2019年08月27日 | 【STM32H7教程】第20章 STM32H7的GPIO应用之无源蜂鸣器

20.1 初学者重要提示

学习本章节前，务必保证已经学习了第13，14和15章。

注意有源蜂鸣器和无源蜂鸣器的区别，本章教程的17.2.1小节有专门说明。

开发板是采用的有源蜂鸣器，需要PWM驱动，而截至本章节还没有讲到PWM，会在34章节专门为大家讲解，程序中是通过一个宏定义控制使能和关闭，所以对于初学者来说，当前阶段仅需了解到使能和关闭方法即可，后面学习到PWM章节了，再深入了解。

无源蜂鸣器的控制采用的非阻塞方式，实际项目中比较实用。

20.2 蜂鸣器硬件设计

蜂鸣器的硬件设计如下：

通过这个硬件设计，有如下两点需要学习：

20.2.1 蜂鸣器分类

蜂鸣器主要有电磁式和电压式两种，而且都有无源蜂鸣器和有源蜂鸣器两类。开发板使用的是电磁式有源蜂鸣器，而有源和无源的区别是有源蜂鸣器内部自带振荡器，给个电压就能发声，但频率是固定的，只能发出一种声音，而无源蜂鸣器频率可控，给个方波才可以发声，并且根据不同频率发出不同的声音效果。

 拓展知识

关于有源蜂鸣器和无源蜂鸣器区别：

http://forum.armfly.com/forum.php?mod=viewthread&tid=89764 。

20.2.2 硬件设计

关于硬件驱动，这里主要有三点需要大家认识到：

  S8050TL1是NPN型三极管，这里是当开关使用，PA8输出高电平的时候三极管导通，输出低电平，三极管关闭。

  电阻R70起到限流的作用。

  电阻R47在这里有特别的作用，首先要普及一个知识点，这里使用的是电磁式蜂鸣器，属于感性负载，切断这种负载必须要注意，如果电流消失，电感两端的电压将急剧上升，这种感应冲击足以损坏逻辑门电路或者其它形式的负载驱动电路，为了保护这个电路，可以用一个二极管或者电阻吸收感应冲击。

 拓展知识

STM32H7的GPIO控制三极管驱动各种负载的安全措施和注意事项：

http://forum.armfly.com/forum.php?mod=viewthread&tid=89776 。

20.3 蜂鸣器软件驱动设计

软件驱动对有源蜂鸣器和无源蜂鸣器都做了支持，默认情况下用的是有源蜂鸣器。我们使用蜂鸣器的话，大部分情况下可以配置鸣叫次数、鸣叫的时间和停止的时间。本驱动设计就是基于这种应用方式实现，基本可以满足大部分应用情况。

设计这个软件驱动的关键之处是如何避免采用阻塞式的实现方式，比如要实现鸣叫1秒，停止1秒，循环5次，如果是阻塞方式等待1秒执行完毕，那就时间太长了。鉴于这种情况，程序里面实现了一种非阻塞的方式，通过滴答定时器中断每10ms调用一次蜂鸣器处理函数来实现鸣叫次数、鸣叫的时间和停止的时间的更新。

20.4 蜂鸣器板级支持包（bsp_beep.c）

蜂鸣器驱动文件bsp_beep.c主要实现了如下几个API：

  BEEP_InitHard

  BEEP_Start

  BEEP_Stop

  BEEP_Pause

  BEEP_Resume

  BEEP_KeyTone

  BEEP_Pro

这里我们重点讲解函数BEEP_InitHard、BEEP_Sart和BEEP_Pro。

函数BEEP_Stop、BEEP_Pause和BEEP_Resume测试效果不够好，推荐直接使用BEEP_Sart即可，设置鸣叫时间、停止鸣叫时间和循环次数。而BEEP_KeyTone是基于BEEP_Start实现的，直接调用的BEEP_Start(5, 1, 1);       /* 鸣叫50ms，停10ms， 1次 */

