Arduino学习（九）：写⼀个Arduino扩展库：⾳乐播放库，并
实现跨平台
Arduino扩展库（Library）就是别⼈写好的，可重⽤的函数或类。
在之前的博⽂： 中，我们学习了使⽤⽆源蜂鸣器可以发出不同频率的声⾳，据此，Arduino可以⽤来播放⾳乐了。
本篇的⽬标：是写⼀个扩展库，实现以下功能：
1， 把任意曲谱写成⼀个字符串，⽐如，歌曲“⼩蜜蜂”的简谱是：“5 3 3  4 2 2 ”
2， 扩展库可以读取曲谱字符串，播放⾳乐
3， 这个扩展库库要求能跨平台编译使⽤，能在Arduino， 51单⽚机，Windows中均可编译并使⽤。
本例中，将学习到C 和 C++混合编程，跨平台的模块设计等技巧
⼀、曲谱的表达⽅式
下⾯是歌曲“⼩蜜蜂”的简谱（节选）
⾸先，要设计⼀个字符串表达⽅式，⽤⼀串字符表达曲谱
简谱中：曲谱由多个⾳符组成，每个⾳符有⾳⾼、⾳长。
设计为：曲谱为⼀串字符串。 每个⾳符由表达⾳⾼的字符串 和 表达⾳长的字符串共同组成。
简谱中：⾳⾼⽤ 1,2,...7 表⽰，⾼⼋度的⾳在上⽅加⼀个点，低⼋度的⾳在下⽅加⼀个点.  另外 0  表⽰停顿（⽆⾳）
设计为： ⾳⾼⽤ 1,2,...7 表⽰，0  表⽰停顿（⽆⾳), ⾼⼋度的⾳接⼀个字符 ‘^’ ， 低⼋度接⼀个字符 ‘v’ (⼩写v)  ⽐如： 5^ 表⽰⾼⼋度⾳的 5 (So),  5vv 表⽰低⼗六度的5(So)
对于升降半⾳，升半⾳在⾳符后加 #,  降半⾳在⾳符后加 b (⼩写b)
简谱中：不⾜⼀拍的⾳长由下划线表⽰，⼆分⾳符⼀个下划线，四分⾳符⼆个下划线。超过⼀拍的⾳长⽤ “-”表⽰，每个"-"为加⼀拍
设计为：不⾜⼀拍的⾳接⼀个或多个下划线符号，⽐如： 5_ 表⽰ 半拍的5(So),  5__表⽰ 四分⾳符的5(So)
超过⼀拍的⾳，接⼀个或多个“-”号，⽐如： 5- 表⽰⼆拍的5(So), 5--- 表⽰四拍的5
简谱中曲调表达形式为： 1=C,  意思为 1 是 C⾳， 即C⼤调或A⼩调.  可⽤的调式为： C,  D, E, F, G, A, B,  可以升降调，如：#G 表⽰升G⼤调,  bF表⽰降F⼤调
设计为：与简谱完全⼀致， 要求“1”后紧接⼀个“=”（等号），再加曲调字符
简谱中⾳乐速度表达形式为： 1=88, 意思是 每分钟88拍
设计为：与简谱完全⼀致， 要求“1”后紧接⼀个“=”（等号），再加数字
按照上述设计， 则上图中的“⼩蜜蜂”的简谱， ⽤⼀串字符串表达为：
1=C | 5_ 3_  3  |  4_  2_  2    | 1_ 2_ 3_ 4_  | 5_ 5_  5    |
为了容易看懂，我在其中增加了⼀些空格和 “|” 分隔符， 还是⽐较直观的吧,  可以⽅便⼿⼯写曲谱。
接下来，要编程，让计算机读取曲谱、放⾳出来。
⼆、⾳符与频率
1，⾳乐中规定了⼀个⼋度 有 C，D,  E, F, G, A, B 七个⾳符，在C⼤调中，唱名分别为:  1(do) 2(re) 3(me) 4(fa) 5(so) 6(la) 7(si)
E和F之间、B和C之间没有半⾳， 其它两个⾳之间均有半⾳。
因此，⼀个⼋度有⼗⼆个⾳，表达为 C , C#, D, D#, E, F, F#, G, G#, A, A#, B
2， 每个⾳对应⼀个频率，⽤⼀个C语⾔数组表达如下：
//数组：键盘与频率对应表
const int key_frequency[] = {
0,
//C, C+, D, D+, E, F, F+, G, G+, A, A+, B, B+
65, 69, 73, 78, 82, 87, 92, 98, 103, 110, 116, 123,
131, 139, 147, 156, 165, 175, 185, 196, 208, 220, 233, 247,
262, 277, 294, 311, 330, 349, 370, 392, 415, 440, 466, 494,
523, 554, 587, 622, 659, 698, 740, 784, 831, 880, 932, 988,
1046, 1109, 1175, 1244, 1318, 1397, 1480, 1568, 1661, 1760, 1865, 1926,
2089, 2160, 2288, 2422, 2565, 2716, 2877, 3047, 3226, 3417, 3618, 3832,
4058, 4297, 4551, 4819, 5104, 5405, 5724, 6061, 6419, 6798, 7166, 7625
};
#define CENTER_C      37  //中央C在数组key_frequency中的位置
数组中每个元素是⼀个频率值，第0元素是预留的， 第1-12元素是⼀个⼋度(⼗⼆个⾳), 第13-24元素是⼀个⼋度...， 这个数组涵盖了钢琴键盘所有的⾳
其中 第37元素 是中央C，频率值为523 Hz，即钢琴键盘最中央的C键，就是C⼤调的do.  宏定义为 CENTER_C
三、跨平台的考虑
1，编程语⾔的选择：
跨平台编程⼀般只能采⽤C。 由于要Arduino， 51单⽚机，Windows三个平台，51单⽚机只⽀持C
Arduino, Windows⽀持C++, 可以写⼀个C++类，封装C语⾔函数，⽅便调⽤。
⼀套源码，在不同的平台上均可编译执⾏，即算是实现了跨平台。
2， 不同平台的放⾳机制不同
Arduino中，可以使⽤ tone()函数播放指定频率的⾳。
51单⽚机中，要⾃⼰写⼀个中断程序，产⽣脉冲信号，驱动⽆源蜂鸣器发⾳。
