 1`-

# 端起了土枪洋枪,挥动着大刀长矛
(5 (3 5) 6 5 1` 1`) 0 (5 (3 5) 6 5 2` 2`) 0

# 保卫家乡,保卫黄河,保卫华北,保卫全中国
(5 (6) 1` 1`) 0 (5 (6) 2` 2`) 0 (5 (6) 3` 3`) (5 (6) 3` 2` 1`----)

好,具体实现且听我慢慢道来~

PWM蜂鸣器驱动

有关蜂鸣器硬件原理、有源、无源这里不展开讨论。总之本文采用的是树莓派上的PWM0+一个无源蜂鸣器。接线如下图所示:

PWM蜂鸣器树莓派接线图
PWM蜂鸣器原理图

根据上一篇《PWM呼吸灯》的学习,基本知道PWM对脉冲的控制主要有占空比脉冲周期两部分。用来控制LED的时,占空比可以调节灯光的强弱,在脉冲周期似乎没什么乱用。

对于蜂鸣器声用作声乐,有三个基本要素:音调、节拍、音量大小。

  • 音调:由震动频率决定,对应PWM的脉冲周期
  • 音量:同样的频率,PWM占空比越高,声音越大
  • 节拍,声音的持续时长,和PWM毛关系都没有,做个定时开关即可

综上,其实在蜂鸣器驱动musicbox里重点实现两个接口:

  • write: 解析用户层写入的字符串,例如音调do的高中低音分别为’1`‘和’1‘和’1.‘,然后换算出对应的频率即可。
  • ioctl: 解析用户层发来的指令,有节拍、音调、音量等控制。

不同音调的蜂鸣器频率

注意:此部分涉及的乐理知识我不是很懂,基本是从网上抄来的,但我发现F和B调的发音不是很准,估计频率不对。

下表分别是Do Re Mi Fa So La Ti对应的蜂鸣器震动频率。

wait-!7个音符,怎么会干出13种频率呢?

因为其中涵盖了A-G不同曲调,一首曲子可以由多个调子来演奏,比如我们经常听到的C小调,D大调之类的。其中的乐理只是更为复杂,这里只需要记住:

C调的Do为基准,其他调子做相应偏移。例如E调的Do相当于C调的Mi,而A调的Do相当于C调的La。

音域 1 2 3 4 5 6 C7 D7 E7 F7 G7 A7 B7
低音 131 147 165 175 196 221 248 278 312 330 371 416 467
中音 262 294 330 350 393 441 495 556 624 661 742 883 935
高音 525 589 661 700 786 882 900 1112 1248 1322 1484 1665 1869

如何计算PWM的周期

有了不同音符的震动频率,也就得到了PWM的脉冲周期。举个例子,50Hz相当于1秒钟震动50次,那PWM的脉冲周期就应该为1s/50=0.02秒。因此周期的计算公式为:

period = 1s / freq

其中的freq就是音符表中的频率,而1s可以由Linux中的HZ变量表示。

如何计算PWM占空比

有了脉冲周期,才能计算占空比。一个周期内高电平所占时间越大,输出声音也就越大。所以我们可以通过百分比来决定占空比大小。

假设现在要输出高音3`,它对应的频率为661,并根据前面的公式求得脉冲周期为12345,而音量为75%,那占空比应该为12345*75/100 = 9528。因此占空比的计算公式为:

duty = period * volume / 100

如何计算节拍

所谓节拍,如2/4拍,表示以4分音符为一拍,每小节有两拍。

但在程序里,节拍即每个音符输出的时长,这一点我并没有在驱动层实现,但做的做法非常简单。并没有引入“小节”和“动次打次”的概念。就是强制一个小节为4秒,如果是2/4拍,就相当于4000/4/2 = 500毫秒,即每个音符默认响0.5秒。如果存在半拍的情况(就是音符下有画线),那时间再减半。

