基于MSPM0L1306实现的音乐键盘

内容介绍

1 项目介绍

使用矩阵键盘、蜂鸣器、流水灯和电位计设计音乐键盘，让不同按键发出不同音调，电位计用来控制声音大小，流水灯用来显示声音档位，OLED显示屏显示当前键值即发声模式。

2 设计思路

GPIO实现矩阵键盘扫描读取键码值；
S1~S14为14个琴键，按下S15切换为独立发声模式，按下S16切换为连续发生模式；
定时器输出PWM从而驱动无源蜂鸣器；
通过设置PWM的频率以及占空比来实现更改音乐键盘的不同琴音以及响度；
ADC对模拟输入（电位器）进行采样，采样由定时器触发；
OLED显示输出当前发声模式以及按下的键值；

3 软件流程图

4 实现的功能及图片展示

4.1开机上电（独立发声模式）

此时发声模式默认为独立发声（可按下S15切换为此），右下角从左数四枚LED灯均亮起，表示此时为音量满格状态.

按下S1~S14后，获取对应键值，为PWM载入对应频率，打开定时器计数，无源蜂鸣器持续响500ms后关闭计数。

4.2 连续发声模式

按下S16，模式切换为连续发声模式，OLED显示随之变化，定时器计数打开，蜂鸣器开始工作。此时按下琴键后将持续鸣响对应频率。

4.3 音量调节

通过旋转左侧电位计，可控制响度大小，共设有五个档位，通过右下角左侧四枚LED灯显示（0枚亮声音最小，四枚全亮声音最大)。

5 主要代码片段及说明

5.1 调节PWM频率（音调）及占空比（响度）

//设置PWM占空比，即响度
void Set_Pwm(float duty,uint8_t channel)
{
    uint32_t Compare;
    Compare = period - period * duty;//公式
	if(channel == 1)
    {
        DL_TimerG_setCaptureCompareValue(PWM_0_INST,Compare,GPIO_PWM_0_C1_IDX);
    }
}

//改变PWM频率，即音调
void Set_Freq(uint32_t freqency)
{
    period = PWM_0_INST_CLK_FREQ / freqency;//周期计算公式
    DL_TimerG_setLoadValue(PWM_0_INST,period);//改变系统周期
}

5.2 发声模式选择

void FLAG()
{
	if(Mode_Flag == 0)
	{
		OLED_ShowString(0, 0, "MODE:INDIVIDUAL");
		if(Count_Flag == 0)
		{
			DL_TimerG_stopCounter(PWM_0_INST);
		}
		else{
			DL_TimerG_startCounter(PWM_0_INST);
		}
	}
	else
	{
		OLED_ShowString(0, 0, "MODE:CONTINUITY");
		DL_TimerG_startCounter(PWM_0_INST);
	}
}

当Mode_Flag == 0 时，为独立发声模式，OLED显示屏输出"MODE:INDIVIDUAL"；当检测到按键按下后，将Count_Flag 置一，从而打开定时器计数，并且无源蜂鸣器开始工作，在500ms后，停止定时器计数，蜂鸣器停止工作，即响声持续500ms后停止。

当Mode_Flag == 1 时，为连续发声模式，OLED显示屏输出"MODE:CONTINUITY"；此时尽管Count_Flag 为0但仍然开启了定时器，所以蜂鸣器会持续工作直至不再是连续发声模式。

5.3 ADC采集

void getADC_value()
{
	//ADC转换结束，则读取数据
	if(adc_flag)
	{
		//读取ADC0的MEM0的数据
		adc_value = DL_ADC12_getMemResult(ADC12_0_INST,DL_ADC12_MEM_IDX_0);
		
		//对ADC的转换结果进行处理（点亮对应档位LED，设置DUTY值）
		if (adc_value >= 0x000 && adc_value <= 0x1FF)
		{
			DL_GPIO_setPins(LED_PORT, LED_LED_1_PIN);
			DL_GPIO_setPins(LED_PORT, LED_LED_2_PIN);
			DL_GPIO_setPins(LED_PORT, LED_LED_3_PIN);
			DL_GPIO_setPins(LED_PORT, LED_LED_4_PIN);
			DUTY = 0.01;
		}
		if (adc_value >= 0x1FF && adc_value <= 0x2FF)
		{
			DL_GPIO_clearPins(LED_PORT, LED_LED_1_PIN);
			DL_GPIO_setPins(LED_PORT, LED_LED_2_PIN);
			DL_GPIO_setPins(LED_PORT, LED_LED_3_PIN);
			DL_GPIO_setPins(LED_PORT, LED_LED_4_PIN);
			DUTY = 0.02;
		}
		if (adc_value > 0x2FF && adc_value <= 0x3ff)
		{
			DL_GPIO_clearPins(LED_PORT, LED_LED_1_PIN);
			DL_GPIO_clearPins(LED_PORT, LED_LED_2_PIN);
			DL_GPIO_setPins(LED_PORT, LED_LED_3_PIN);
			DL_GPIO_setPins(LED_PORT, LED_LED_4_PIN);
			DUTY = 0.03;
		}
		if (adc_value > 0x3ff && adc_value <= 0x4FF)
		{
			DL_GPIO_clearPins(LED_PORT, LED_LED_1_PIN);
			DL_GPIO_clearPins(LED_PORT, LED_LED_2_PIN);
			DL_GPIO_clearPins(LED_PORT, LED_LED_3_PIN);
			DL_GPIO_setPins(LED_PORT, LED_LED_4_PIN);
			DUTY = 0.04;
		}
		if (adc_value > 0x4ff && adc_value <= 0xFFF)
		{
			DL_GPIO_clearPins(LED_PORT, LED_LED_1_PIN);
			DL_GPIO_clearPins(LED_PORT, LED_LED_2_PIN);
			DL_GPIO_clearPins(LED_PORT, LED_LED_3_PIN);
			DL_GPIO_clearPins(LED_PORT, LED_LED_4_PIN);
			DUTY = 0.05;
		}
		adc_flag = false;
		
