基于LabVIEW的便攜式按鍵鋼琴

1、 虛擬儀器技術(shù)及應用-基于LabVIEW的便攜式按鍵鋼琴班 級： 姓 名： 學 號： 成 績： 一、 設計要求： 基本功能要求：便攜式按鍵鋼琴思路: 利用myDAQ的8個數(shù)字I/O通道作為琴鍵輸入，通過LabVIEW編程合成出所需頻率的聲音，經(jīng)過D/A變換后通過Audio Out端口放大輸出。程序中通過設置不同的諧波組合可以最終混合出不同樂器的音色。 說明：除了數(shù)字I/O的信號采集和模擬信號輸出之外，這個題目的主要工作在軟件方面的數(shù)字信號處理與合成（比如，如果同時按下兩個按鍵，出來的效果應該是兩個音的疊加；同時還要考慮針對不同樂器不同音色所對應增加的諧波比例）。軟件上還可以增加其他功能，例如可

2、以選擇將PC音頻輸出的音樂通過myDAQ的Audio In端采集后增加混音或重低音效果等然后再通過Audio Out端播放出來。在硬件方面，可以擴展的一些工作包括琴鍵輸入開關的毛刺濾除電路設計、音頻輸出后再做一級放大電路等。由于myDAQ只有8個數(shù)字I/O端口，因此只能做一個八音階。 衍生功能要求： 便攜式曲目練習器 思路：播放一首歌曲的同時，在PC界面上顯示樂譜（或者當前的音階和拍長），練習者需要按下對應的按鍵，這些按鍵連接到myDAQ的數(shù)字I/O端口，從而計算機可以判斷是否正確，樂曲結(jié)束后根據(jù)按鍵的正確性和節(jié)奏的正確性給于相應評分。 說明：本題目硬件與上一題目基本相同，在練習時可以播放原有

3、旋律，同時記錄練習者的按鍵順序和時長，合成成樂聲在練習結(jié)束后播放，并與原旋律比較。相比上一題目，需要在軟件中記錄數(shù)字鍵輸入的順序和時長。此外，可以設置不同的難度級別。 本程序功能規(guī)劃： 根據(jù)已有的功能要求，我們需要制定一下我們電子琴程序的方向，究竟要做到什么地步，要做哪些功能，經(jīng)過小組內(nèi)的討論，以及與指導老師的交流，再就是根據(jù)我們目前對MyDaq以及LabView的掌握情況，我們制定了如下的具體要求：1.圖形界面模塊：一個非常形似電子琴的圖形界面，做到界面整潔美觀，有區(qū)分度，交互通俗易懂2.發(fā)聲模塊：電子琴的基本發(fā)聲功能，做到不同音調(diào)，音色，音量3.控制方式模塊：做到能用鼠標，鍵盤和基于MYD

4、AQ的機械按鍵控制4.擴展模塊：曲目練習器模塊：考慮到現(xiàn)有設備的局限性以及知識的局限性，我們現(xiàn)在把曲目練習模塊簡化為：通過文件IO讀取歌曲TXT曲譜，根據(jù)曲譜控制鋼琴的按鍵的變色從而作為演奏提示，最后不考慮節(jié)奏只考慮曲譜聲調(diào)的正確率做打分。自動播放模塊：該模塊做到根據(jù)TXT曲譜來自動演奏鋼琴樂。除此之外，由于涉及曲目練習，我們還要做歌曲的曲譜以及聲音文件。二、 模塊實現(xiàn)： 在做本次程序之前，我們進行了充分的調(diào)研工作，包括：l LabVIEW圖形界面系列-色彩搭配；l 八度音階頻率關系對應表；l 樂器音色的原理；l 鋼琴音色的制作；l 曲目曲譜的設計及制作；l LabVIEW文件IO及屬性節(jié)點的

5、使用；l MYDAQ設備的基本使用及設備可實現(xiàn)功能；下面將按搭建順序一一介紹每一個模塊的具體實現(xiàn)，最后介紹每個模塊之間是如何聯(lián)系起來的。n 發(fā)聲模塊u 播放正弦波要做電子琴，理所當然我們第一步想的就是如何發(fā)聲，想到以前在數(shù)字信號處理課程中做過語音信號的處理相關編程，知道播放固定頻率的正弦波可以發(fā)出聲音，再查看LabVIEW所支持的函數(shù)，定下了初步的思路，即：首先產(chǎn)生一定頻率的正弦波，設置好采樣頻率以及時長，送播放波形函數(shù)，如下圖1.1： 圖1.1 播放正弦波 圖1.2 播放三角波于是，我們馬上做了一個布爾按鈕做測試，利用條件結(jié)構(gòu)（布爾變量為真送一個數(shù)字，如266，到正弦波產(chǎn)生函數(shù)的輸入?yún)?shù)-頻

