基于STM32的"STylophone"

视频链接：

B站视频--功能演示及介绍

项目简介

本项目基于STM32F103RCT6复刻了经典口袋合成器stylophone，遂命名为"STylophone"。此处ST与stylophone首字母恰好重合，令人忍俊不禁。

本项目最初是用来水课的课设，最终只完成了硬件和基础软件功能的设计。后续可能不再有精力推进软件功能的开发，故将所有资料开源。

2025.2.19 BUG修订：
收到反馈IP5306在关机后无法彻底关断，造成喇叭异响，故修改原有设计，并增补相关外挂模块修复问题。在复刻本项目前请务必详细阅读后文的修订板块。

项目功能

STylophone共有两种工作模式，可以通过用户按钮进行切换。

在演奏模式下，STylophone的功能与stylophone基本一致，演奏中支持输出波形和音域的切换。
用户通过切换音域，最多可以演奏出A1-E7的所有音符。通过代码预先烧录，最多可以切换四种波形的输出，默认情况下为正弦波、方波、锯齿波和一个保留波形。
因为3.5mm耳机接口过于先进，STylophone进行了阉割（其实是设计硬件的时候忘记考虑了），目前只支持喇叭输出。用户可以通过机器边缘的齿轮电位器调整输出音量。
stylophone的颤音功能在STylophone中并未实现，因为相关内容我不太了解，怎么调也调不出颤音的感觉（逃

在MIDI模式下，需使用USB-C数据线连接STylophone与MIDI控制器。STylophone会关断喇叭输出，变成一个简易的MIDI键盘。
该键盘目前只能向MIDI控制器发送Note on和Note off消息，且不支持力度检测。此模式下仍旧可以通过按钮切换音域，但切换波形的按钮并未做软件适配。

项目参数

• 本设计采用STM32F103RCT6作为主控芯片，应该是目前频率能跑到72MHz且支持DAC的ST芯片中最便宜的了；
• 本设计采用LM4871作为驱动喇叭的功放，反馈回路中使用一个20kΩ的齿轮电位器调节音量；
• 本设计采用的喇叭参数为4Ω3W，与功放参数对应；
• 本设计采用IP5306作为电池管理芯片，使用的锂电池容量为1000mAh，大小为22 x 73 x 6.5mm；

原理解析（硬件说明）

STylophone的主要模块有控制模块、交互模块、音频功放模块和电源管理模块。
交互模块包含按钮、键盘与金属笔和指示灯三种部件。控制模块检测交互模块的按钮，决定工作模式和功能的切换；通过金属笔检测交互模块的键盘，确定需要输出的音符。在独立演奏时，控制模块通过DAC输出预设好的波形信号，滤除直流成分后，音频功放对信号进行放大并驱动喇叭发声。在作为MIDI设备时，控制模块通过USB向外部发送MIDI消息。
电源管理模块管理着一块1000mAh的锂电池。能够控制设备的开、关机和锂电池的充、放电，并将锂电池的电压转换为其他元件所需的3.3V和5V电压。

软件代码与外壳模型

详细代码与工程文件请见附件Source.zip
本项目代码采用STM32CUBEMX配置和生成，使用keil5进一步完善。请注意，USB-MIDI功能修改了USB库中的描述符，若从CUBEMX再次生成代码则会覆盖这些修改。请在这之前备份相关的库文件。

外壳模型请见附件3DModel.zip
所有主要模型都以stp和stl两个文件给出，模型详情请见附件中的readme文件。所有模型均可使用3D打印制作，采用若干颗M3 X 6平头螺丝和一颗M2 X 3平头螺丝进行固定。

注意事项

• USB差分线上串联的R44、R45用于阻抗匹配，一般情况下直接焊接0Ω电阻即可。R42与R43上拉电阻用于USB设备识别，本项目中只需要焊接D+上的上拉电阻(R42)，R43留空。
• 复位电路中的0Ω电阻（R37，对应电路板RST标识）不需要焊接，烧录程序后短接该电阻的焊盘实现复位。
• 电路板上的H、L（High、Low）标识电阻是BOOT0引脚的电平选择电阻。由于本项目只支持SWD调试，所以这里直接拉低即可。
• ADC输入的排针不需要焊接，此处只需要将金属笔的导线焊接至任意一个孔位即可。
• 用于音量调节的齿轮电位器阻值建议选择15－20kΩ，原理图中的阻值并不准确（没找到对应阻值的，就随便拿了一个）
• 调试接口的排针建议焊接在主控芯片一侧，这样在烧录完成后即使不进行拆除也可以完成组装。（当然烧完程序就拆了会更美观，不过都封在外壳里也看不到）
• IP5306的电量指示LED灯不进行焊接，本设计中并未使用，外壳中也未为其预留开孔。如需使用则需要重新设计相关零件，详情请见readme。
• 请务必整洁且精准地焊接指示LED灯，否则可能会出现外壳灯罩无法对齐嵌入的情况。
• 喇叭和电池的连接端子孔距均为2.0，在购买时务必留意。
• 喇叭与电池的安装孔距只适用于下文链接中的型号，若自行采购其他规格的硬件，需要对外壳重新进行设计。
• IP5306具有低电流自动关断的功能，由于不同芯片体质不同，关断电流可能也不相同。理论上本设备待机时的电流可以超过标称的关断电流，但实际测试中仍有出现关断的情况。故代码中预留了一个power_active函数，若您发现您的设备会在待机30s后自动断电，请在主循环中启用相应的函数并重新烧录程序。

组装流程

详情请见上文视频链接与3DModel.zip中的readme文件。

实物图

电路板完成焊接后外观如图1所示

图1：电路板参考（图中CLK和DIO标反，实际工程中已经修改）

将电路板和喇叭固定在前面板后，效果如图2所示

图2：前面板组件

将锂电池固定在后盖，并连接至电路板，效果如图3所示

图3：后盖与前面板连接

最后使用螺丝固定，外观如图4所示

图4：设备外观

相关硬件购买链接

4欧3W 5555音腔喇叭
可伸缩弹簧圆头P100-D3探针
聚合物锂电池芯652272-1000mAh
齿轮电位器B203 20K单联16x2三脚

修订板块

修订后的设计采用TP4056管理锂电池充电，并使用LN3608对锂电池进行DCDC升压。建议复刻本项目时使用新版设计。

对于已经复刻了旧版项目的朋友，目前有两个解决方法：

1. 将C31-C34中的其中一个电容更换为阻值较大的电阻（用于泄放大电容）。具体阻值的选取需要保证IP5306能够正常关机，电阻越小发热越大，泄放速度越快，建议10k以上。这种方法不一定能解决喇叭异响的问题，若喇叭依旧异响吗，请使用方法2
2. 在增加泄放电阻的基础上，完全拆除原电路板的电池电源管理模块，并重新打板制作外挂电源模块。将对应的线路飞线连接，焊接时务必留心做好绝缘处理，并在外壳重新开槽固定新的开关。具体连接方式如下图所示。

外挂电源模块已经打板验证，可以正常使用。新版设计未进行打板验证，但与外挂修复方法使用的硬件完全保持一致，仅仅是删除了原有电源管理模块的焊盘，并将外挂电源模块移植到了板上。
由于新版设计修改了开关的样式，原设计中前面板外壳对应位置需要进行相应的打磨修改。目前外壳模型仍在重新修改中，修改完成后会重新上传。