20.4.1 宏定义设置

此文件的开头有一个宏定义选择，用户可以选择使用有源蜂鸣器或者无源蜂鸣器。

//#define BEEP_HAVE_POWER /* 定义此行表示有源蜂鸣器，直接通过GPIO驱动, 无需PWM */

#ifdef BEEP_HAVE_POWER /* 有源蜂鸣器 */

/* PA8 */

#define GPIO_RCC_BEEP   RCC_AHB1Periph_GPIOA

#define GPIO_PORT_BEEP GPIOA

#define GPIO_PIN_BEEP GPIO_Pin_8

#define BEEP_ENABLE() GPIO_PORT_BEEP->BSRRL = GPIO_PIN_BEEP /* 使能蜂鸣器鸣叫 */

#define BEEP_DISABLE() GPIO_PORT_BEEP->BSRRH = GPIO_PIN_BEEP /* 禁止蜂鸣器鸣叫 */

#else /* 无源蜂鸣器 */

/* PA8 ---> TIM1_CH1 */

/* 1500表示频率1.5KHz，5000表示50.00%的占空比 */

#define BEEP_ENABLE() bsp_SetTIMOutPWM(GPIOA, GPIO_Pin_8, TIM1, 1, 1500, 5000);

/* 禁止蜂鸣器鸣叫 */

#define BEEP_DISABLE() bsp_SetTIMOutPWM(GPIOA, GPIO_Pin_8, TIM1, 1, 1500, 0);

#endif

  使能了宏定义BEEP_HAVE_POWER就可以选择使用有源蜂鸣器，默认是无源的。

  使用无源蜂鸣器时，需要用到定时器的PWM功能，这个功能会在34章节专门讲解，这里仅需只知道配置了一个PWM来驱动蜂鸣器即可。

20.4.2 蜂鸣器结构体变量

为了方便蜂鸣器的控制，专门封装了一个结构体变量：

typedef struct _BEEP_T

{

uint8_t ucEnalbe;

uint8_t ucState;

uint16_t usBeepTime;

uint16_t usStopTime;

uint16_t usCycle;

uint16_t usCount;

uint16_t usCycleCount;

uint8_t ucMute;

}BEEP_T;

  成员ucEnalbe：用于使能或者禁止蜂鸣器。

  成员ucState：状态变量，用于蜂鸣器鸣叫和停止的区分。

  成员usBeepTime：鸣叫时间，单位10ms。

  成员usStopTime：停止鸣叫时间，单位10ms。

  成员usCycle：鸣叫和停止的循环次数。

  成员usCount：用于鸣叫和停止时的计数。

  成员usCycleCount：用于循环次数计数。

  成员ucMute：用于静音。

20.4.3 函数BEEP_InitHard

函数原型：

/*

*********************************************************************************************************

* 函 数 名: BEEP_InitHard

* 功能说明: 初始化蜂鸣器硬件

* 形    参: 无

* 返 回 值: 无

*********************************************************************************************************

*/

void BEEP_InitHard(void)

{

#ifdef BEEP_HAVE_POWER /* 有源蜂鸣器 */

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

/* 打开GPIOF的时钟 */

RCC_AHB1PeriphClockCmd(GPIO_RCC_BEEP, ENABLE);

BEEP_DISABLE();

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT; /* 设为输出口 */

GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP; /* 设为推挽模式 */

GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL; /* 上下拉电阻不使能 */

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; /* IO口最大速度 */

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_PIN_BEEP;

GPIO_Init(GPIO_PORT_BEEP, &GPIO_InitStructure);

#endif

g_tBeep.ucMute = 0; /* 关闭静音 */

}

函数描述：

此函数主要用于蜂鸣器的初始化，代码比较好理解。条件编译实现了一个无源蜂鸣器的初始化，配置引脚为推挽输出模式。由于V7开发板使用的无源蜂鸣器，所有没有开启宏定义BEEP_HAVE_POWER。

使用举例：

底层驱动初始化直接在bsp.c文件的函数bsp_Init里面调用即可。

20.4.4 函数BEEP_Start

函数原型：

/*

*********************************************************************************************************

* 函 数 名: BEEP_Start

* 功能说明: 启动蜂鸣音。

* 形    参: _usBeepTime : 蜂鸣时间，单位10ms; 0 表示不鸣叫

*   _usStopTime : 停止时间，单位10ms; 0 表示持续鸣叫

*   _usCycle : 鸣叫次数， 0 表示持续鸣叫

* 返 回 值: 无

*********************************************************************************************************

*/

void BEEP_Start(uint16_t _usBeepTime, uint16_t _usStopTime, uint16_t _usCycle)

{

if (_usBeepTime == 0 || g_tBeep.ucMute == 1)

{

return;

}

g_tBeep.usBeepTime = _usBeepTime;

g_tBeep.usStopTime = _usStopTime;

g_tBeep.usCycle = _usCycle;

g_tBeep.usCount = 0;

g_tBeep.usCycleCount = 0;

g_tBeep.ucState = 0;

g_tBeep.ucEnalbe = 1; /* 设置完全局参数后再使能发声标志 */

BEEP_ENABLE(); /* 开始发声 */

}

函数描述：

此函数主要用于蜂鸣器的初始化，代码比较好理解。条件编译实现了一个无源蜂鸣器的初始化，配置引脚为推挽输出模式。由于V7开发板使用的无源蜂鸣器，所有没有开启宏定义BEEP_HAVE_POWER。

