初玩树莓派 B   5控制蜂鸣器演奏乐曲

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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，这次尝试用GPIO的PWM接口驱动无源蜂鸣器弹奏一曲《一闪一闪亮晶晶》。

1无源蜂鸣器和有源蜂鸣器

主要是当初我自己也没有意识到蜂鸣器还区分有源和无源的，买到手接上电源，就是不出声，这才发现我买的蜂鸣器是无源的蜂鸣器。

无源蜂鸣器：
1无源内部没有震荡源，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的电流方波是啥意思？那就是每秒震动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。

2 声音频率可控，可以做出不同的音效。

有源蜂鸣器：
1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，编程比无源的方便。

无源的比有源的便宜，无源的2毛，有源的4毛。我买的无源蜂鸣器，该蜂鸣器阻抗42欧姆 ，可以用3V 和5V的来驱动。树莓派高电平恰好是3.3V。

在这之前我根本不懂还区分有源和无源蜂鸣器，才有后续的曲折和摸索。



这种蜂鸣器正负极有很明显的标记 + -。

2 PWM和输出模式

单纯和上次一样操作设置GPIO口的高低是没法实现输出PWM的。好在树莓派的某些PIN口有这种模式，那就是PIN12口。可以通过控制PIN12口的PWM模式来实现。就理解为方波把。由于pygpio暂不支持操作硬件的PWM。这里我们用wiringpi库。

wiringPi中的pinMode (1,PWM_OUT),可以设置模式。PIN12是wiringpi的1号。



图中t(pwm)就是一个周期的时间长度。对于2K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%。

占空比的确会影响频率，但是我没有具体去探究会如何影响频率。我测试的时候使用的占空比是50%，也就是高低电平各占用一半的时间。

由于可以参考的例子是在太少了。只能自己翻芯片手册查找相关资料。具体的相关资料在BCM2835芯片手册的第九章（具体翻阅手册查看，真是最好的办法）。阅读这一章以后我得出的关键点有如下几点：
1 PWM的频率是受时钟管理器控制的，（树莓派的基础时钟频率是19.2MHZ）。
2 PWM的输出占空比模式有两种，一种是平衡模式，一种是MS模式。

先看占空比中的平衡模式和MS模式，假设我们希望输出的占空比为 N/M。

平衡模式是指的按照某一种算法计算何时发送低电平，何时发送高电平，该算法力求任意一段时间占空比都最接近N/M，下图是（4/8的时候的几种发送方式），很显然good的算法任意取得一段时间都更加接近4/8。

M/S模式就是整个S周期内，先发送M时间的高电平，剩余的S-M时间为低电平。



因此如果是4/8的占空比。

M/S模式8个时间长度内发送的就是 11110000 （周期为8个时间长度）。   而平衡模式则是 10101010（可以说最小周期为2个时间长度，大的周期为 8个时间长度）。

可能看不懂没关系。用图来解释更有说服力。

假设我们需要的频率为5KHZ，那么周期时间就是1s/5000hz=200us。设定占空比为 0.5 也就是高低电平各占一半，那么需要高电平占100us，低电平占100us。

如果是平衡模式。一个大周期内(200us)波形图看起来如下：


也就是这个大周期内，任意取一段时间占空比都接近0.5，其实实际频率比5K要大几倍。

如果是MS模式。则看起来如下：



显然这个才是我们需要的标准的5K频率。因为这个模式最小频率就是200us了。
wiringPi中的pwmSetMode (PWM_MODE_MS) 可以设置为ms模式。

前面说到树莓派基础时钟频率是19.2MHZ。pwm也受这个基础频率的控制，也就是最小的基础周期是1/19200000 S。这个周期太小了，我们控制蜂鸣器需要2-5K的频率。我们先将基础频率调大一些。通过pwmsetClock(int clock)可以将时钟基础频率设置为 19.2M/clock的大小。然后我们再基于这个频率通过pwmsetRasnge(int range)设置最终的频率，range的范围是2-4095。
通过pwmsetClock(clock)以及pwmsetRasnge(range)将最终的频率控制在 19.2MHz/clock/range的大小。
这里我设置clock为32 将时钟基础频率设置为19.2MHZ/32=600khz。
这样我们只要设置range从300到120就能得到2k-5k的频率。

那如何设置占空比呢?还有一个函数pwmWrite(value)。value指定了range指定的时间内发送高电平的基础周期个数（以时钟基础频率计算）。因此value/range就是占空比。pwmWrite(range/2)就能得到50%的占空比。range/5 就得到20%占空比。如果设置value为0，那么就是这段时期内一直是低电平，没有任何高电平，蜂鸣器就不发声了。
验证一下如下图。


50% （range/2）

20% (range/5)

因此我们可以初始化里面这么写

void init() 
{ 
  if (wiringPiSetup () == -1) 
       exit (1) ; 
  //设置针脚为pwm输出模式
  pinMode (1, PWM_OUTPUT) ;
//设置pwm 信号模式为ms模式
  pwmSetMode(PWM_MODE_MS);
 //设置时钟基础频率为19.2M/32=600KHZ 
  pwmSetClock(32); 
} 

为了后续能弹奏不同频率的音阶。封装一个beep函数以及beep的持续时间。

void beep(int freq,int t_ms) 
{ 
      int range; 
      if(freq<2000||freq>5000) 
      { 
	printf("invalid freq"); 
	return; 
      } 
      //设置range为 600KHZ/freq。也就是由range个1/600KHZ组成了freq频率的周期。
      range=600000/freq。
      pwmSetRange(range); 
      //设置占空比为50%。
      pwmWrite(1,range/2); 
      if(t_ms>0) 
      { 
	delay(t_ms); 
      } 
}

通过delay来控制延时。
通过 pwmWrite(1,0)来关闭输出。

剩下的就是查找 一闪一闪亮晶晶的简谱。对应设定好频率和持续时间。随后循环播放出来就可以了。
这里就只截图，具体代码下载pwm.c查看。







接线图如下。BCM标号1（PIN12 ）接无源蜂鸣器的正极。负极接GND，为了接线方便。我买了扩展版和排线哦。（第一次错买了树莓派2的40 PIN，第二次卖家给我发错货了。第三次才买到，也是坎坷）。



编译执行
gcc -o pwm pwm.c -lwiringpi
sudo ./pwm
就可以听到播放曲谱了。
建议不要多听。因为2K-5K的频率对于人的耳朵实在是有点高了，听多了刺耳心慌。
学会了pwm就可以控制一些需要脉冲波控制的外部设备了。

有人会说,设置GPIO为输出模式。
PinWrite(1);
sleep(100us);
pinWrite(0);
sleep(100us);
这样不是也行吗？
的确这样是可以的,但是CPU占用的资源很高。使用python的话时间控制更是不精准，因此既然有硬件的PWM模块我们还是使用一下这个功能把。

其实我没想本节这么复杂的。以为蜂鸣器接上电源就会响。不过省了两毛钱的同时还让我学到了更多的东西。有时候网上查不到的一些东西，就需要自己认认真真查看相关资料测试。还有就是硬件比软件麻烦多了。

下一节是人体感应器。感应到人体以后配合蜂鸣器报警。

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