Разработка музыкального звонка с двумя режимами работы: автономным и от сети (стр. 3 из 14)
2.5 Разработка алгоритма работы устройства
Для начала нам нужно придумать, как мы будем хранить мелодии в памяти. Для того, чтобы в памяти можно было что-либо хранить, нужно сначала это что-то каким-либо способом закодировать. Любая мелодия состоит из нот. Каждая нота имеет свой тон (частоту) и длительность звучания. Для того, чтобы закодировать тон ноты, можно просто все ноты пронумеровать по порядку. Удобнее нумеровать, начиная с самого низкого тона.
Известно, что весь музыкальный ряд делится на октавы.В современном музыкальном ряду каждая октава делится на 12 нот. Семь основных нот и пять дополнительных.
Деление на основные и дополнительные ноты сложилось исторически. В настоящее время используется музыкальный строй, в котором все 12 нот одной октавы равнозначны. Частоты любых двух соседних нот отличаются друг от друга в одинаковое количество раз. При этом частоты одноименных нот в двух соседних октавах отличаются ровно в два раза.
Для нас же важно то, что коды всем этим нотам мы должны присваивать в порядке возрастания частоты. Начнем мы с ноты «До» первой октавы. Для электромузыкального звонка более низкие ноты не нужны. В таблице 2.1показаны коды для всей первой октавы. Следующая, вторая октава продолжает первую и по кодировке, и по набору частот. Так нота «До» второй октавы будет иметь код 13, а частоту f12= fo∙ 2. А нота «Ре» второй октавы будет иметь код 14 и частоту f13=f1 ∙ 2. И так далее.
Музыкальная длительность тоже легко кодируется. В музыке применяют не произвольную длительность, а длительность, выраженную долями от целой (см. таблицу 2.2).В зависимости от темпа реальная длительность целой ноты меняется. Для сохранения мелодии необходимо соблюдать лишь соотношения между длительностями. Поэтому нам необходимо закодировать лишь семь вариантов длительности. Присвоим им коды от 0 до 6. Например так, как это показано в графе «Код» таблицы 2.2.Назначение графы «Коэффициент деления» мы пока опустим.
Таблица 2.1-Кодировка нот первой октавы
| Код | Нота | Частота | Код | Нота | Частота |
| 1 | До | fo | 7 | Фа# | f6=f5/K |
| 2 | До# | f1=fo/K | 8 | Соль | f7=f6/K |
| 3 | Ре | f2=f1/K | 9 | Соль* | f8=f7/K |
| 4 | Ре# | f3=f2/K | 10 | Ля | f9=f8/K |
| 5 | Ми | f4=f3/K | 11 | Ля# | f10=f9/K |
| 6 | Фа | f5=f4/K | 12 | Си | f11=f10/K |
Для справки:
Таблица 2.2 - Кодирование музыкальных длительностей
| Код | Длительность | Коэффициент деления |
| 0 | 1 (целая) | 64 |
| 1 | 1/2(половинная) | 128 |
| 2 | 1/4 (четверть) | 256 |
| 3 | 1/8 (восьмая) | 512 |
| 4 | 1/16 (шестнадцатая) | 1024 |
| 5 | 1/32 (тридцать вторая) | 2048 |
| 6 | 1/64 (шестьдесят четвертая) | 4096 |
Кроме нот, любая мелодия обязательно содержит музыкальные паузы.
Определение. Паузы— это промежутки времени, когда ни один звук не звучит. Длительность музыкальных пауз принимает точно такие же значения, как и длительность нот.
В связи с этим удобно представить паузу как еще одну ноту. Ноту без звука. Такой ноте логично присвоить нулевой код.
Кодируем мелодии.
Для экономии памяти удобнее каждую нотукодировать одним байтом. Договоримся, что три старших бита мы будем использовать для кодирования длительности ноты, а оставшиеся пять битов — для кодирования ее тона. Пятью битами можно закодировать до 32 разных нот, что вполне хватит для электромузыкального звонка.
Итак, если использовать приведенный выше способ кодирования, то код ноты ля первой октавы длительностью 1/4 в двоичном виде будет равен:
Теперь мы можем приступать к кодированию мелодий.Для того, чтобы закодировать мелодию, нам нужна ее нотная запись.Используя нотную запись, мы должны присвоить каждой ноте и каждой музыкальной паузе свой код.
Цепочка таких кодов и будет представлять собой закодированную мелодию. По условиям задачи наш электромузыкальный звонок должен уметь воспроизводить семь разных мелодий. Коды всех семи мелодий мы разместим в программной памяти микроконтроллера.
Как определить конец каждой мелодии?Для того, чтобы компьютер знал, где заканчивается каждая мелодия, используем код 255 в качестве признака конца.