函数参数：

  第1个参数_usBeepTime用于设置蜂鸣时间，单位10ms，配置为0 表示不鸣叫。

  第2个参数_usStopTime用于设置蜂鸣时间，单位10ms，配置为0 表示不鸣叫。

  第3个参数_ _usCycle用于鸣叫次数，配置为0 表示持续鸣叫。

使用举例：

调用此函数前，务必优先调用函数BEEP_InitHard进行初始化。比如要实现鸣叫50ms，停10ms， 1次，就是BEEP_Start(5, 1, 1)；

20.4.5 函数BEEP_Pro

函数原型：

/*

*********************************************************************************************************

* 函 数 名: BEEP_Pro

* 功能说明: 每隔10ms调用1次该函数，用于控制蜂鸣器发声。该函数在 bsp_timer.c 中被调用。

* 形    参: 无

* 返 回 值: 无

*********************************************************************************************************

*/

void BEEP_Pro(void)

{

if ((g_tBeep.ucEnalbe == 0) || (g_tBeep.usStopTime == 0) || (g_tBeep.ucMute == 1))

{

return;

}

if (g_tBeep.ucState == 0)

{

if (g_tBeep.usStopTime > 0) /* 间断发声 */

{

if (++g_tBeep.usCount >= g_tBeep.usBeepTime)

{

BEEP_DISABLE(); /* 停止发声 */

g_tBeep.usCount = 0;

g_tBeep.ucState = 1;

}

}

else

{

; /* 不做任何处理，连续发声 */

}

}

else if (g_tBeep.ucState == 1)

{

if (++g_tBeep.usCount >= g_tBeep.usStopTime)

{

/* 连续发声时，直到调用stop停止为止 */

if (g_tBeep.usCycle > 0)

{

if (++g_tBeep.usCycleCount >= g_tBeep.usCycle)

{

/* 循环次数到，停止发声 */

g_tBeep.ucEnalbe = 0;

}

if (g_tBeep.ucEnalbe == 0)

{

g_tBeep.usStopTime = 0;

return;

}

}

g_tBeep.usCount = 0;

g_tBeep.ucState = 0;

BEEP_ENABLE(); /* 开始发声 */

}

}

}

函数描述：

此函数是蜂鸣器的主处理函数，用于实现鸣叫时间、停止鸣叫时间和循环次数的处理。

使用举例：

调用此函数前，务必优先调用函数BEEP_InitHard进行初始化。

另外，此函数需要周期性调用，每10ms调用一次。

  如果是裸机使用，将此函数放在bsp.c文件的bsp_RunPer10ms函数里面即可，这个函数是由滴答定时器调用的，也就是说，大家要使用蜂鸣器，定时器的初始化函数bsp_InitTimer一定要调用。

  如果是RTOS使用，需要开启一个10ms为周期的任务调用函数BEEP_Pro。

20.5 蜂鸣器驱动移植和使用

按键移植步骤如下：

  第1步：复制bsp_beep.c，bsp_beep.h，bsp_tim_pwm.c和bsp_tim_pwm.h到自己的工程目录，并添加到工程里面。

  第2步：根据自己使用的蜂鸣器驱动引脚和频率，修改下面的宏定义即可

#ifdef BEEP_HAVE_POWER /* 有源蜂鸣器 */

/* PA8 */

#define GPIO_RCC_BEEP   RCC_AHB1Periph_GPIOA

#define GPIO_PORT_BEEP GPIOA

#define GPIO_PIN_BEEP GPIO_PIN_8

#define BEEP_ENABLE() GPIO_PORT_BEEP->BSRRL = GPIO_PIN_BEEP /* 使能蜂鸣器鸣叫 */

#define BEEP_DISABLE() GPIO_PORT_BEEP->BSRRH = GPIO_PIN_BEEP /* 禁止蜂鸣器鸣叫 */

#else /* 无源蜂鸣器 */

/* PA0 ---> TIM5_CH1 */

/* 1500表示频率1.5KHz，5000表示50.00%的占空比 */

#define BEEP_ENABLE() bsp_SetTIMOutPWM(GPIOA, GPIO_PIN_0, TIM5, 1, 1500, 5000);