Windows中，可以使⽤ Win32 API中的MIDI相关函数，放出指定的⾳符
因此，要写⼀个放⾳函数  play_tone( tone )，是与平台相关的，每个平台都要分别实现这个函数
同样的，与平台相关的函数还有：初始化设备、关闭设备、时间等待、等等。下例中，我把平台相关的函数均放在独⽴模块(⽂件)中。
四、Arduino程序开发
我们在Arduino IDE中进⾏开发
1， 打开Arduino IDE, 新建⼀个项⽬，存盘为 MusicPlayer, 然后直接关闭项⽬。
2,  在电脑中到 Arduino的项⽬存盘⽬录， 打开其中的⼦⽬录MusicPlayer， 在该⽬录下⼿⼯创建三个空⽂件， 名为 music.h, music.c, music_arduino.cpp
3,  关闭项⽬后，再⽤Arduino IDE 重新打开 MusicPlayer 项⽬，则此时可以看到， Arduino IDE将同时打开了新建的三个⽂件 music.h, music.c，music_arduino.cpp
4, 然后，选择 music.h ,  编写头⽂件如下：
#ifndef MUSIC_H_
#define MUSIC_H_
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif
//⾳乐数据结构体，记录各种状态
typedef struct MusicData {
char *str;  //曲谱字符串
int  len;  //曲谱字符串的长度
int  tune;  //曲调
int  speed; //⾳乐速度
int  index; //当前位置
int  key;  //当前⾳的键名
int  duration; //当前⾳的⾳长
int  frequency; //当前⾳的频率
int  pin;      //连接蜂鸣器的管脚
} MusicData;
/**
* 打开⾳乐设备
*/
int music_open(MusicData *data, int pin) ;
/**
* 播放⾳乐
*/
int music_play(MusicData *data, const char *music_str);
/**
*关闭⾳乐设备
*/
void music_close(MusicData *data);
#ifdef __cplusplus
}
#endif
#endif /* MUSIC_H_ */
这⼀个C语⾔头⽂件， 其中:
1, 定义了⼀个结构体 MusicData, ⽤于记录⾳乐状态：曲谱、曲调、速度、当前⾳符、⾳长
2, 定义了三个函数: music_open()打开(初始化)⾳乐设备,  music_close()关闭⾳乐设备,    music_play()⽤于放⾳，注意：为了在C++编译器中使⽤C函数，⼀定要写成这样
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif
... C函数声明 ...
#ifdef __cplusplus
}
#endif
5, 然后，编写 music_arduino.cpp 模块
这个模块是编写与Arduino相关的函数： music_open(), music_close()，wait()等待，play_tone()放⾳, stop_tone()停⽌放⾳等五个与平台相关的函数
因为Arduino是C++的，所以这个模块要采⽤C++来写, ⽂件扩展名为.cpp
#include "music.h"
//如果是在Arduino平台中
#ifdef ARDUINO
#include "Arduino.h" //Arduino的头⽂件
//在Arduino中打开⾳乐设备
extern "C" int music_open(MusicData *data, int pin) {
data->pin = pin;
pinMode(pin, OUTPUT);
return 0;
}
//在Arduino中关闭⾳乐设备
extern "C" void music_close(MusicData *data) {
}
/
/在Arduino中停⽌播放⼀个⾳
extern "C" void stop_tone(MusicData *data) {
noTone(data->pin);
}
//在Arduino中播放⼀个⾳
extern "C" void play_tone(MusicData *data) {
if (data->key > 0)
tone(data->pin, data->frequency);
else
noTone(data->pin);
}
/
/等待⼀段时间, 时间单位毫秒
extern "C" void wait(int milliSeconds) {
delay(milliSeconds);开发一个平台需要多少钱
}
#endif
其中：
#ifdef ARDUINO  表⽰在Arduino开发环境中。 ARDUINO 这个宏是 Arduino IDE的预定义宏。如果不在Arduino环境中编译，这个模块相当于空代码
本模块中的五个函数均与平台相关，每个平台均要实现这五个函数，并独⽴放在⼀个模块⽂件中，这样可以⽅便维护和扩展平台。
music_arduino.cpp 模块是C++的，由于需要被C语⾔调⽤，因此，所有的函数均要加上了 extern "C" 的声明。
6, 然后，编写 music.c 模块
这个模块编写与平台⽆关的所有C语⾔函数。

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