程序中把半拍用圆括号()表示,遇到左括号就减半时间,遇到右括号就加倍时间,就是那么粗暴。

驱动程序实现

当加载以下驱动后,可以通过命令行echo 1 > /dev/musicbox来测试是否会响。

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#include <linux/module.h>
#include <linux/pwm.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/miscdevice.h>
#include <linux/timer.h>
#include <linux/wait.h>

#define MUSICBOX_MAX_VOLUME 100 // 最大音量100%
#define ONE_SECOND 1000000000 // 以纳秒为单位的一秒

// 各音域音符对应震动频率
static const int tones[][14] = {
// C D E F G A B
// 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
{0, 131, 147, 165, 175, 196, 221, 248, 278, 312, 330, 371, 416, 476},
// 1 2 3 4 5 6 7
{0, 262, 294, 330, 350, 393, 441, 496, 556, 624, 661, 742, 833, 935},
// 1' 2' 3' 4' 5' 6' 7'
{0, 525, 589, 661, 700, 786, 882, 990, 1112, 1248, 1322, 1484, 1665, 1869},
};

static struct {
bool playing; // 是否正在播放
wait_queue_head_t wwait; // 写等待
struct pwm_device* buzzer; // 蜂鸣器
struct timer_list timer; // 定时器
char volume; // 音量 0-100
char tonality; // 音调 A-G
char beat; // 节拍
char key; // 音调
} musicbox;

static void music_stop(struct timer_list* timer) {
pwm_disable(musicbox.buzzer);
musicbox.playing = false;
wake_up(&musicbox.wwait);
}

static ssize_t musicbox_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t len, loff_t *off) {
// 获取音符
int note = (buf[0] - '0') + musicbox.key;
// 获取音域
int pitch = (buf[1] == '`') ? 2 : (buf[1] == '.' ? 0 : 1);
// 根据频率计算脉冲周期
int tone = ONE_SECOND / tones[pitch][note];
// 根据脉冲周期计算音量
int volume = tone * musicbox.volume / 100;
// 当音符后跟着'-'就延长一倍时间
int delay = HZ / musicbox.beat * (len - (pitch != 1));

// 写阻塞,一次只能播放一个音符
if (musicbox.playing) {
if (filp->f_flags & O_NONBLOCK) {
return -EAGAIN;
} else {
DECLARE_WAITQUEUE(wq, current);
add_wait_queue(&musicbox.wwait, &wq);
wait_event(musicbox.wwait, !musicbox.playing);
remove_wait_queue(&musicbox.wwait, &wq);
}
}

pwm_config(musicbox.buzzer, volume, tone);
if (buf[0] > '0') {
pwm_enable(musicbox.buzzer);
}
mod_timer(&musicbox.timer, jiffies + delay);
musicbox.playing = true;

return len;
}

// 音量、音调、节拍控制
static long musicbox_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg) {
switch (cmd) {
case MUSICBOX_SET_VOLUMN:
if (arg >= 0 && arg <= MUSICBOX_MAX_VOLUME) {
musicbox.volume = arg;
} else {
return -EINVAL;
}
break;
case MUSICBOX_GET_VOLUMN:
return musicbox.volume;
case MUSICBOX_SET_BEAT:
if (arg > 0 && arg <= 1000) {
musicbox.beat = 1000 / arg;
} else {
return -EINVAL;
}
break;
case MUSICBOX_GET_BEAT:
return 1000 / musicbox.beat;
case MUSICBOX_SET_KEY:
if (arg < 'A' || arg > 'G') {
return -EINVAL;
}
musicbox.key = arg >= 'C' ? (arg - 'C') : (arg - 'A' + 5);
break;
case MUSICBOX_GET_KEY:
return musicbox.key;
default:
printk("error cmd = %d\n", cmd);
return -EFAULT;
}
return 0;
}

