引言

壓電蜂鳴器或揚(yáng)聲器使用壓電晶體單元，壓電晶體在加電時(shí)會(huì)出現(xiàn)輕微變形，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲音。晶體單元連在揚(yáng)聲器錐體或面板，當(dāng)施加快速變化的電壓時(shí)，它會(huì)快速振動(dòng)。這種振動(dòng)激發(fā)出空氣中的聲波，從而產(chǎn)生頻率基于電波頻率的音調(diào)。

早期的計(jì)算機(jī)和電子游戲使用壓電揚(yáng)聲器產(chǎn)生的各類聲音，從單音、汽笛音到白噪聲等。和早期相比，個(gè)人計(jì)算機(jī)的聲音產(chǎn)生技術(shù)有了很大的進(jìn)步。今天，系統(tǒng)即使增加了多通道、數(shù)字聲音和音樂，以及基于MIDI的音樂合成器系統(tǒng)，仍然使用簡(jiǎn)單的壓電揚(yáng)聲器。汽車報(bào)警、煙霧探測(cè)器、銷售點(diǎn)(PoS)終端、小型電子玩具和游戲以及很多應(yīng)用都依靠壓電聲發(fā)生器來(lái)產(chǎn)生單音、大分貝報(bào)警音效。

改動(dòng)硬件驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器

對(duì)系統(tǒng)中的壓電揚(yáng)聲器增加硬件非常簡(jiǎn)單。

對(duì)于只需要一路頻率輸出的應(yīng)用，可以對(duì)壓電揚(yáng)聲器進(jìn)行優(yōu)化，以一定的音頻振蕩。通過(guò)加入反饋網(wǎng)絡(luò)和逆變器，揚(yáng)聲器在接通后以共振頻率開始自激振蕩。這類網(wǎng)絡(luò)通常用于在煙霧探測(cè)器、二氧化碳傳感器和安防系統(tǒng)中產(chǎn)生大分貝報(bào)警音。

Maxim的MAXQ3210微控制器集成了這類壓電揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)電路(圖1)。軟件界面非常簡(jiǎn)單，包括一個(gè)控制位，用于打開或者關(guān)斷揚(yáng)聲器。輸出音的頻率和音量完全由壓電揚(yáng)聲器和反饋網(wǎng)絡(luò)元件決定。


圖1. MAXQ3210微控制器的壓電音驅(qū)動(dòng)電路

在軟件控制下迅速接通和關(guān)斷揚(yáng)聲器可以產(chǎn)生各種嘀噠、啁啾等聲音效果，但是輸出頻率不變。怎樣才能產(chǎn)生各種不同的輸出頻率呢?

為改變輸出頻率，必須去掉自動(dòng)反饋環(huán)路，直接通過(guò)端口引腳來(lái)控制揚(yáng)聲器輸出。數(shù)字揚(yáng)聲器的輸入可以在固定電壓和地之間切換，微控制器的數(shù)字I/O引腳可直接驅(qū)動(dòng)它。根據(jù)壓電揚(yáng)聲器輸出大小和所需的分貝數(shù)，可能需要專門的驅(qū)動(dòng)電路或者IC來(lái)處理壓電揚(yáng)聲器引腳的高壓，或者將大電流驅(qū)動(dòng)到揚(yáng)聲器中，以產(chǎn)生高音。在這些情況下，微控制器I/O引腳被用于打開或者關(guān)斷揚(yáng)聲器，設(shè)置輸出頻率。I/O引腳不直接驅(qū)動(dòng)壓電單元。

MAXQ3210還可用于產(chǎn)生多個(gè)揚(yáng)聲器輸出頻率。反饋輸入引腳直接連接到器件的一個(gè)其他端口引腳上。只要內(nèi)置揚(yáng)聲器逆變器能夠跟上端口引腳驅(qū)動(dòng)的頻率，按照合適的速率觸發(fā)端口引腳都可以產(chǎn)生所需的音調(diào)。

注意：本應(yīng)用筆記的源代碼可以下載(ZIP, 4.5kB)。

音樂合成器

為能夠產(chǎn)生簡(jiǎn)單的音樂信號(hào)，揚(yáng)聲器必須接通一段時(shí)間，然后關(guān)斷相同的時(shí)間。產(chǎn)生的聲音頻率由下面的公式給出：

輸出頻率 = 1/(長(zhǎng)周期 + 短周期)

為能夠產(chǎn)生一定時(shí)間長(zhǎng)度的聲音，需要計(jì)算進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的完整周期數(shù)：

周期數(shù) = (聲音持續(xù)時(shí)間 × 輸出頻率)

以中C基本鋼琴音標(biāo)音頻為例。對(duì)這些頻率進(jìn)行調(diào)諧，音符“中C的A”等于440Hz。表1中列出的值是近似值。

表1. 音符和接近的聲音頻率

以一定頻率來(lái)接通和關(guān)斷MAXQ3210端口引腳最簡(jiǎn)單的方法是使用軟件循環(huán)。使用微控制器的單周期指令執(zhí)行頻率來(lái)計(jì)算內(nèi)循環(huán)延時(shí)，該頻率典型值為3.57MHz。

move HRNC, #1 ; Turn the piezoelectric horn driver on.

;; Play Middle C for one second.

   move    LC[1], #261       ; Outer loop counter = 261 cycles (1s * 261Hz)
middleC:
   move    PO0.0, #1         ; Switch output high.
   move    LC[0], #6839      ; Half period : (1/261Hz) / (1/3.57MHz) / 2
   djnz    LC[0], $          ; Decrement and jump, if not zero, to current 
                             ;    instruction.
   move    PO0.0, #0         ; Switch output low.
   move    LC[0], #6839      ; Half period : (1/261Hz) / (1/3.57MHz) / 2
   djnz    LC[0], $          ; Decrement and jump if not zero to current 
                             ;    instruction.
   djnz    LC[1], middleC    ; Decrement and jump, if not zero, to top of loop.

