基于软件模拟DDS的蜂鸣器驱动程序

la45088d1 · 发表于 2020-3-16 14:23:11

换药不换汤，基于STM32平台软件的DDS演奏程序，音质轻松秒杀传统蜂鸣器：
https://www.mydigit.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=135199

用MCU加发生元件比如蜂鸣器播放音乐很多人都做过吧，我也做了一个，不过原理有点不同：

普通做法是用软件输出方波或者PWM硬件输出方波驱动蜂鸣器的，而我使用DAC输出经过放大后再驱动喇叭。而我在MCU内部定义了一个25Ksp的正弦表，还定义了几个幅度表，每一次中断就查一次正弦表和幅度表，查的结果相乘就使得输出正弦波受幅度调制，随后还受额外的幅度乘子调制。幅度表的调制决定正弦波包络时变特性，幅度乘子决定该音调响度。
正弦表查表动作不是查找一次基波结果再输出而是查找8次并按照音色表的加权输出结果。对应基波和7次谐波混合成分输出。此外音色表还定义个谐波的初始相位偏移。改变音色表的个谐波强度和初始相移就可以改变音色。

这是实物：平淡无奇啊，就一个STM32F103ZGT6核心板，连接到扩音器上，实际上STM32F103RCT6就可以做这个实验，代码量不超过200KBytes，而且有DAC。视频如下：
测试视频

这是工程图示：Main函数初始化外设后就开始调用相关函数查找歌曲和播放了。其中硬件只有DAC和SysTick用到了，其它的跟这个工程毫无关系。核心代码在ToneGenerator文件夹中。文件夹有6个文件，4个文件都是查找表，一个文件负责音调发生，一个负责歌曲查找播放。

这里只提供关键的源码，反正没完善也没人看：

调用方式很简单，先设置RCC，使用外部10MHz晶振给PLL提供时钟，进行10倍频。
然后，调用SysTickInitialize初始化SysTick计时器，调用DACInitialize初始化DAC；
调用SongSegBaseAddrSeek寻找全部的歌曲，第一个参数必须是第一首歌曲的基地址，第二个参数是查找范围，设定大一些就行；
调用PlaySongs播放歌曲，第一个参数表示播放第几首歌曲。注意如果你只固化了两首歌曲就不能设置播放第3首歌曲，否则出错返回。

