构建一款裸金属STM32音频合成器，从零开始将物理按键按下转化为动态实时的音频

时间：2026-07-15 15:39:58

关键字：扬声器音频合成器示波器 STM32

[导读]本项目展示了我们在固件编程方面的初步工作。我们开发该项目，旨在通过实践操作更好地理解课程中的概念和应用。我们的项目名为“电子音调发生器”，通过一个小扬声器产生不同的声音。按下不同的按钮或组合按键，系统会生成不同频率，从而发出各种音调。

本项目展示了我们在固件编程方面的初步工作。我们开发该项目，旨在通过实践操作更好地理解课程中的概念和应用。我们的项目名为“电子音调发生器”，通过一个小扬声器产生不同的声音。按下不同的按钮或组合按键，系统会生成不同频率，从而发出各种音调。

本项目的主要目标是帮助我们理解频率生成、声音产生以及数字电子学的基本原理。它展示了电子设备如何接收用户输入，通过微控制器(MCU)进行处理，并生成相应的输出。通过该项目，我们能够掌握固件与硬件在嵌入式系统中协同工作的实际知识。

工作原理

概念

在这个项目中，我们正在构建一个系统，它能从零开始生成音频，通过快速地将单个引脚切换为高电平和低电平，来推动并拉动扬声器锥体(从而产生方波)。

由于我们是在裸机上编程(没有操作系统)，我们的微控制器会持续运行一个循环，执行以下两项任务：

轮询：它会持续检查你是否在按任何按钮。

位敲击：当我们按下播放键时，会通过精确的微秒级延迟来开关扬声器引脚。这意味着我们无需使用任何DAC硬件，就能手动操控比特以生成音频。

当我们按下上下按钮时，只是在那微秒延迟的数学计算上进行更改。延迟时间越短，引脚切换速度越快(产生更高的音调);延迟时间越长，切换速度越慢(产生更低的音调)。

软件与硬件架构

在软件方面，项目中使用了以下功能。

update_buttons() 函数是本项目的主要核心。它会不断轮询按钮的输入，并在特定按钮被按下时执行相应操作。该函数会在一个无限循环中每次被调用。

以下是如何在后台实现 update_buttons() 的方式：

这个过程在我们的 main() 函数的 while(1) 循环中被无限循环调用。只有当按钮被按下时才会执行相关任务。如果未按下任何按钮，它会跳过上述任务，然后再次检查按钮。这种方法通过轮询按钮来检测用户输入。

在项目硬件方面，我们使用了以下电路图：

SW1、SW2 和 SW3 分别映射到 RT Spark 1 板的内部按钮。扬声器连接至 AUDIO_OUT 和 GND。对于按钮，其配置为低电平有效(ACTIVE LOW)按钮。上述电路图未显示上拉电阻，因为 STM32F407XX 微控制器已在代码配置中自动处理此功能。然而，上拉电阻仍然很重要，用于防止电压漂移。

硬件设置

本项目中的硬件部分包括制作一个8Ω 0.5W的扬声器模块，该模块内含一个330Ω电阻以限制电流，以及一个1μF、耐压16V的电容，用于阻断直流电流进入扬声器。

以下是本项目硬件所需组件：

此外，我之后会使用实心芯线来焊接所有元件。

下图展示了我们必须遵循的精确电路图。

电阻和电容必须连接在8Ω 0.5W扬声器的信号线上，然后扬声器的另一端必须连接到GND。

下图展示了我根据上方的电路图进行元件焊接的过程。

我们在焊接时确实犯了一个错误，把红色和黑色的实心导线搞反了。我们用黑色导线连接了扬声器的信号端，而用红色实心导线连接了扬声器的接地端。直到完全焊接好电路后才意识到这一点。不过这没关系，因为导线的颜色不会影响电流的流动，只要之后在RT Spark 1开发板上正确地将对应的导线接到正确的引脚上，设备应该仍然能正常工作。

软件设置

MCU 配置设置

要开始使用该软件，请打开 STM32CubeMX 程序，你应该会看到如下所示的界面。

•转到“文件”>“新建项目”以创建新项目

•之后，应该会弹出一个窗口，这就是项目创建界面。

•我们需要使用 RT Spark 1 的微控制器型号，即 STM32F407ZGT6。用该型号在 STM32CubeMX 软件中搜索并选择对应的 MCU。

•选定确切的MCU零件号后，点击“新建项目”窗口右上角的“开始项目”按钮。

•然后你应该会看到下面的屏幕，这表示STM32CubeMX项目已成功创建。

GPIO 配置

我们将首先配置本项目中需要使用的GPIO。

以下是我们本项目将使用的GPIO引脚列表：

•PA3 - 输出模式，用于驱动8Ω 0.5W扬声器的引脚，输出我们生成的音频信号。

•PC0 - 外部中断输入，带上拉电阻模式，该引脚物理连接在RT Spark 1的内置BUTTON_LEFT上，用于触发音调发生器函数的频率增加。

•PC1 - 外部中断输入，带上拉电阻模式，该引脚与RT Spark 1上的BUTTON_DOWN引脚物理连接，用于触发播放/暂停功能。

•PC4 - 外部中断输入，带上拉电阻模式，该引脚物理连接在RT Spark 1的内置BUTTON_RIGHT上，用于触发对音调发生器功能的频率降低。

首先将 PC0 配置为输入引脚。点击引脚 PC0，或在屏幕底部输入内容进行搜索。

从将显示的上下文菜单中选择 GPIO_Input。这会将 PC0 配置为读取 RT Spark 1 板上第一个按钮的按下信号，该按钮会触发音调发生器的“增加频率”功能。