/* 禁止蜂鸣器鸣叫 */

#define BEEP_DISABLE() bsp_SetTIMOutPWM(GPIOA, GPIO_PIN_0, TIM5, 1, 1500, 0);

#endif

  第3步：这几个驱动文件主要用到HAL库的GPIO和TIM驱动文件，简单省事些可以添加所有HAL库.C源文件进来。

  第4步，应用方法看本章节配套例子即可。

特别注意，别忘了每10ms调用一次按键检测函数BEEP_Pro()。

20.6 实验例程设计框架

通过程序设计框架，让大家先对配套例程有一个全面的认识，然后再理解细节，本次实验例程的设计框架如下：

 1、 第1阶段，上电启动阶段：

这部分在第14章进行了详细说明。

 2、 第2阶段，进入main函数：

  第1部分，硬件初始化，主要是MPU，Cache，HAL库，系统时钟，滴答定时器，蜂鸣器等。

  第2部分，应用程序设计部分，实现了一个蜂鸣器应用。

  第3部分，蜂鸣器程序每10ms在滴答定时中断执行一次。

20.7 实验例程说明（MDK）

配套例子：

V7-003_无源蜂鸣器

实验目的：

学习无源蜂鸣器的控制实现。

实验内容：

启动一个自动重装软件定时器，每100ms翻转一次LED2。

实验操作：

K1键按下，按键提示音(固定频率1.5KHz)。

K2键按下，急促鸣叫10次。

K3键按下，长鸣3次。

上电后串口打印的信息：

波特率 115200，数据位 8，奇偶校验位无，停止位 1

程序设计：

  系统栈大小分配：

  RAM空间用的DTCM：

  硬件外设初始化

硬件外设的初始化是在 bsp.c 文件实现：

/*

*********************************************************************************************************

* 函 数 名: bsp_Init

* 功能说明: 初始化所有的硬件设备。该函数配置CPU寄存器和外设的寄存器并初始化一些全局变量。只需要调用一次

* 形    参：无

* 返 回 值: 无

*********************************************************************************************************

*/

void bsp_Init(void)

{

    /* 配置MPU */

MPU_Config();

/* 使能L1 Cache */

CPU_CACHE_Enable();

/* 

       STM32H7xx HAL 库初始化，此时系统用的还是H7自带的64MHz，HSI时钟:

   - 调用函数HAL_InitTick，初始化滴答时钟中断1ms。

   - 设置NVIV优先级分组为4。

*/

HAL_Init();

/* 

       配置系统时钟到400MHz

       - 切换使用HSE。

       - 此函数会更新全局变量SystemCoreClock，并重新配置HAL_InitTick。

    */

SystemClock_Config();

/* 

   Event Recorder：

   - 可用于代码执行时间测量，MDK5.25及其以上版本才支持，IAR不支持。

   - 默认不开启，如果要使能此选项，务必看V7开发板用户手册第xx章

*/

#if Enable_EventRecorder == 1  

/* 初始化EventRecorder并开启 */

EventRecorderInitialize(EventRecordAll, 1U);

EventRecorderStart();

#endif

bsp_InitKey();    /* 按键初始化，要放在滴答定时器之前，因为按钮检测是通过滴答定时器扫描 */

bsp_InitTimer();  /* 初始化滴答定时器 */

bsp_InitUart(); /* 初始化串口 */

bsp_InitExtIO(); /* 初始化FMC总线74HC574扩展IO. 必须在 bsp_InitLed()前执行 */

bsp_InitLed();    /* 初始化LED */

BEEP_InitHard();   /* 初始化蜂鸣器 */

}

  MPU配置和Cache配置：

数据Cache和指令Cache都开启。配置了AXI SRAM区（本例子未用到AXI SRAM）和FMC的扩展IO区。

/*

*********************************************************************************************************

* 函 数 名: MPU_Config

* 功能说明: 配置MPU

* 形    参: 无

* 返 回 值: 无

*********************************************************************************************************

*/

static void MPU_Config( void )

{

MPU_Region_InitTypeDef MPU_InitStruct;

/* 禁止 MPU */

HAL_MPU_Disable();

/* 配置AXI SRAM的MPU属性为Write back, Read allocate，Write allocate */

MPU_InitStruct.Enable           = MPU_REGION_ENABLE;

MPU_InitStruct.BaseAddress      = 0x24000000;

MPU_InitStruct.Size             = MPU_REGION_SIZE_512KB;

MPU_InitStruct.AccessPermission = MPU_REGION_FULL_ACCESS;

MPU_InitStruct.IsBufferable     = MPU_ACCESS_BUFFERABLE;