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 } pwm.c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：
/************************************************* * Public Constants *************************************************/ #define NOTE_B0 31 #define NOTE_C1 33 #define NOTE_CS1 35 #define NOTE_D1 37 #define NOTE_DS1 39 #define NOTE_E1 41 #define NOTE_F1 44 #define NOTE_FS1 46 #define NOTE_G1 49 #define NOTE_GS1 52 #define NOTE_A1 55 #define NOTE_AS1 58 #define NOTE_B1 62 #define NOTE_C2 65 #define NOTE_CS2 69 #define NOTE_D2 73 #define NOTE_DS2 78 #define NOTE_E2 82 #define NOTE_F2 87 #define NOTE_FS2 93 #define NOTE_G2 98 #define NOTE_GS2 104 #define NOTE_A2 110 #define NOTE_AS2 117 #define NOTE_B2 123 #define NOTE_C3 131 #define NOTE_CS3 139 #define NOTE_D3 147 #define NOTE_DS3 156 #define NOTE_E3 165 #define NOTE_F3 175 #define NOTE_FS3 185 #define NOTE_G3 196 #define NOTE_GS3 208 #define NOTE_A3 220 #define NOTE_AS3 233 #define NOTE_B3 247 #define NOTE_C4 262 #define NOTE_CS4 277 #define NOTE_D4 294 #define NOTE_DS4 311 #define NOTE_E4 330 #define NOTE_F4 349 #define NOTE_FS4 370 #define NOTE_G4 392 #define NOTE_GS4 415 #define NOTE_A4 440 #define NOTE_AS4 466 #define NOTE_B4 494 #define NOTE_C5 523 #define NOTE_CS5 554 #define NOTE_D5 587 #define NOTE_DS5 622 #define NOTE_E5 659 #define NOTE_F5 698 #define NOTE_FS5 740 #define NOTE_G5 784 #define NOTE_GS5 831 #define NOTE_A5 880 #define NOTE_AS5 932 #define NOTE_B5 988 #define NOTE_C6 1047 #define NOTE_CS6 1109 #define NOTE_D6 1175 #define NOTE_DS6 1245 #define NOTE_E6 1319 #define NOTE_F6 1397 #define NOTE_FS6 1480 #define NOTE_G6 1568 #define NOTE_GS6 1661 #define NOTE_A6 1760 #define NOTE_AS6 1865 #define NOTE_B6 1976 #define NOTE_C7 2093 #define NOTE_CS7 2217 #define NOTE_D7 2349 #define NOTE_DS7 2489 #define NOTE_E7 2637 #define NOTE_F7 2794 #define NOTE_FS7 2960 #define NOTE_G7 3136 #define NOTE_GS7 3322 #define NOTE_A7 3520 #define NOTE_AS7 3729 #define NOTE_B7 3951 #define NOTE_C8 4186 #define NOTE_CS8 4435 #define NOTE_D8 4699 #define NOTE_DS8 4978pitches.h
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 } tiexuedanxin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。