Мелодия на tone(): массивы нот, темп и живой цикл без delay

«Ода к радости» из урока про массивы нот играла у меня исправно ровно до вечера, когда я захотел сделать дверной звонок бодрее. Темп оказался зашит в шестнадцати числах длительностей: править их по одному — работа на вечер, а одна неверная правка — и ритм рассыпается. Второй удар был обиднее: я прикрутил кнопку, чтобы мелодии листались с двери, и она не отвечала. На время проигрыша скетч сидел в delay и молчал глухо, как рыба: фраза шла четыре секунды, и все четыре кнопка не значила ничего.

Здесь второй заход на мелодии, и он про управление, а не про теорию: ноты поднимаем на октаву выше — ля 440, до 523, ми 659, соль 784, до второй октавы 1046, на пьезо верхние звучат бодрее, — длительности пишем долями и умножаем на темп одной константой, между нотами ставим noTone(), а в конце превращаем блокирующий проигрыш в планировщик на millis(), при котором кнопка живёт каждый проход loop(). Механику tone() и noTone() разбирали в уроке про зуммер — здесь она берётся как готовый инструмент.

План такой: сначала простая версия с delay и темпом-константой, затем честный подсчёт её слепоты в миллисекундах, потом планировщик — и проверка в симуляторе, что кнопка и мелодия живут одновременно. Скетчей два, второй отличается от первого на десяток строк, но между ними вся дистанция между игрушкой и прибором.

Частоты в партитуре ниже взяты не с потолка: ля 440 — эталон, по которому настраивают оркестры, до второй октавы 523, ми 659, соль 784, до третьей — 1046. Поднимать мелодии выше оригинала на пьезозуммере — приём рабочий: резонанс корпуса лежит в районе 2-4 кГц, и чем выше нота, тем ближе она к резонансу и тем громче звучит. До первой октавы на дешёвом излучателе бормочет, а 523 и 1046 — звонят в полный голос. Поэтому нотные записи я для зуммера обычно переношу на октаву вверх и не жалею.

Длительности пишу долями, а не миллисекундами, и счёт веду восьмыми: единица в массиве — восьмая нота, двойка — четверть, четвёрка — половинная. Темп — одна константа BEAT, миллисекунды на восьмую, и всё умножение происходит в скетче. Хочу медленнее — меняю одно число; хочу всю фразу вдвое короче — меняю то же число. Массивы идут парой: melody[i] — частота, beats[i] — доля той же ноты, и разъезжаться им нельзя: правлю всегда вместе, иначе мелодия заиграет чужим ритмом.

Интервалы в моей фразе не случайные: 440, 523, 659 и 784 — это до-ми-соль, то самое мажорное трезвучие, которое звучит приветливо на любом инструменте, включая пищалку. Расстояния между нотами считаются полутонами, и соседний полутон — множитель 1,059: от ля 440 три полутона вверх дают до 523, ещё четыре — ми 659, ещё три — соль 784. Хотите свою фразу — берите ноты из таблицы прошлого урока или умножайте 440 на 1,059 нужное число раз — ухо услышит фальшь так же сразу, как на гитаре.

Разница с прошлым уроком — в способе отбоя. Там работала связка tone(..., длительность) плюс delay с запасом; здесь я играю tone(BUZZER, частота) без третьего аргумента, выжидаю delay(beats[i] * BEAT), гашу звук noTone() руками и даю щель 25 мс тишины. На живой плате оба варианта звучат почти одинаково, но noTone-версия честнее держит границу: обрыв происходит ровно на команде, а не где-то в таймере, и поведение одинаковое в симуляторе и на железе. Щель нужна не для красоты: две одинаковые ноты подряд без неё сливаются в один длинный писк — ухо слышит одну ноту вдвое длиннее, и ритм врёт. Двадцать-тридцать миллисекунд разделяют их; больше шестидесяти — фраза становится рубленой.

Частый вопрос: как играть ноты тише? Через tone() — никак: громкость зашита в скважности ровно 50 процентов, и параметра громкости у функции просто нет. Громкость правится железом: отверстием в корпусе, резонансной частотой и питанием. Из этого следует важный вывод: динамика сигнала строится не силой звука, а высотой и ритмом — фразы, которые мы собираем в третьем уроке, именно поэтому играют изменением частоты и паузами, а не громкостью.

Теперь грабля, из-за которой звонок переписывался: delay(beats[i] * BEAT) замораживает loop() целиком. Фраза из десяти нот при темпе 250 длится (2+2+2+2+1+2+2+2+4+2)×250 плюс десять щелей по 25 — почти пять секунд, в которые digitalRead не вызывается ни разу. Кнопка, датчик, светодиод — всё стоит. Это та же болезнь, что в уроке про millis() вместо delay: блокирует не tone(), а пауза, и лечится она планировщиком, а не заменой зуммера.

Планировщик переворачивает вопрос: не «играть ноту и спать», а «проверить, не пора ли следующую». Состояний два — номер ноты i и момент tNext, когда она должна закончиться. На каждом проходе loop() опрашивается кнопка, и если millis() доехал до tNext, текущая нота глушится noTone(), включается следующая, tNext сдвигается на её длительность. Нота играет «сама» — точнее, время отсчитывает millis(), пока скетч крутится дальше и остаётся живым.

Так устроен кооперативный цикл и весь планировщик задач на millis: мелодия становится очередным делом с расписанием, наравне с опросом кнопки и датчиков. Переход millis() через ноль на 49-е сутки здесь не страшен: разность millis() - tNext в беззнаковой арифметике остаётся корректной и через переполнение — приём разобран в уроке про планировщик. Хуже планировщика только вариант «запустить мелодию в прерывании» — таймер там общий с tone(), и я не рекомендую даже пробовать.

Мелочь, на которой стоит задержаться: темп меняется посреди ноты — новая длительность применится только к следующей, а текущая доигрывает по старому плану. Это нормальный компромисс: пересчитывать tNext на лету можно, но на слух разница не различается, а код усложняется на проверку. Заодно это бесплатная защита от дребезга: два нажатия подряд просто сменят темп дважды, и мелодия не споткнётся ни на одной ноте.

В симуляторе собрана именно millis-версия: плата подрисует зуммер на D8 и кнопку на D2, браузер заиграет ноты через динамики. Кликайте кнопку: темп падает с 250 на 125 мс на восьмую, фраза бежит вдвое быстрее, и ни одна нота при этом не теряется — короткий такт опроса в 10-30 мс ловит каждое касание. В мониторе идут пары note=440 и tempo=250: ноты ложатся на график плоттера ступеньками, а переключение темпа видно по смене плотности ступенек.

Транспонирование в такой партитуре бесплатное: удвойте каждую частоту — мелодия уедет на октаву вверх, длительности не трогаются; потолок аргумента tone() — 65535 Гц, но слышимая зона кончается на 20 кГц, выше сдвигаться незачем. Если нужны две фразы — приветствие и тревога — заводятся две пары массивов, а выбор между ними делает switch по переменной режима, как в уроке про switch-case. Новую фразу я всегда правлю, слушая целиком: опечатка в одной ноте на слух ловится мгновенно, а глазом — не всегда.