•接下来，找到 PC1 引脚(通常在引脚图中位于 PC0 引脚旁边)，然后从弹出的上下文菜单中选择 GPIO_Input。

•此设置将RT Spark 1板上的第二个按钮配置为输入，用于触发音调发生器的播放/暂停功能。

•接下来，在引脚图中找到 PC4，然后点击并选择它，将其设置为 GPIO_Input。

•此设置将RT Spark 1板上的第三个按钮配置为输入，用于触发音调发生器的降低频率功能。

•接下来，找到引脚 PA3，并从弹出的上下文菜单中选择 GPIO_Output。

•此设置将 PA3 作为音调发生器的音频输出。

现在，从系统核心 > GPIO 进入 GPIO 配置面板。以下配置将用于本项目中使用的所有 GPIO。

下方图像显示了MCU中每个引脚所使用的详细GPIO配置：

现在，切换到项目管理器选项卡。在文本框中输入所需的项目名称以及项目位置。

之后，点击工具链/IDE设置，并从下拉菜单中选择STM32CubeIDE。这可确保日后使用STM32CubeIDE程序对我们的RT Spark 1板进行编程时的兼容性。

接下来，点击窗口右上角的“生成项目”按钮。这将生成 STM32F407XX 运行所需的所有样板代码，包括 MCU 的所有 HAL、CMSIS 和底层驱动程序。

现在，我们将进入程序代码。

程序代码设置

首先，我们打开 STM32CubeIDE，然后导入之前由 STM32CubeMX 生成的项目。为此，在 STM32CubeIDE 中，进入“文件”>“从文件系统打开项目”……

点击后，将弹出一个新窗口，我们可以在其中选择之前使用 STM32CubeMX 生成的项目目录。

请确保导入的项目文件夹是STM32CubeMX生成所有项目文件的根目录。同时，请勾选上方红色方框内表格中项目名称旁边的复选框。完成上述操作后，点击“完成”按钮以结束项目导入。

创建主程序

我们将首先打开位于 Core/Src/main.c 中的 boilerplate 主代码文件 main.c。

通过查看标题来确认代码是否已正确生成且不为空。目前生成的模板看起来良好。

现在，根据我们的项目需求，我们将首先为项目的延时函数创建 delay.c 和 delay.h 源文件。

首先在“核心”下的“Inc”文件夹上右键单击，然后选择“新建”>“头文件”。

在弹出的窗口中，将头文件命名为“delay.h”。这将成为我们延迟函数代码的头文件。点击“完成”即可。

现在，使用下面的代码来编写“delay.h”，并将其放入我们刚刚创建的 delay.h 头文件中。

现在，再次右键点击“Core”文件夹下的“Src”文件夹，然后选择“新建 > 源文件”。

在将弹出的窗口中，将“delay.c”作为文件名输入。

之后，点击“完成”以继续创建文件。

打开新创建的 delay.c 文件，并使用下面所示的代码：

之后，返回 main.c 文件，并导入我们刚刚创建的 delay.h 头文件。

请确保将代码放在 main.c 文件的 BEGIN Includes 和 END Includes 之间。如果将代码放在这些注释之外，当在 STM32CubeMX 中重新生成硬件配置时，代码将会丢失。

之后，为项目创建所需的变量。首先将以下代码放入 USER CODE BEGIN 0 中。

对于 play_tone() 函数，请在 USER CODE BEGIN 4 内使用以下代码。

在 USER CODE BEGIN 4 内部的 play_tone() 函数下方，插入 update_buttons() 函数的代码。

现在，我们将在用户代码开始部分(USER CODE BEGIN PFP)内定义这些函数的函数原型。

之后，我们需要开始轮询按钮并检查用户输入。为此，需要在主循环的 while(1) 中调用 update_buttons() 函数。请将以下代码放在 USER CODE BEGIN 3 内部。

然后，我们的 delay_us() 函数在之后还无法使用。我们需要在 ARM 微控制器中初始化 DWT 计数器或数据断点周期计数器。为此，我们之前创建的 delay.c 文件包含一个名为 DWT_Init() 的函数，用于启用此功能。通过将以下代码放入 USER CODE BEGIN 2 中来启用该功能。