6、率中）實現(xiàn)了發(fā)聲，但有兩個問題： 音質(zhì)很差（主要因為音色） 有很強的尾音（聲音突然停止產(chǎn)生的刺耳噪聲）但無論如何我們成功實現(xiàn)了發(fā)聲。u 播放三角波為了解決第一個問題，之后查閱了相關內(nèi)容，知道：不同音色是由某一基頻的正弦波疊加上一定比例的諧波成分實現(xiàn)；于是我們做了如下處理：如圖1.2，先同樣方法產(chǎn)生一定頻率的三角波，再通過低通濾波器，我們知道周期的三角波一定可以分解為基波和諧波相加，經(jīng)過低通濾波器濾除高頻后，出來的聲音與正弦波是不同的音色結(jié)果正如我們所想，出來的音色不同，音色更像電子音，但尾聲仍存在。u 播放公式波形為了解決尾聲的問題，我們想如果能讓音的尾部音量變小就好了，于是找到了公式波形，將

7、正弦波的幅度隨時間改變，開始和末尾的幅度偏小，中間幅度最大，用了如下的公式：sin(w*t)*sin(m*t)；幅度A（t）= sin(m*t)，使/m = 采樣數(shù) / 采樣頻率我們設計的采樣數(shù)為5000，采樣率為11025，那么差不多 m = 2；于是設計的第三種音色如圖1.3： 圖1.3 播放公式波形 圖1.4 播放WAV文件效果比之前兩個都好，音色像管弦樂器，尾音更小。u 播放文件公式波形仍然不能滿足我們對完美音色的要求，于是我們決定用另外一種發(fā)聲機制-播放文件，在網(wǎng)上找了很久沒有發(fā)現(xiàn)好的八度音階音色后，我們開始了自己制作相關的音色，還好本組同學中之前有對音樂軟件的了解，用 + + =

8、制作出了所需的WAV文件。我們并用如圖1.4的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了WAV播放，由于是外部音，所以效果很好，只是第一次載入有些慢。至此，我們實現(xiàn)了四種音色，接下來就要討論如何控制發(fā)聲n 控制模塊由于調(diào)試的需要（調(diào)試時基本都用鼠標），以及DAQ設備的搶手，我們最初只做了兩種控制模式，鼠標控制，以及機械按鈕控制。u 鼠標控制原理上很簡單，無論是鼠標控制的8個布爾按鈕，還是MYDAQ采集到的面包板上8個按鍵，輸出的都是一個1D的長度為8的布爾數(shù)組，通過對布爾數(shù)組的每一位做檢索，為1則發(fā)聲，為0則不發(fā)聲。程序框圖如圖2.1圖2.1 鼠標控制發(fā)聲的結(jié)構(gòu)圖中顯示的是把鼠標控制的八個布爾按鈕（實際鼠標可以控制13個按鈕

9、，但因為機械按鍵只有8個，這里只說八個）集中到一個簇中，在轉(zhuǎn)換為布爾數(shù)字，檢索布爾數(shù)組每一位，如果為1則發(fā)出對應頻率的聲，此處我們查詢了音調(diào)和頻率對應表，如圖2.2，得出下面對印關系Duo re mi fa suo na xi dou+261.63 293.66 329.63 349.23 392 440 493.88 523.25 （HZ）圖2.2 八度音階與頻率對應關系那么當我們按下DUO按鈕時，布爾數(shù)組第一個值為真，控制發(fā)出261.63Hz的聲音，同理按下NA按鈕時，布爾數(shù)組第六個值為真，控制發(fā)出440Hz的聲音，如此，實現(xiàn)了鼠標控制；測試鼠標控制發(fā)音正常。Ø 并行結(jié)構(gòu)的好處：

10、為什么我們要按這種并行檢測每一位然后分別播放的結(jié)構(gòu)？實際上是為了解決多個按鈕同時按下的時候，能兩個音同時發(fā)出的需求。u 機械按鍵控制機械按鍵控制與鼠標控制的后面發(fā)聲部分完全一樣，只是前面的簇改為了DAQ助手，DAQ助手選用的是端口采樣PORT0，外圍硬件接線很簡單，用共陽極結(jié)構(gòu)，將MYDAQ的PORT的8個端口分別接面包板上八個按鈕的一端，8個按鈕另一端接+5V電壓高電平，此處沒有圖。因此，DAQ助手輸出的是十進制數(shù)，將其轉(zhuǎn)換為2進制數(shù)后，后續(xù)操作同上。程序如圖2.3圖2.3 機械按鍵控制發(fā)聲Ø 機械按鍵控制的問題機械按鍵的發(fā)聲測試播放波形時，效果正常；但是播放文件時，由于DAQ助手

11、采樣很快，所以按下按鈕時，WAV文件會播放很多次，導致聲音混疊，我們的解決方法時采用延遲一小段時間的方法，播放文件條件分支里用的是層疊結(jié)構(gòu)，在后面的幀里設置延遲0.1秒，如圖2.4圖2.4 播放波形條件分支中的延遲至此不算擴展功能，我們的基本功能已經(jīng)實現(xiàn)。n 圖形界面模塊前面提及了基本發(fā)音及控制，為了實現(xiàn)擴展功能，必須把程序的大體結(jié)構(gòu)和前面板的界面作介紹，前面板如圖3.1圖3.1 前面板前面板結(jié)構(gòu)：左邊是曲譜的提示部分；中上是選擇控制部分；右上是提示面板（演奏時才有變化）；右下是鼠標控制的布爾按鈕（設置快捷鍵之后可以鍵盤控制）前面板以藍色為背景，黑白為主色，其他顏色為輔色做提示，整個布局提示在

