RP2350B 核心板蜂鸣器音乐播放系统项目总结报告

一、项目介绍

本项目基于RP2350B 核心板，通过 PWM（脉冲宽度调制）技术实现不同音调的生成，并驱动板载蜂鸣器输出音乐。项目实现了三首经典曲目的播放功能，包括《两只老虎》《小星星》和《生日快乐歌》，用户可通过核心板上的按键进行曲目切换、音量调节、播放控制以及系统锁定 / 解锁操作。同时，通过 OLED 显示屏实时显示当前播放曲目的汉字名称，提升了人机交互体验。

本项目的核心目标是将数字信号处理与硬件控制相结合，通过编程实现音频信号的生成与输出，验证PWM 技术在音频领域的应用，并实现完整的交互式音乐播放系统。项目的完成不仅展示了 RP2350B 核心板的强大性能，也为嵌入式系统在多媒体领域的应用提供了实践案例。

二、使用到的硬件介绍

1. RP2350B 核心板

· 芯片特性：采用双核ARM Cortex-M33 处理器，工作频率最高可达 133MHz，集成 2MB Flash 和 256KB SRAM，支持丰富的外设接口。

· 关键功能：提供PWM 输出通道、ADC 输入接口、SPI 通信接口等，为本项目的音频生成、按键检测和 OLED 显示提供硬件支持。

2. 蜂鸣器

· 类型：电磁式蜂鸣器，工作电压0-3.3v。

· 连接方式：通过GPIO 引脚（GP20）连接至核心板，由 PWM 信号驱动发声。

· 作用：将电信号转换为声音信号，输出不同音调的音频。

3. OLED 显示屏（SSD1306）

· 显示参数：128×32 像素，单色 OLED，支持 SPI 通信。

· 接口配置：通过GP44（MOSI）、GP45（SCK）、GP41（CS）、GP42（DC）、GP43（RESET）引脚与核心板连接。

· 功能：实时显示当前播放曲目的汉字名称、系统状态（锁定/ 解锁）和音量等级。

4. 按键输入模块

· 数量：4 个模拟按键，通过 ADC 引脚（GP47）检测不同按键状态。

· 功能：

· 按键1（55000-58000 ADC 值）：切换播放曲目

· 按键2（51000-54000 ADC 值）：调节音量（低 / 中 / 高）

· 按键3（44000-47000 ADC 值）：播放当前选中曲目

· 按键4（29000-32000 ADC 值）：锁定 / 解锁系统

5. 模拟 SPI 模块

· 实现方式：通过软件模拟SPI 通信协议，使用 GPIO 引脚模拟时钟（SCK）和数据（MOSI）信号。

· 作用：与OLED 显示屏通信，传输显示数据和控制指令。

三、方案框图和项目设计思路介绍

1. 方案框图

2. 项目设计思路

（1）整体架构设计

项目采用模块化设计思想，将系统分为以下几个功能模块：

· PWM 音频生成模块：负责产生不同频率的PWM 信号，对应不同音调

· 按键检测模块：通过ADC 读取按键状态，实现按键消抖和功能识别

· OLED 显示模块：处理汉字点阵数据，在屏幕上显示曲目名称和状态

· 音乐播放控制模块：管理曲目切换、音量调节和播放逻辑

（2）关键技术实现思路

· PWM 音调控制：通过设置PWM 输出的频率来生成不同音调，例如 C4（261Hz）、D4（293Hz）等，频率计算公式为：frequency = 1 / period，其中period 为信号周期。

· 按键消抖：采用软件延时消抖方法，每次按键检测后延时100ms，避免抖动导致的误触发。

· 汉字显示：使用16×16 点阵字模，将汉字转换为二进制数据数组，通过 SPI 发送至 OLED 显示屏逐点绘制。

· 音量调节：通过调整PWM 信号的占空比实现音量控制，占空比越大，蜂鸣器发声幅度越大。

（3）交互逻辑设计

系统采用状态机设计思想，主要状态包括：

· 待机状态：显示当前曲目名称，等待按键输入

· 播放状态：按顺序播放当前曲目音符，同时检测按键操作

· 锁定状态：按键功能禁用，防止误操作，OLED 显示 "LOCK"