la45088d1 · 发表于 2020-3-16 14:45:46

这是查找表生成器源码：

编译完以后直接打开，先键入3，然后复制粘贴以下内容：
50 25 250 2 0 Short paper long love
5-11541 3-03411 3-03411 3-03411 2-03411 3-03411 1-01431 2-03411 2-03411 2-03411 1-03411 2-03411 5+01531 1-03411 1-03411 1-03411 6-13411 1-03411 6-11431 1-03011 5-13511 2-03411 2-03411 2-03411 3-03511 6-13411 5-11431 4-03411 4-03411 4-03411 3-03411 4-03411 1-01431 2-03411 2-03411 2-03411 1-03411 2-03411 5-01531 1-03411 1-03411 1-03411 6-13411 1-03411 6-11431 3-03611 2-03611 2-03611 1-03411 1-01541 1-00021 1-00021 1-00011 1-03411 1-03411 2-03411 3-01521 3-03411 3-03411 1-03011 3-03411 2-03411 1-03411 7-11421 6-03511 5-03511 1-03011 5-03411 6-03411 7-03411 1+11521 3-03511 3-03511 1-03011 1+13511 7-03511 1+13511 7-01621 3-01521 5-01531 5-01421 6-01421 1+11521 5-01521 6-01521 1-03021 6-01421 5-01421 4-01421 5-01421 3-01421 2-01421 1-01431 6-13411 1-03411 3-03411 2-03411 2-03411 1-03411 2-03411 5-01521 1-03411 2-00481 5-00481 6-11021 6-11021 6-11011 1-03511 1-03411 2-03411 3-03511 3-03411 2-03411 1-03511 1-03011 3-03511 2-03411 1-03411 5-03511 5-03511 3-03411 5-03511 1-03011 5-03411 6-03411 7-03411 1+13611 1+13611 1+13611 1+13611 1+13611 7-03511 6-03511 7-03511 6-03411 3-01421 5-00511 5-00420 5-03411 6-03411 1+13511 5-01521 6-03511 6-03011 6-03411 5-03411 4-03411 5-03411 3-01421 2-03411 1-01431 6-03511 1-03411 3-03411 2-03411 2-03411 1-03411 2-03411 1-01521 6-13411 1-01361 7-03021 1-00021 1-00021 1-00011 1-03411 1-03411 2-03411 3-01521 3-03411 3-03411 1-03011 3-03411 2-03411 1-03411 7-11421 6-03511 5-03511 1-03011 5-03411 6-03411 7-03411 1+11521 3-03511 3-03511 1-03011 1+13511 7-03511 1+13511 7-01621 3-01521 5-01531 5-01421 6-01421 1+11521 5-01521 6-01521 1-03021 6-01421 5-01421 4-01421 5-01421 3-01421 2-01421 1-01431 6-13411 1-03411 3-03411 2-03411 2-03411 1-03411 2-03411 5-01521 1-03411 2-00481 5-00481 6-11021 6-11021 6-11011 1-03511 1-03411 2-03411 3-03511 3-03411 2-03411 1-03511 1-03011 3-03511 2-03411 1-03411 5-03511 5-03511 3-03411 5-03511 1-03011 5-03411 6-03411 7-03411 1+13611 1+13611 1+13611 1+13611 1+13611 7-03511 6-03511 7-03511 6-03411 3-01421 5-00511 5-00420 5-03411 6-03411 1+13511 5-01521 6-03511 6-03011 6-03411 5-03411 4-03411 5-03411 3-01421 2-03411 1-01431 6-03511 1-03411 3-03411 2-03411 2-03411 1-03411 2-03411 1-01521 6-03411 1-01361 7-03021 3-01021 6-13411 1-03411 3-03411 2-01411 2-01440 3-01021 2-03411 1-03411 2-03411 1-01411 1-01440 3-01021 6-13311 1-01361 1-01380 E

然后把输出的定义一字不漏地复制到Song.s文件中就可以播放该歌曲了，这个是纸短情长，有些音符不小心输错了不过基本还是完美的。
以后有时间并且完善后再详细介绍这些东西的细节吧！

2545889167 · 发表于 2020-3-16 15:09:34

全汇编有点意思厉害

人艰不拆了 · 发表于 2020-3-16 15:10:11

这是播放音乐吧，没看懂基本正弦波频率怎么改的，乘以幅度表？:mad:感觉说是频度表更合适，数学体育老师教的，不懂怎么转换出来的:dizzy:

lorn丁 · 发表于 2020-3-16 15:29:04

好吧，我完全看不懂

la45088d1 · 发表于 2020-3-16 15:39:14

人艰不拆了发表于 2020-3-16 15:10
这是播放音乐吧，没看懂基本正弦波频率怎么改的，乘以幅度表？感觉说是频度表更合适，数学体育老师教 ...

Code memory 中定义了一个16bit的，带有0x8000偏移的1/4正弦波表，共25k个采样点，也就是0-90度的结果，通过简单换算可以映射到0-360度去。而360度以上因为是周期函数可以根据f(x±T)=f(x)的周期函数性质映射回0-360度结果。
所以等效为定义了一个100k个采样点结果的正弦表，然后查表频率是50KHz，输出采样率也是50KHz。假设步进为一，每查一次表后地址计数器加一访问下一个元素，那么100k个元素遍历需要2s，输出一个完整正弦波，输出频率就是0.5Hz，如果步进是2，频率变为1Hz，步进是N，频率fout=0.5*N。这就是DDS改频原理。
然后查表输出的是等幅波，经过一个变化的幅度值调制后输出就变成输出随时间变化的正弦波。而幅度值变化就是用另一个计数器隔几次查表后递增一次，不断输出幅度表内部的幅度值。
而谐波查表呢，就是这样：
假设第一次正弦表地址计数器是0,步进为1，那么基波就是0偏移处的结果，2-7次谐波计数器也就是一样都为0；
而第二次查表，基波地址计数器变为1，按一倍步进增加，基波结果就是1偏移处结果，2-7次谐波计数器则是2-7，对应2-7偏移处结果；
第三次查表，基波地址计数器则是2，依然是一倍步进递增，结果是偏移处2结果，2-7次谐波计数器则是4-14，对应4-14偏移处结果。
根据这个规律，不需要定义8个计数器，只要一个基波计数器，并且把基波计数器的当前偏移乘以谐波次数就可以得到谐波应该的偏移。
基波包括高达8次的谐波经过加权后就可以输出了，加权结果改变音色。
此外2-7次谐波还要加一个初始相移值，所以各次谐波相对于基波的相移也是可以改变的，-360-360.