12、左，操作在右，控制在上，鋼琴按鍵的制作只需將布爾按鈕拉長之后用工具選板做變色處理，簡單但美觀。后面板介紹演奏方式控制模塊：對應前面板的演奏方式按鈕，控制是否自動播放，以及鼠標/鍵盤控制，還是機械按鈕控制。如圖3.2圖3.2 演奏方式控制歌曲選擇控制模塊：對應前面板的歌曲選單，決定演奏/自動播放那首歌 如圖3.3圖3.3 歌曲選擇控制曲目演奏主模塊，包括打分主程序，顏色提示主程序，演奏時的變量控制如圖3.4圖3.4 曲目演奏主模塊自動播放模塊，自動播放的實現(xiàn)程序，如圖3.5圖3.5 自動播放模塊以及之前提到的播放聲音模塊，如圖3.6圖3.6 播放聲音模塊曲譜文件的讀取模塊，如圖3.7圖3.7 文

13、件讀取模塊這里只對每一個模塊做一個說明，對應到具體的擴展應用時，再將具體的結(jié)構(gòu)加以說明，下面將介紹擴展功能的實現(xiàn)n 曲譜練習（擴展）曲譜練習模塊的基本原理就是選擇完曲目后，程序會從TXT文件里面讀取相應的曲譜，讀取到的內(nèi)容輸出為字符串，每彈奏一次時，把彈奏的按鍵對應的數(shù)與曲譜中即將彈奏的音對應的數(shù)作比較，如果為真，加1分，如果為假，不加分，同時用一個變量記錄剩余曲譜的長度，剩余曲譜長度為0時，把總的得分除以曲譜的長度，得到最終的得分。由于程序太過龐大，無法展示所有的條件分支下面以一個流程說明程序的工作 程序運行后選擇以下控制方式選擇鼠標控制，鋼琴音，歌曲練習，歌曲選“我的歌聲里”那么歌曲譜變量

14、內(nèi)容變?yōu)椤拔业母杪暲铩?，如下圖4.1：圖4.1 歌曲譜的改變此時先從TXT中讀取字符串，歌曲列表為0時（對應下拉框選擇第一個選項“我的歌聲里”），把已經(jīng)讀取的字符串送入歌曲譜，那么界面左邊的歌曲譜發(fā)生了改變，同時做了圖4.2的初始化，包括即將演奏音階的讀取，前面板進度條總長度的自適應，歌曲譜送入剩余歌曲譜，即將演奏的第一個音為“3”，長度為“99”。圖4.2 選擇歌曲后的初始化 按下樂譜的一個音“1”（舉例為“1”也可為其他）那么程序先判斷是否按下按下時，比較的結(jié)果為假，把“1”送入當前演奏音階和演奏記錄接下來把剩余曲譜中的第一個音“3”送入當前樂譜音階剩余樂譜減一建議后的剩余樂譜第一個送入即

15、將演奏音階接著作比較“1”和“3”比較，不相等，于是正確數(shù)目不加1，否則加1圖4.1 加分的判斷 提示按鍵的變色由于之前比較“1”和“3”，沿線演奏錯誤，于是把紅色屬性（代表錯誤）送到“1”對應的前面板中右上角鍵盤“1”對應按鍵的屬性節(jié)點-顏色 中 實現(xiàn)變色，延遲0.5秒后，把白色屬性重新送入該按鍵、 之后，把黃色屬性（代表下一個音）送到即將演奏音階對應的按鈕中，等到下一次按鍵判斷完后，恢復白色如此循環(huán)，直到把譜子中所有音階演奏完后，做判斷，彈窗提示你的得分 這就是一個大致的流程。Ø 譜子系統(tǒng)，變色系統(tǒng)剛才提到了許多關于“1”“3”變色等內(nèi)容，他們屬于我們定義的規(guī)則，那么接下來把譜子

16、系統(tǒng)變色系統(tǒng)作介紹19：分別代表duo,re,mi,fa,suo,na,xi,duo+,re+；S:suo- ; N:na- ;X:xi-;M:mi+;回車：延遲0.4秒空格：延遲0.15秒“-”：延遲0.05秒變紅色：演奏錯誤變黃色：此音階時下一個要演奏的音階變綠色：演奏正確變白色：默認顏色其實單單一個流程遠沒有把，程序框圖中的每個部分都介紹到，由于要考慮到程序的完整性，細節(jié)處理很多，此處提一個比較重要的細節(jié)處理空格處理：在計算得分的時候，我們用演奏正確的數(shù)目除以總長度，此處的總長度并非為曲譜長度，而是去除了空格回車之后的曲譜長度因此要做如下圖的處理，即將演奏為“默認”時空格個數(shù)加1，“默認”表示非音階字符串。最后除以的是譜子長度與空格個