四、软件流程图和关键代码介绍

1. 软件流程图

2. 关键代码介绍

（1）PWM 音频生成与播放

# 蜂鸣器初始化
buzzer = pwmio.PWMOut(board.GP20, duty_cycle=0, frequency=440, variable_frequency=True)
# 播放单个音符def play_note(frequency, volume):
    if frequency > 0:
        buzzer.frequency = frequency  # 设置音调频率
        buzzer.duty_cycle = 2 ** volume  # 设置音量（占空比）
    time.sleep(NOTE_DURATION)  # 音符持续时间
    buzzer.duty_cycle = 0  # 停止播放
    time.sleep(0.05)  # 音符间隔
# 播放完整曲目def play_song(song):
    global pause, current_value, volume
    for note in song:
        if not pause:
            current_value = adc.value
            play_note(note, volume)  # 播放音符
            key_scan(current_value)  # 检测按键

代码解析：通过pwmio.PWMOut创建蜂鸣器控制对象，frequency参数控制音调，duty_cycle通过2 的幂次调节音量。play_note函数实现单个音符的播放，play_song函数按顺序播放曲目列表中的音符，同时检测按键状态。

（2）按键检测与消抖

def key_scan(current_value):
    global flag, pause, volume
    if 55000 <= current_value <= 58000:
        if not pause:
            flag += 1
            flag %= 3  # 循环切换3首曲目
    elif 51000 <= current_value <= 54000:
        if not pause:
            # 音量调节逻辑
            if volume == 5:
                volume = 7
            elif volume == 7:
                volume = 9
            elif volume == 9:
                volume = 5
    elif 44000 <= current_value <= 47000:
        if not pause:
            song = songs[flag]
            play_song(song)  # 播放当前曲目
    elif 29000 <= current_value <= 32000:
        pause = not pause  # 锁定/解锁切换
    time.sleep(0.1)  # 100ms延时消抖

代码解析：通过ADC 读取的电压值范围判断按下的按键，每个按键对应不同的 ADC 值区间。time.sleep(0.1)实现软件消抖，避免按键抖动导致的多次触发。锁定状态（pause=True）时，除按键4 外其他按键功能禁用。

（3）OLED 汉字显示

# 模拟SPI实现
class SoftSPI:
    def __init__(self, sck, mosi, miso=None):
        self.sck = digitalio.DigitalInOut(sck)
        self.mosi = digitalio.DigitalInOut(mosi)
        self.sck.direction = digitalio.Direction.OUTPUT
        self.mosi.direction = digitalio.Direction.OUTPUT
        
    def write(self, buffer):
        for byte in buffer:
            for i in [7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, 0]:
                self.sck.value = False
                self.mosi.value = (byte >> i) & 0x01
                self.sck.value = True
# 汉字显示函数
def display_chinese(oled, font_data, x, y):
    for i in range(16):
        byte1 = font_data[i * 2]
        byte2 = font_data[i * 2 + 1]
        for j in range(16):
            if j < 8:
                pixel = byte1 & (0x80 >> j)
            else:
                pixel = byte2 & (0x80 >> (j - 8))
            if pixel:
                oled.pixel(x + j, y + i, 1)
# 主显示函数
def show(flag):
    global pause, volume
    oled.fill(0)  # 清屏
    
    # 显示锁定/解锁状态
    if not pause:
        oled.text("UNLOCK", 85, 10, 1, size=1)
    else:
        oled.text("LOCK", 85, 10, 1, size=1)
        
