基于Labview压力电子琴的设计

基于Labview压力电子琴的设计
作者：杜鸣笛何淑珍
来源：《科技资讯》2017年第17期
摘要：该文采用Labview软件设计了压力电子琴。

利用惠斯通电路原理设计外部压力系统，对输出电压进行放大，采用DAQ数据采集通道来采集该系统所感应压力机械信号成比例的电压信号。

采集的数据在内部进行处理后，实现压力的变化引起输出音调的变化。

关键词：电子琴压力惠斯通
中图分类号：TP216 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）06（b）-0097-03
Labview是一种较先进的工业标准图形化用于编程的工具，是1986年美国国家仪器公司提出的一个概念，是计算机辅助测试（CAT）行业的一项非常重要的技术。

同时它也有一些强大的基本功能，包括一些程序调试工具，如单步执行等。

运用虚拟仪器技术设计，思路清晰，编程、调试和功能十分简单。

关于电子琴的发展，不同的科研人员采用不同的方法。

如：付梦婷用VHDL语言设计了一个产生88个电子琴琴音的数字电路。

王江伟设计了一种激光虚拟电子琴的工作原理和制作过程，通过红外手指定位技术来确定按键，控制音响部分发出相应的声音。

钟秀媚设计采用硬件电路与软件程序相结合的方式，设计的思路是采用一个模拟键盘，由超声波来测定手的位置，测定后数据反馈给FPGA处理模块，内部处理结束后输出对应的频率，再由扬声器进行播放。

王杰等采用嵌入式开发板设计了一个电子琴，电子琴采用触摸式液晶屏按键，由按键来控制脉冲宽度调制波形进行演奏，不同的音符会使得LED灯有不同的闪烁方式，另外还能播放预置歌曲。

王洋设计以AT89S52单片机作为系统核心控制器，通过外部硬件电路的实现和软件的设计，最终实现电子琴的演奏、播放功能。

张国华采用软件的方式，设计的思路是采用前面板设计模拟琴键，程序则负责在有琴键按下的时候，播放对应频率的音乐。

1 压力电子琴程序流程
压力电子琴程序流程图如图1所示。

首先电压信号产生和放大；再采用DAQ采集放大的电压信号；然后就是一个多重判断，根据电压大小所在的范围来给y赋不同的值。

当电压为负值或高于设计的范围，则会给y赋“0”值。

程序运行依据y值来跳转到不同的程序段执行。

执行时，将一个数字频率输入控件，控件负责播放该频率对应的声音。

2 电压信号的产生
外部设计电路就是电压信号产生电路，也是惠斯通电路，如图2所示。

电路由三个固定电阻和一个可变电阻组成。

固定电阻阻值为R1=R2=R3=2 kΩ，可变电阻Rx的最大值为2 kΩ。

电阻是由敏感栅等构成用于测量应变的元件。

它能够将机械构件上的形变转换为电阻变化，感
应灵敏度极高。

在图2中，如果四个电阻阻值相同，此时处于电桥平衡状态。

如果此时电阻应变片的阻值发生变化，平衡状态被打破，变化电阻对应着变化的电压值，由此可以把不可测量的压力信号转化为可测量的电信号。

声音的一般音调是由0～7组成，相对应8个键，图3是琴键和音调对应的示意图。

8个键根据力的大小和形变的大小来控制。

3 电压信号的放大
通过改变压力来改变电阻的阻值，尽管构件已经发生最大的形变，但电阻应变片发生的阻值变化太小，故引起的电压变化自然很小。

一般情况下，电压的输出值太小，无法很好地对应进行判断。

电桥输出的电压值不仅很小且易被外界信号干扰，所以在电桥输出之后必须加入放大电路和抗干扰电路。

具体的硬件电路原理图如图4所示。

当压力传感装置感知的压力产生变化后，传感器里的电阻阻值便会相应的进行变化，进而引起压力桥式测量电路输出的电压发生变化，该变化的电信号经由连接元件J2输入后被前三个LM324构成的差分放大电路执行一级放大，最终在CH2端输出一个被LM324的U8A进行二级放大后正比于压力F的电压信号。

4 Labview软件设计
8个音调对应的8个键，每个键都是0和1两种状态，因此需要设计8个条件结构，每个条件结构有“真”“假”两个分支。

然后采用“仿真信号”控件，只需要设置信号类型为“正弦”波形，其他无需设置，点击确定保存即可。

将条件结构中8个分支下的数值常量与“仿真信号”控件的“频率”接线端连接。

软件设计流程如图5所示。

5 实验调试
此外，把设计的控制软件和放大电路共同组合和调试，可以得到如下的效果。

（1）基本可控制的力的大小，实现单键发音。

（2）能够弹奏非常简单的曲子。

但是也存在很大的问题，力的大小很难把握和控制，经常出现跑调等情况。

6 结语
该文利用惠斯通电路原理设计外部压力感应系统，根据放大电路对输出电压进行放大，采用DAQ数据采集通道来采集该系统所感应与压力机械信号成比例的电压信号。

利用Labview 软件设计压力感电子琴，采集的数据在内部进行处理后，实现压力的变化引起输出音乐频率的变化。

按的力度不同，会有不同音调的声音。

参考文献
[1] 陈锡辉，张银红.LabVIEW 8.20程序设计从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2007：60-65.
[2] 龙马工作室.labview完全自学手册[M].北京：人民邮电出版社，2005：104-105.
[3] 张金.LabVIEW程序设计与应用[M].北京：电子工业出版社，2015：93-96.。