Теперь нам нужно придумать, как микроконтроллер будет находить начало каждой мелодии. Все мелодии имеют разную длину, а в памяти они будут записаны одна за другой. Поэтому адрес начала каждой мелодии зависит от длины всех предыдущих. Удобнее всего просто по факту определить адрес начала каждой мелодии и поместить все семь адресов в специальную таблицу.
Кроме этой таблицы нам еще понадобится таблица коэффициентов деления для всех 32 нот и таблица, хранящая константы задержки для всех используемых нами музыкальных длительностей.
Алгоритм работы электромузыкального звонка (Рисунок 2.5):
1. Просканировать и определить номер нажатой кнопки.
2. Извлечь из таблицы начал мелодий значение элемента, номер которого соответствует только что определенному номеру нажатой кнопки. Это значение будет равно адресу в программной памяти, где начинается нужная нам мелодия.
3. Начать цикл воспроизведения мелодии. Для этого поочередно извлекать коды нот из памяти, начиная с адреса, который мы определили в пункте 2 алгоритма.
4. Каждый код ноты разложить на код тона и код длительности.
5. Если код тона равен нулю, отключить звук и перейти к формированию задержки (к п. 9 настоящего алгоритма).
6. Если код тона не равен нулю, извлечь из таблицы коэффициентов деления значение элемента с номером, равным коду тона.
7. Записать коэффициент деления, который мы нашли в пункте 6 настоящего алгоритма, в регистр совпадения таймера Т1.
8. Включить звук (подключить вывод ОС1А к выходу таймера Т1).
9. Извлечь из таблицы длительностей задержки значение элемента с номером, равным коду длительности.
10. Сформировать паузу с использованием константы задержки, которую мы нашли в пункте 9 настоящего алгоритма.
11. По окончании паузы выключить звук (отключить ОС1А от выхода таймера).
12. Повторять цикл (пункты 4—11 настоящего алгоритма) до тех пор, пока нажата соответствующая кнопка.
13. Если очередной код ноты окажется равным 255, перейти к началу текущей мелодии, то есть вернуться к п. 3 настоящего алгоритма
 |
Рисунок 2.5 – Алгоритм прогаммы для электромузыкального звонка
2.6 Разработка программного обеспечения микроконтроллера
Возможный вариант программы на языке Ассемблер приведен в листинге 1 (См. Приложение А).
2.6.1 Описание программы
Описание программы удобнее начать с конца. Начиная со строки 136 программы располагается описание так называемых таблиц данных. На самом деле каждая из этих "таблиц" представляет собой цепочку кодов, записываемых в программную память микроконтроллера и предназначенных для кодирования того либо иного вида данных. Для описания этих данных используются как операторы db, так и операторы dw.
Первая таблица содержит коэффициенты задержки для формирования всех вариантов музыкальной длительности. Таблица начинается с адреса, соответствующего метке tabz. Вся таблица занимает одну строкупрограммы (строка 136).Так как в нашей программе мы будем применять лишь семь вариантов длительности, таблица имеет 7 элементов. Каждый элемент записывается в память как двухбайтовое слово.
В строках 137—140описывается таблица коэффициентов деления для всех нот. Начало таблицы соответствует метке tabkd. Каждый элемент этой таблицы также имеет размер в два байта. Первый элемент таблицы равен нулю. Это неиспользуемый элемент. Ноты номер ноль у нас не существует. Ноль мы использовали для кодирования паузы.
В паузе не формируется звуковой сигнал, поэтому и коэффициент деления там не имеет смысла. Поэтому значение нулевого элемента массива несущественно. Описание таблицы разбито на строки. Для удобства каждая строка описывает коэффициенты деления для одной октавы. Нулевая нота выделена в отдельную строку. Последняя октава неполная, так как наш электромузыкальный звонок будет использовать всего 32 ноты.
В строках 143—200описана таблица мелодий.Вернее, это не одна таблица, а семь таблиц (своя таблица для каждой из мелодий). Каждая таблица помечена своей отдельной меткой (те 11, те 12 — те 17). Значение каждой метки — это адрес начала соответствующей мелодии. Каждое значение таблицы мелодий записывается в память в виде одного байта. Поэтому все строки, кроме последней, для каждой таблицы имеют четное число значений.
В строках 141,142 описана таблица начал всех мелодий.Начало этой таблицы отмечено меткой tabm. Таблица используется для того, чтобы программа могла найти адрес начала нужной мелодии по ее номеру. В качестве элементов массива выступают удвоенные значения меток mell,mel2 —mel7. Применение удвоенных значений обусловлено необходимостью перевода адресов из основной адресации в альтернативную. При трансляции программы вместо меток в память будут записаны конкретные адреса.
2.6.2 Процедура вычисления адреса
Большое количество таблиц в нашей программе заставляет позаботиться о процедуре вычисления адреса.