现在我们的代码已经完成，可以开始构建项目了。首先点击IDE工具栏上的锤子图标，然后点击锤子图标旁边的向下箭头，选择“调试”。

之后，再次点击锤子图标，应该会显示一个控制台窗口。查找蓝色的“Build Finished”文本，这表示代码已成功编译。

之后，我们将将其烧录到RT Spark 1板上。

为此，我们首先需要将项目配置为可运行的程序。操作方法是：在项目资源管理器窗口中右键单击项目名称，然后选择“作为…运行”>“1 个 STM32 C/C++ 应用程序”。

之后，应该会弹出一个“启动配置属性”窗口。

只需点击“确定”按钮，无需更改任何内容。

现在，要将代码刷入 RT Spark 1 开发板，请点击工具栏上的绿色播放图标。然后点击其旁边的向下箭头图标，以显示可刷入该板的所有可用项目。选择正确的项目名称，以确保代码能在板上正确运行。

选择项目后，应再次显示控制台窗口。它会显示有关板卡编程的提示信息，应显示“下载验证成功”。

完成后，我们的电路板就可进行测试了!

测试

为了测试我们的代码和系统，现在可以将硬件连接到RT Spark 1开发板。

如上图所示，我们直接通过RT Spark 1板的GPIO接口连接了硬件。这个电路看起来比较简单，因此我们认为将其焊接在PCB上可能对这个项目来说有些过度。

连接后，我们用其中的代码为电路板通电。

如您所见，音频设备正在播放音调，但音量非常小且微弱。因此，我们将把它连接到一个放大器上。我们家里唯一可用的放大器是700W立体声功率放大器。通过跳线上的鳄鱼夹将它连接至改装后的AUX IN线路。我们将AUX IN的GND接到RT Spark 1的GND，AUX IN的R(右声道)接到项目中的AUDIO_OUT。

黄色的Aligtor夹子为GND，黑色为右侧通道，绿色为左侧通道。

连接后，我们可以调节放大器的音量，以听到产生的音调。

按下电路板上的BTN_DOWN键会发出声音，松开按键后，声音应暂停。然后在按住电路板的BTN_DOWN键的同时，按下BTN_LEFT或BTN_RIGHT键，可使生成的声音频率增加或减小。

如您所见，它按我们的预期运行了。现在我们可以开始分析和测试了!

分析与解读

我们将使用示波器来分析项目中音调的生成情况。

首先，将CH1和CH2探头连接到示波器的输入端口。然后，CH1探头夹应连接并分析播放/暂停按钮，而CH2探头夹则应连接并分析AUDIO_OUT引脚，以检测生成的音频信号。

然而，由于我们正在监测播放/暂停按钮，因此需要在RT Spark 1开发板上驱动一个外部引脚，因为内置按钮所连接的引脚(在此情况下为PC1)无法直接连接探针。

为了监测按钮按下，我们需要一个调试引脚。对于这个项目，我们来配置一个。

我们先回到 STM32CubeMX。为了用示波器测试按钮按下，我们将使用 PB14。

在 STM32CubeMX 引脚图中，找到 PB14 并将其设置为 GPIO 输出模式。

将设置为输出引脚后，转到系统核心 > GPIO，并按以下方式配置 PB14：

配置完成后，请仔细检查所有GPIO设置，确保第一次就能正常工作。

现在，点击 STM32CubeMX 右上角的“生成代码”按钮。等待文件在 STM32CubeIDE 中重新加载。

之后，我们将稍作修改代码，以添加对示波器的支持。

首先，通过添加以下代码来修改 USER CODE BEGIN 0

然后修改 USER CODE BEGIN 4，以向示波器的测试/调试引脚发出信号，以便查看：

现在，我们准备好测试信号了!

再次将CH1和CH2探头连接到示波器的输入端口。然后，CH1探头夹应连接并分析播放/暂停按钮，而CH2探头夹应连接并分析AUDIO_OUT引脚，以检测生成的音频信号。

可通过MENU(垂直)按钮将示波器设置为单次模式，以捕获信号一次。将CH1设为触发源，选择上升沿作为斜率。若要查看连续的信号流，请将其设置为自动模式。

您可能需要调整“伏特/档位”和“时间”旋钮，以便更清晰地查看信号。您还可以通过垂直位置旋钮将两个通道重叠放置。此外，请再次检查每个探头上的x1和x10物理开关设置。如果两者设置不同，您可能会发现其中一个通道的信号灵敏度远高于另一个通道。因此，下图中CH1显示为2.00V，而CH2显示为200mV，因为我们尚未进行校验。但这些读数不会造成影响，仅是灵敏度的不同。

现在，我们开始第一次读数。将示波器设置为单模式后，按下RUN/STOP按钮以清除屏幕上的所有内容。根据示波器的品牌和型号不同，暂停时RUN/STOP按钮应显示红色，运行时显示绿色。按钮应为绿色，以便捕捉信号。

现在，我们按下了播放按钮，它捕捉到了这些信号。