// 以下是设备驱动注册/注销相关
static const struct file_operations fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.write = musicbox_write,
.unlocked_ioctl = musicbox_ioctl,
};

static struct miscdevice mdev = {
.minor = MISC_DYNAMIC_MINOR,
.name = "musicbox",
.fops = &fops,
.nodename = "musicbox",
.mode = S_IRWXUGO,
};

int __init musicbox_init(void) {
musicbox.buzzer = pwm_request(0, "Buzzer");
if (IS_ERR_OR_NULL(musicbox.buzzer)) {
printk(KERN_ERR "failed to request pwm0\n");
return PTR_ERR(musicbox.buzzer);
}

musicbox.volume = 50;
musicbox.tonality = 'A';
musicbox.key = 0;
musicbox.beat = 4;

init_waitqueue_head(&musicbox.wwait);
timer_setup(&musicbox.timer, music_stop, 0);
add_timer(&musicbox.timer);

misc_register(&mdev);

return 0;
}
module_init(musicbox_init);

void __exit musicbox_exit(void) {
misc_deregister(&mdev);
del_timer(&musicbox.timer);
pwm_disable(musicbox.buzzer);
pwm_free(musicbox.buzzer);
}
module_exit(musicbox_exit);

应用层加载乐谱

应用层player_test程序的业务逻辑就简单得多了:

  1. 加载指定的乐谱文件
  2. 配置音乐盒的节拍、音调
  3. 按行读取文件内容(跳过注释行和空行)
  4. 提取每一行的音符、括号
  5. 将音符、节拍写入驱动
  6. 重复第3-5步,直至文件末尾
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#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/fcntl.h>
#include <sys/ioctl.h>

#include "musicbox.h"

#define MUSIC_BOX_FILE "/dev/musicbox"

int main(int argc, char* argv[]) {
if (argc < 2) {
printf("Usage: ./player <musicfile>");
return -1;
}

int fd = open(MUSIC_BOX_FILE, O_RDWR);
if (fd < 0) {
perror("open musicbox");
exit(0);
}

FILE* music = fopen(argv[1], "r");
if (music == NULL) {
perror("open music");
exit(0);
}

// 初始化音乐盒
char line[128] = {'\0'};
if (fgets(line, sizeof(line), music) == NULL) {
perror("read music");
exit(0);
}

// 4秒为一节,计算每拍的长度,如2/4拍时,每拍长度为500ms
int beat = 4000 / (line[4]-'0') / (line[2]-'0');
if (ioctl(fd, MUSICBOX_SET_BEAT, beat) < 0
|| ioctl(fd, MUSICBOX_SET_VOLUMN, 90) < 0
|| ioctl(fd, MUSICBOX_SET_KEY, line[0]) < 0) {
perror("ioctl");
exit(0);
}

// 按行加载乐谱文件
while (fgets(line, sizeof(line), music)) {
printf("%s", line);
if (line[0] == '#' || line[0] == '\0') {
continue;
}

char* p = line;
while (*p) {
if (*p == '(') {
ioctl(fd, MUSICBOX_SET_BEAT, ioctl(fd, MUSICBOX_GET_BEAT) / 2);
} else if (*p == ')') {
ioctl(fd, MUSICBOX_SET_BEAT, ioctl(fd, MUSICBOX_GET_BEAT) * 2);
} else if (*p >= '0' && *p <= '7') {
char* q = p+1;
while (*q == '`') q++;
while (*q == '.') q++;
while (*q == '-') q++;
write(fd, p, q-p);
}
p++;
}
}

close(fd);
fclose(music);
return 0;
}

小结

由于本章没有新的知识点,就不做知识总结了,说说感受。

当蜂鸣器按照我的预期演奏音乐是还是挺开心的,仿佛一下子把我拉回了大学的那个暑假,一个人默默在宿舍鼓弄51单片机的日子。时光荏苒,尽管做的是同一件事,但我现在的软件架构、编程基础不可同日而语。或许我重拾底层技术的同时,也重拾了当年学习的热情吧😊。

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