胡 慶， 余 晨

(成都大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院， 四川 成都 610106)

0 引 言

隨著電子行業(yè)的興起，智能化已經(jīng)逐漸成為一種潮流和趨勢(shì)[1]，人們不再滿足于機(jī)械式音樂盒的單一功能，功能多樣化的數(shù)字音樂盒逐漸成為主流產(chǎn)品.與此同時(shí)，單片機(jī)的功能不斷完善，特別是STM32系列微處理器，其基于ARM Cortex-M內(nèi)核的32-bit閃存微控制器，主頻高達(dá)72 MHz，具有高集成度、實(shí)時(shí)性、數(shù)字信號(hào)處理、低功耗、低電壓操作等特點(diǎn)，應(yīng)用很廣泛[2].本研究以STM32F103C8T6單片機(jī)為核心，外部加上時(shí)鐘與復(fù)位電路、按鍵電路、喇叭電路、LED電路及音量控制電路，以此來實(shí)現(xiàn)音樂盒的硬件電路，通過C語言來控制單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器使其產(chǎn)生一定頻率的PWM從而驅(qū)動(dòng)喇叭發(fā)聲，通過AD采集來改變占空比，從而控制音量的增減，通過控制按鍵來實(shí)現(xiàn)上一首、下一首及暫停播放.本研究設(shè)計(jì)的數(shù)字音樂盒外觀精致小巧，制作工藝簡(jiǎn)單，具有較強(qiáng)實(shí)用性.

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能

本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.系統(tǒng)以STM32-F103C8T6單片機(jī)為核心， 采用USB供電. 按鍵電路使用定時(shí)器2產(chǎn)生中斷，從而達(dá)到選曲的目的以及暫停播放功能.定時(shí)器3輸出PWM驅(qū)動(dòng)喇叭發(fā)聲以及LED的隨機(jī)閃動(dòng).另外，復(fù)位電路中，當(dāng)程序運(yùn)行出錯(cuò)時(shí)，復(fù)位鍵可使系統(tǒng)重新工作.

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制處理器

STM32F1微控制器系列，具有較高的性能、一流的外圍設(shè)備以及較低消耗的功能與電壓[3].STM32F103系列微處理器時(shí)鐘頻率為72 MHz，電壓范圍為2.0～3.6 V.本設(shè)計(jì)采用STM32F103C8T6[4]作為系統(tǒng)的控制處理器.

2.2 穩(wěn)壓芯片

AMS1117系列穩(wěn)壓器有可調(diào)版與多種固定電壓版，可提供1 A輸出電流且工作壓差可低至1 V.在最大輸出電流時(shí)，AMS1117器件的最小壓差保證不超過1.3 V，并隨負(fù)載電流的減小而逐漸降低.常用電路圖如2所示.

圖2 AMS1117常用電路

本設(shè)計(jì)使用AMS1117穩(wěn)壓芯片給喇叭單獨(dú)供電，考慮到AMS1117在工作中易發(fā)熱，使用了一個(gè)穩(wěn)壓二極管降壓，再通過AMS1117穩(wěn)壓芯片輸出3.3 V給喇叭供電.因?yàn)锳MS1117的最小工作壓差為1 V，本設(shè)計(jì)只使用一個(gè)穩(wěn)壓二極管，就可以保證穩(wěn)壓芯片的正常工作.

2.3 電源電路

電源電路如圖3所示.

圖3電源電路

單片機(jī)使用5 V電源，通過Mirco USB接口供電，再通過系統(tǒng)板上的LDO低壓差線性穩(wěn)壓器RT9193將5 V轉(zhuǎn)為3.3 V輸出，如圖4所示.為了達(dá)到對(duì)干擾信號(hào)的抑制，系統(tǒng)再通過電容濾波(見圖5).由于喇叭消耗功率較大，所以單獨(dú)使用降壓芯片AMS1117-3.3給喇叭供電.

圖4 5 V轉(zhuǎn)3.3 V電路

圖5濾波電路

2.4 復(fù)位電路

STM32F103的NRST引腳輸入驅(qū)動(dòng)使用CMOS工藝，連接一個(gè)不能斷開的上拉電阻R，電阻值如表1所示[4].上拉電阻由電阻串聯(lián)一個(gè)可開關(guān)的PMOS實(shí)現(xiàn)，這個(gè)PMOS開關(guān)的電阻很小(約占10%).

表1 STM32F103的NRST引腳上拉電阻值

復(fù)位電路如圖6所示.復(fù)位源將最終作用于RESET引腳，并在復(fù)位過程中保持低電平，復(fù)位入口矢量地址設(shè)置為0x0000～0004.當(dāng)復(fù)位鍵按下時(shí)，單片機(jī)引腳接收到一個(gè)低電平的信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)外部復(fù)位.