		//开启ADC转换,需要重复开启
		DL_ADC12_startConversion(ADC12_0_INST);
		//使能ADC,否则ADC只能转换一次
		DL_ADC12_enableConversions(ADC12_0_INST);
	}	
	}

值得提醒的点是务必记得手动重复开启，否则无法自动连续采集。

5.4 定时器的中断服务函数

void TIMER_0_INST_IRQHandler(void)
{
	static unsigned long int Counter;
    switch( DL_TimerG_getPendingInterrupt(TIMER_0_INST) )
    {
        case DL_TIMER_IIDX_ZERO:
		if(Count_Flag == 1)
		{		
					Counter++;		
				}
		if(Counter >= 5)
		{
			Counter = 0;
			Count_Flag = 0;
		}
            break;
        default:
            break;
    }
}

void ADC12_0_INST_IRQHandler(void)
{
    switch(DL_ADC12_getPendingInterrupt(ADC12_0_INST))
    {   
        //MEM0装载数据
        case DL_ADC12_IIDX_MEM0_RESULT_LOADED:
            adc_flag = true;
            break;
        default:
            break;
    }
}

这里涉及到了两部分，第一部分为独立发声方面工作，控制确保无源蜂鸣器工作500ms后关闭；

第二部分为ADC采集方面工作，确保其能稳定运行。

5.5 主函数

int main(void)
{
    SYSCFG_DL_init(); // Initialize the device
    OLED_Init();
    OLED_Clear();

	//清除定时器中断标志
	NVIC_ClearPendingIRQ(TIMER_0_INST_INT_IRQN);
    //使能定时器中断
    NVIC_EnableIRQ(TIMER_0_INST_INT_IRQN);
	
		//使能ADC中断
	NVIC_EnableIRQ(ADC12_0_INST_INT_IRQN);      
    //开启ADC转换,需要重复开启
    DL_ADC12_startConversion(ADC12_0_INST);

    while(1)
    {
        key_value = getKeyValue();	
				FLAG();
				getADC_value();
				Set_Pwm(DUTY,1);

	       if(key_value != 0)
        {
            OLED_ShowNum(2, 3, (unsigned int)key_value, 2, 16);
						switch(key_value)
						{
							case 1:		Set_Freq(M1);	break;
							case 2:		Set_Freq(M2);	break;
							case 3:		Set_Freq(M3);	break;
							case 4:		Set_Freq(M4);	break;
							case 5:		Set_Freq(M5);	break;
							case 6:		Set_Freq(M6);	break;
							case 7:		Set_Freq(M7);	break;
							case 8:		Set_Freq(H1);	break;
							case 9:		Set_Freq(H2);	break;
							case 10:	Set_Freq(H3);	break;
							case 11:	Set_Freq(H4);	break;
							case 12:	Set_Freq(H5);	break;
							case 13:	Set_Freq(H6);	break;
							case 14:	Set_Freq(H7);	break;
							case 15:	Mode_Flag = 0;	break;
							case 16:	Mode_Flag = 1;	break;
						}
			Count_Flag = 1;
        }
    }
}

较为基础，初设置各部件初始化外，主要负责实现了按键功能。

6 遇到的主要难题及解决方法

面对新上手的开发板以及底板众多引脚和外设以及全新的Sysconfig一度使得困难陡增，但沉心研究项目例程后才悟出通点。
采用中断实现矩阵键盘时会导致蜂鸣器的工作不稳定，PWM波形失调，最后重新编写矩阵键盘模块才得以正常。
调节占空比但无法使得响度大小发生差异，这是因为响度大小对于脉冲宽度是呈指数变化的，只有当占空比在10%以内时调节，人耳才能有较为明显的感知。
ADC采样后的数据处理起初间距设置的等分，导致想调节档位得拧很多下电位计，这与开发目的和使用习惯相违背了。

7 未来的计划或建议

该项目已经成功实现了音乐键盘以及电位计调节音量的功能，并达到了预期指标。然而通过更换硬件，还有许多可以提升与扩展的地方：

板上的OLED屏幕分辨率较低，无法显示信号细节与更多信息。可以使用分辨率更高的屏幕，或将波形信息直接发送给上位机，由上位机进行显示。
更换性能更强大的主控芯片，通过引脚复用复刻出真正全键盘的电子琴。
对频率以及占空比的控制还可以更加精细，如使用旋转编码器去调节音量，在手感上仍有提升余地。