    # 显示音量状态
    if volume == 5:
        oled.text("LOW", 85, 21, 1, size=1)
    elif volume == 7:
        oled.text("MID", 85, 21, 1, size=1)
    elif volume == 9:
        oled.text("HIGH", 85, 21, 1, size=1)
        
    # 显示曲目名称（汉字）
    if flag == 0:
        display_chinese(oled, FONT_LIANG, 0, 12)
        display_chinese(oled, FONT_ZHI, 20, 12)
        display_chinese(oled, FONT_LAO, 40, 12)
        display_chinese(oled, FONT_HU, 60, 12)  # 《两只老虎》
    elif flag == 1:
        display_chinese(oled, FONT_XIAO, 10, 12)
        display_chinese(oled, FONT_XING, 30, 12)
        display_chinese(oled, FONT_XING, 50, 12)  # 《小星星》
    elif flag == 2:
        display_chinese(oled, FONT_SHENG, 0, 12)
        display_chinese(oled, FONT_RI, 20, 12)
        display_chinese(oled, FONT_KUAI, 40, 12)
        display_chinese(oled, FONT_LE, 60, 12)  # 《生日快乐歌》
    oled.show()  # 刷新显示

代码解析：通过SoftSPI类软件模拟SPI 通信协议，实现与 OLED 显示屏的数据传输。display_chinese函数根据16×16 点阵字模数据逐点绘制汉字，show函数整合状态显示和曲目名称显示，实时更新OLED 内容。

五、实物功能展示图及说明

1. 硬件连接图片

2. 功能演示说明

（1）曲目切换功能

· 操作：按下按键1（ADC 值 55000-58000）

· 现象：OLED 显示曲目名称切换，依次为《两只老虎》《小星星》《生日快乐歌》

· 示例：切换至《小星星》时，OLED 显示 "小星星" 三个汉字

（2）音量调节功能

· 操作：按下按键2（ADC 值 51000-54000）

· 现象：音量在"LOW"（低）、"MID"（中）、"HIGH"（高）之间循环切换

· 效果：蜂鸣器发声幅度随音量等级变化，"HIGH" 状态声音最大

（3）音乐播放功能

· 操作：按下按键3（ADC 值 44000-47000）

· 现象：蜂鸣器播放当前选中曲目，OLED 保持显示曲目名称

· 示例：播放《生日快乐歌》时，蜂鸣器按旋律输出音符

（4）锁定 / 解锁功能

· 操作：按下按键4（ADC 值 29000-32000）

· 现象：OLED 右上角显示 "LOCK"（锁定）或 "UNLOCK"（解锁）

· 效果：锁定状态下，除按键4 外其他按键操作无效，防止误触

3. 显示效果图片

说明：

· 左侧显示曲目名称（汉字）：图中为《两只老虎》

· 右侧显示系统状态："UNLOCK"（解锁）和 "MID"（中等音量）

六、项目中遇到的难题和解决方法

1. 按键消抖问题

（1）难题描述

初始版本中未添加消抖处理，按键触发时经常出现多次响应，导致曲目频繁切换或音量快速变化，用户体验差。

（2）解决方法

在key_scan函数中添加time.sleep(0.1)延时，每次按键检测后等待100ms 再进行下一次检测，有效消除了机械按键的抖动影响。同时，在 ADC 值判断中设置合理的范围（如 55000-58000），避免电压波动导致的误识别。

2. OLED 汉字显示乱码

（1）难题描述

初次实现汉字显示时，屏幕出现乱码或部分像素错误，点阵数据传输不正确。

（2）解决方法

· 检查字模数据格式：确认16×16 点阵数据按行存储，每个汉字对应 32 字节（16 行 ×2 字节 / 行）

· 优化SPI 通信逻辑：在SoftSPI.write函数中，确保数据按位传输顺序正确（高位先行）

· 调整显示坐标：通过display_chinese函数的x、y参数校准汉字显示位置，避免重叠

3. 音量调节效果不明显

（1）难题描述

初始版本中通过直接设置duty_cycle值调节音量，但效果不明显，音量区间划分模糊。

（2）解决方法

采用2 的幂次计算占空比：buzzer.duty_cycle = 2 ** volume，其中volume取5、7、9 三个等级。该方法使音量变化呈指数级，符合人耳听觉特性，低音量和高音量差异明显，调节效果更直观。