2.5 按鍵電路

本設(shè)計(jì)使用普通的按鍵接法，通過單片機(jī)PA0、PC14、PC15口控制，實(shí)現(xiàn)歌曲播放順序的調(diào)換和暫停播放功能.按鍵電路圖如圖7所示.

圖6復(fù)位電路

圖7按鍵電路

2.6 LED電路

LED電路包括：一個(gè)LED作為系統(tǒng)指示燈，當(dāng)按鍵按下時(shí)為常亮，而當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，燈按1.3 s的頻率閃爍；一個(gè)LED作為電源指示燈，上電常亮，如圖8所示；一個(gè)LED作為音階指示燈，當(dāng)變換一次音階時(shí)變換一次，而當(dāng)播放暫停時(shí)，為常亮；一個(gè)LED作為頻率指示燈，跟隨著音樂的變換而隨機(jī)閃爍，如圖9所示.

圖8系統(tǒng)指示和電源指示LED電路

圖9 音階和頻率指示LED電路

2.7 喇叭電路

喇叭的功率為3 W，電阻為4 Ω，通過AMS1117芯片所輸出的3.3 V給喇叭供電.STM32的PA6引腳接到三極管的基極，通過引腳輸出不同的PWM信號(hào)，從而使喇叭發(fā)出不同的聲音.喇叭電路如圖10所示.

圖10喇叭電路

2.8 音量控制電路

通過改變滑動(dòng)變阻器電阻改變流過的電壓和電流，音量控制電路如圖11所示.引腳PA2采集信號(hào)通過改變占空比來改變音量.

圖11音量控制電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程

系統(tǒng)軟件的主程序流程圖如圖12所示.首先對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘、延時(shí)函數(shù)、ADC采樣、按鍵、彩燈、定時(shí)器TIM2與TIM3的PWM進(jìn)行初始化，清除一些標(biāo)志位，設(shè)置定時(shí)器的工作方式、初值及中斷優(yōu)先級(jí)等，使程序能夠正常運(yùn)行[5].然后，檢測(cè)歌曲是否結(jié)束，未結(jié)束則讀取音階即頻率，再由定時(shí)器產(chǎn)生不同的PWM信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)喇叭發(fā)聲直至歌曲結(jié)束.

3.2 定時(shí)器的設(shè)置

音樂盒的設(shè)計(jì)主要是利用STM32F103C8T6內(nèi)部的定時(shí)器[6].該定時(shí)器有4路PWM輸出，將其中1路輸出給喇叭使其發(fā)聲，而將另外3路輸出給彩燈使其隨機(jī)閃爍[7].本設(shè)計(jì)通過設(shè)定不同的分頻系數(shù)以及重裝值讓PWM產(chǎn)生不同的頻率.節(jié)拍是利用延時(shí)函數(shù)來設(shè)置的，通過讓每個(gè)音階延時(shí)一段時(shí)間(即節(jié)拍)來演奏一首完整的樂曲.

圖12主程序流程圖

本設(shè)計(jì)所用的定時(shí)器有：測(cè)量輸入信號(hào)的脈沖長(zhǎng)度或產(chǎn)生需要的輸出波形的通用定時(shí)器TIM2和定時(shí)器TIM3，用來確保延時(shí)函數(shù)精確性的24-bit遞減計(jì)數(shù)器SysTick.

定時(shí)器相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：定時(shí)器TIM2的初始化為10 ms中斷一次，其中，arr為自動(dòng)重裝值，psc為時(shí)鐘預(yù)分頻數(shù).

定時(shí)器溢出時(shí)間計(jì)算方法為，

Tout=((arr+1)·(psc+1))/Ft

(1)

式中，F(xiàn)t為定時(shí)器工作頻率，因?yàn)橄到y(tǒng)時(shí)鐘為72 MHz，所以本設(shè)計(jì)定時(shí)10 ms溢出一次時(shí)，自動(dòng)重裝值arr設(shè)置為99，時(shí)鐘預(yù)分頻數(shù)psc可以設(shè)置為7199，則溢出時(shí)間Tout為，

Tout=((99+1)×(7199+1))/72=10 ms

(2)

代碼如下：

void TIM2-Int-Init(u16 arr,u16 psc)//定時(shí)器TIM2初始化

{

RCC->APB1ENR|=1<<0；//TIM2時(shí)鐘使能

TIM2->ARR=arr；//arr=99

TIM2->PSC=ps；//psc=7199

TIM2->DIER|=1<<0；//允許更新中斷

TIM2->CR1|=0x01；//使能定時(shí)器TIM2

MY-NVIC-Init(1,3,TIM2-IRQn,2)；//搶占1，子優(yōu)先級(jí)3，組2

}3.3 PWM輸出設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)利用定時(shí)器TIM3輸出PWM來控制喇叭發(fā)聲，再通過調(diào)節(jié)占空比控制音量.TIM3有4路PWM輸出，其中1路接上喇叭，另外3路分別接上3個(gè)彩燈，使得彩燈跟隨頻率的不同而隨機(jī)閃爍，為音樂盒增添一份美感.代碼如下：

void F-set(u8 psc)