人艰不拆了 · 发表于 2020-3-16 15:51:43

la45088d1 发表于 2020-3-16 15:39
Code memory 中定义了一个16bit的，带有0x8000偏移的1/4正弦波表，共25k个采样点，也就是0-90度的结果， ...

哈哈，有点意思，我还以为是两个正弦函数相乘呢，那个我真的不会算了，先搞懂基波，谐波以后再说，不过这表够大的，我的arduino是装不下了

人艰不拆了 · 发表于 2020-3-16 15:52:57

la45088d1 发表于 2020-3-16 15:39
Code memory 中定义了一个16bit的，带有0x8000偏移的1/4正弦波表，共25k个采样点，也就是0-90度的结果， ...

加了谐波，音色更好听吗，实际有提升没有呢？

人艰不拆了 · 发表于 2020-3-16 16:05:49

la45088d1 发表于 2020-3-16 15:39
Code memory 中定义了一个16bit的，带有0x8000偏移的1/4正弦波表，共25k个采样点，也就是0-90度的结果， ...

这样的话，岂不是频率越高的输出，波形的精度越差吗，似乎没法做到各个频率都是一样的精度，是这样吗

la45088d1 · 发表于 2020-3-16 16:06:44

人艰不拆了发表于 2020-3-16 15:52
加了谐波，音色更好听吗，实际有提升没有呢？

当然，一般的方波听起来非常冲，很难受。
正弦波听起来不冲但是软绵绵，也比较单调。
合理设置谐波会使得输出音调比较不一样，改善听感。
这算是传统蜂鸣器放歌的顶峰了吧，再想优化就是直接播放音乐文件了，但是那样就不是算以音调合成为思路的蜂鸣器播放音乐了，那叫开挂。

la45088d1 · 发表于 2020-3-16 16:09:33

人艰不拆了发表于 2020-3-16 15:51
哈哈，有点意思，我还以为是两个正弦函数相乘呢，那个我真的不会算了，先搞懂基波，谐波以后再说，不过这 ...

不考虑效率的话，可以用SPI FLASH存放数据，然后计算地址读取就行。但是这样比较慢也麻烦。
但是降低系统成本，毕竟如果用便宜的8位机做的话当然好些。
不过话说回来，你的AVR有DAC吗？:titter:

la45088d1 · 发表于 2020-3-16 16:44:31

人艰不拆了发表于 2020-3-16 16:05
这样的话，岂不是频率越高的输出，波形的精度越差吗，似乎没法做到各个频率都是一样的精度，是这样吗 ...

也许是这样，因为极端条件下，假设频率输出跑到了奈奎斯特采样定理的极限值25KHz，那波形就只有2点每个周期。但是这两点依然包含着25KHz的基波和高次谐波，如果LPF够给力，依然能够输出干净的25KHz正弦信号。
但是一般的LPF并不理想，滤不干净精度会下降的。点数变少以后确实相当于谐波分量增加了。
你可以找一本《信号与系统》看看，再看看《数字信号处理》你会有所收获的。

换药不换汤，基于STM32平台软件的DDS演奏程序，音质轻松秒杀传统蜂鸣器：
https://www.mydigit.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=135199