通過(guò)改變循環(huán)計(jì)數(shù)器LC[0]裝載的數(shù)值來(lái)改變輸出頻率(對(duì)應(yīng)于產(chǎn)生的音符)。通過(guò)改變循環(huán)計(jì)數(shù)器LC[1]裝載的數(shù)值來(lái)改變音符持續(xù)時(shí)間。把這些代碼打包到一個(gè)簡(jiǎn)單宏中，定義幾個(gè)常數(shù)，就很容易產(chǎn)生播放一小段音樂的代碼。

#define NOTE_C     261
#define NOTE_C_SH  277
#define NOTE_D_FL  277
#define NOTE_D     294
#define NOTE_D_SH  311
#define NOTE_E_FL  311
#define NOTE_E     330
#define NOTE_F     349
#define NOTE_F_SH  370
#define NOTE_G_FL  370
#define NOTE_G     392

#define EIGHTH     1       ; 120 beats per minute, 4/4 time
#define QUARTER    2       ; 120 beats per minute, 4/4 time
#define QUARTERDOT 3       ; 120 beats per minute, 4/4 time
#define HALF       4       ; 120 beats per minute, 4/4 time
#define WHOLE      8       ; 120 beats per minute, 4/4 time

 

play macro note, duration
local L1, L2
   move    HRNC,  #1
   move    LC[1], #(note * duration / 8)
L1:
   move    PO0.0, #1         ; Switch output high.
   move    LC[0], #(1785000 / note)
   djnz    LC[0], $          ; Decrement and jump, if not zero, to current 
                             ;    instruction.
   move    PO0.0, #0         ; Switch output low.
   move    LC[0], #(1785000 / note)
   djnz    LC[0], $          ; Decrement and jump, if not zero, to current 
                             ;    instruction.
   djnz    LC[1], L1         ; Decrement and jump, if not zero, to top of loop.
   move    HRNC,  #1
   move    LC[1], #50        ; 50ms of silence
L2:
   move    LC[0], #3570      ; 1ms (inner loop)  
   djnz    LC[0], $
   djnz    LC[1], L2
endm

;; First 8 bars of Beethoven's "Ode to Joy"

   play    NOTE_E,     QUARTER
   play    NOTE_E,     QUARTER
   play    NOTE_F,     QUARTER
   play    NOTE_G,     QUARTER

   play    NOTE_G,     QUARTER
   play    NOTE_F,     QUARTER
   play    NOTE_E,     QUARTER
   play    NOTE_D,     QUARTER

   play    NOTE_C,     QUARTER
   play    NOTE_C,     QUARTER
   play    NOTE_D,     QUARTER
   play    NOTE_E,     QUARTER

   play    NOTE_E,     QUARTERDOT
   play    NOTE_D,     EIGHTH
   play    NOTE_D,     HALF

   play    NOTE_E,     QUARTER
   play    NOTE_E,     QUARTER
   play    NOTE_F,     QUARTER
   play    NOTE_G,     QUARTER

   play    NOTE_G,     QUARTER
   play    NOTE_F,     QUARTER
   play    NOTE_E,     QUARTER
   play    NOTE_D,     QUARTER



   play    NOTE_C,     QUARTER
   play    NOTE_C,     QUARTER
   play    NOTE_D,     QUARTER
   play    NOTE_E,     QUARTER

   play    NOTE_D,     QUARTERDOT
   play    NOTE_C,     EIGHTH
   play    NOTE_C,     HALF

可以縮小這一例子需要的代碼空間。只使用子程序(而不是解開的代碼宏)和查找表就可以產(chǎn)生音符值。其基本原理相同。

定時(shí)器驅(qū)動(dòng)的音樂合成器

上面的代碼雖然非常簡(jiǎn)單，但是要求微控制器犧牲其所有時(shí)間來(lái)產(chǎn)生音調(diào)。對(duì)于音樂賀卡等簡(jiǎn)單應(yīng)用，這樣簡(jiǎn)單地使用微控制器是可以的。然而，對(duì)于更復(fù)雜的應(yīng)用，需要在后臺(tái)播放音樂，而微控制器去完成其他工作。為完成這種雙重角色，微控制器必須從周期性地開關(guān)端口引腳以產(chǎn)生某一音符這類工作中解放出來(lái)。

MAXQ3210集成了計(jì)數(shù)器/定時(shí)器功能。在一種模式下，定時(shí)器可以在端口引腳上產(chǎn)生某一頻率的輸出波形。利用這種模式，將定時(shí)器輸出引腳連接至反饋輸入，微控制器在音符開始時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器，在音符結(jié)束時(shí)關(guān)掉它。

定時(shí)器還可以用于控制音符本身的持續(xù)時(shí)間。MAXQ3210含有另一個(gè)長(zhǎng)周期定時(shí)器，非常適合完成這一任務(wù)。通過(guò)在每一音符間隔開始產(chǎn)生一個(gè)中斷，定時(shí)器查找預(yù)編碼的音符查找表，以更少的空間來(lái)編碼時(shí)間更長(zhǎng)的音樂。

結(jié)論

壓電音發(fā)生功能被用于大量的應(yīng)用中，以產(chǎn)生音樂、報(bào)警等其他聲音效果。采用集成了MAXQ3210等壓電揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)器的微控制器，只需要很少的硬件和軟件開銷就能夠產(chǎn)生壓電音。集成的可編程定時(shí)器使得大部分音調(diào)發(fā)生功能都可以在后臺(tái)完成，而微控制器能夠集中處理主要任務(wù)。