{

TIM3->ARR = 999;//重裝值，溢出值，計(jì)數(shù)周期

TIM3->PSC=yinjie[psc];//設(shè)置分頻，設(shè)定發(fā)聲頻率

TIM3->CCR1 = vlo;//賦值為音量

TIM3->CCR2 = psc%5*(psc%7*140)+400;

TIM3->CCR3 = psc%3*(psc%7*140)+400;

TIM3->CCR4 = psc%2*(psc%7*140)+400;//彩燈，占空比不同，亮度不同，對(duì)5、3、2取余，盡量隨機(jī)閃動(dòng)

}

3.4 按鍵處理程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)有3個(gè)功能按鍵，分別為上一曲、下一曲及暫停功能，首先要對(duì)按鍵初始化，使能按鍵對(duì)應(yīng)的硬件端口，再對(duì)鍵值進(jìn)行判斷，最后執(zhí)行相應(yīng)的操作.具體代碼如下：

if(KEY0==0||KEY1==0||KEY2==0)//按鍵按下

{

LED1 = 0;//按下紅燈常亮

if(KEY-sta==0)//第1次掃描

{

KEY-sta|=0x20;//按下標(biāo)記

KEY-sta|= (KEY0?0:0x01);//存按鍵值

KEY-sta|= (KEY1?0:0x02);

KEY-sta|= (KEY2?0:0x04);

}

else if(KEY-sta&0x20) KEY-sta |= 0x80;//連續(xù)第2次掃描，認(rèn)為按鍵按下，標(biāo)記鍵值處理

}

else//按鍵釋放，標(biāo)記鍵值處理

{

if(KEY-sta&0x80)//確定按鍵按下標(biāo)記，進(jìn)行鍵值處理

{

if(KEY-sta&0x01) Next=2;//按鍵0，上一曲

else if(KEY-sta&0x02) Suspend=(Suspend==0)?1:0;//按鍵1，暫停

else if(KEY-sta&0x04) Next = 1;//按鍵2，下一曲

}

KEY-sta = 0;//釋放按鍵，狀態(tài)清0

}

4 仿真及功能測(cè)試

測(cè)試時(shí)，本研究在Proteus軟件下新建仿真項(xiàng)目，搭建好原理電路圖如圖13所示，然后結(jié)合Keil對(duì)電路進(jìn)行仿真調(diào)試.實(shí)物圖如圖14所示.音樂盒通電，系統(tǒng)正常工作，電源指示黃色燈常亮，系統(tǒng)指示燈以1.3 s的頻率閃爍，藍(lán)色的頻率燈常亮，4引腳的彩燈隨頻率閃爍，喇叭發(fā)出音樂.本設(shè)計(jì)通過按鍵設(shè)置上一首、下一首及暫停播放，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字音樂盒功能.

在測(cè)試時(shí)，本設(shè)計(jì)在嘗試使喇叭發(fā)聲的過程中，最初將重裝值設(shè)置為1999，即周期為2000，此時(shí)定時(shí)器重裝值大了，分頻數(shù)小，當(dāng)頻率高時(shí)，頻率不準(zhǔn)，誤差大，高音聽起來就像雜音.對(duì)此， 本設(shè)計(jì)嘗試減小重裝值，將重裝值設(shè)置為999，即周期為1000，此時(shí)分頻數(shù)提高，精度也相對(duì)提高，頻率誤差減少，音質(zhì)更加準(zhǔn)確.此外，本設(shè)計(jì)在調(diào)節(jié)音量大小時(shí)，通過不斷嘗試，最后也找到了使音量最大的占空比.

圖13 Proteus軟件仿真

圖14硬件測(cè)試

5 結(jié) 語

本設(shè)計(jì)以STM32F103系列芯片作為控制芯片，利用定時(shí)器的4路PWM輸出，1路控制喇叭發(fā)聲，其余3路分別接上3個(gè)彩燈，使得彩燈跟隨頻率的不同而隨機(jī)閃爍，為音樂盒增添了一份美感，同時(shí)，還設(shè)置了上一首、下一首及暫停播放，實(shí)現(xiàn)人性化控制.本設(shè)計(jì)的數(shù)字音樂盒工藝簡(jiǎn)單，有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值，稍加外觀設(shè)計(jì)便可用于玩具制造行業(yè).