4. 播放音乐时按键响应延迟

（1）难题描述

播放较长曲目时，按键响应存在明显延迟，尤其是在音符持续期间无法及时切换曲目。

（2）解决方法

在play_song函数中，每次播放音符后立即调用key_scan函数检测按键，确保在音乐播放过程中仍能实时响应按键操作。同时，优化音符间隔时间（time.sleep(0.05)），在不影响音乐流畅度的前提下提升交互响应速度。

七、对本次活动的心得体会

1. 技术收获

（1）PWM 技术的实际应用

通过本次项目，深入理解了PWM 在音频生成中的应用原理，掌握了通过调节频率控制音调、调节占空比控制音量的方法。实际操作中发现，不同蜂鸣器的频率响应特性存在差异，需要根据硬件特性调整参数以获得最佳音质。

（2）嵌入式系统交互设计

学习了如何在资源有限的嵌入式系统中实现人机交互功能，包括按键检测、状态显示和事件处理。特别是模拟按键通过ADC 检测的方式，相比数字按键更节省 IO 资源，但需要更复杂的阈值判断和消抖处理。

（3）汉字显示技术

掌握了OLED 显示屏的汉字显示原理，包括点阵字模的生成、SPI 通信协议的软件实现以及汉字绘制算法。理解了在嵌入式系统中处理字符显示时，需要考虑存储效率和显示效果的平衡。

2. 项目经验总结

（1）模块化设计的重要性

项目采用模块化设计，将功能划分为PWM 控制、按键检测、OLED 显示等独立模块，显著提高了代码的可读性和可维护性。在调试过程中，可针对单个模块进行测试，快速定位问题。

（2）硬件与软件的协同优化

项目中多次遇到硬件特性与软件设计不匹配的情况，如蜂鸣器驱动能力不足、ADC 采样精度影响按键检测等。解决这些问题需要同时调整硬件连接和软件算法，体现了嵌入式系统开发中软硬件协同优化的重要性。

（3）用户体验的考量

在功能实现的基础上，注重用户体验的优化，如音量调节的线性感、按键反馈的及时性、OLED 显示的清晰度等。这些细节优化虽然不影响核心功能，但能显著提升系统的易用性。

3. 对活动的建议

（1）硬件文档完善

建议提供更详细的RP2350B 核心板硬件手册，特别是外设接口的电气特性和推荐连接方式，帮助开发者更快掌握硬件设计。

（2）示例代码扩展

希望可以有示例代码，展示一部分功能演示，如软件spi配置、oled显示例程等，为开发者提供更全面的参考。

（3）技术支持优化

建议建立更便捷的技术支持渠道，如论坛专区或实时问答平台，方便开发者在项目中遇到问题时及时获取帮助。

（4）活动流程细化

在活动规则中，可进一步细化项目提交的格式要求，如视频拍摄角度、报告章节编排等，使参与者能更清晰地了解任务标准。

4. 未来改进方向

· 功能扩展：增加更多曲目存储，支持用户自定义曲目上传；添加SD 卡接口，实现音乐文件的读取播放。

· 交互优化：引入触摸屏或编码器，提升人机交互的便捷性；增加音效处理，如回声、颤音等效果。

· 性能提升：优化代码效率，降低CPU 占用率；实现休眠模式，减少系统功耗。

通过本次项目，不仅巩固了嵌入式系统开发的理论知识，也积累了丰富的实践经验。从硬件连接到软件编程，从功能实现到问题调试，每一个环节都带来了宝贵的学习机会，为今后的嵌入式项目开发奠定了坚实基础。