基于LabVIEW的便携式按键钢琴

虚拟仪器技术及应用

--基于LabVIEW的便携式按键钢琴

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一、设计要求：

基本功能要求：便携式按键钢琴

思路: 利用myDAQ的8个数字I/O通道作为琴键输入，通过LabVIEW编程合成出所需频率的声音，经过D/A变换后通过Audio Out端口放大输出。程序中通过设置不同的谐波组合可以最终混合出不同乐器的音色。

说明：除了数字I/O的信号采集和模拟信号输出之外，这个题目的主要工作在软件方面的数字信号处理与合成（比如，如果同时按下两个按键，出来的效果应该是两个音的叠加；同时还要考虑针对不同乐器不同音色所对应增加的谐波比例）。软件上还可以增加其他功能，例如可以选择将PC音频输出的音乐通过myDAQ的Audio In端采集后增加混音或重低音效果等然后再通过Audio Out端播放出来。在硬件方面，可以扩展的一些工作包括琴键输入开关的毛刺滤除电路设计、音频输出后再做一级放大电路等。由于myDAQ只有8个数字I/O端口，因此只能做一个八音阶。

衍生功能要求：便携式曲目练习器

思路：播放一首歌曲的同时，在PC界面上显示乐谱（或者当前的音阶和拍长），练习者需要按下对应的按键，这些按键连接到myDAQ的数字I/O端口，从而计算机可以判断是否正确，乐曲结束后根据按键的正确性和节奏的正确性给于相应评分。

说明：本题目硬件与上一题目基本相同，在练习时可以播放原有旋律，同时记录练习者的按键顺序和时长，合成成乐声在练习结束后播放，并与原旋律比较。相比上一题目，需要在软件中记录数字键输入的顺序和时长。此外，可以设置不同的难度级别。

本程序功能规划：

根据已有的功能要求，我们需要制定一下我们电子琴程序的方向，究竟要做到什么地步，要做哪些功能，经过小组内的讨论，以及与指导老师的交流，再就是根据我们目前对MyDaq以及LabView的掌握情况，我们制定了如下的具体要求：

1.图形界面模块：一个非常形似电子琴的图形界面，做到界面整洁美观，有区分度，交互通俗易懂

2.发声模块：电子琴的基本发声功能，做到不同音调，音色，音量

3.控制方式模块：做到能用鼠标，键盘和基于MYDAQ的机械按键控制

4.扩展模块：

①曲目练习器模块：考虑到现有设备的局限性以及知识的局限性，我们现在把曲目练习模块简化为：通过文件IO读取歌曲TXT曲谱，根据曲谱控制钢琴的按键的变色从而作为演奏提示，最后不考虑节奏只考虑曲谱声调的正确率做打分。

②自动播放模块：该模块做到根据TXT曲谱来自动演奏钢琴乐。

③除此之外，由于涉及曲目练习，我们还要做歌曲的曲谱以及声音文件。

二、模块实现：

在做本次程序之前，我们进行了充分的调研工作，包括：

●LabVIEW图形界面系列-色彩搭配；

●八度音阶频率关系对应表；

●乐器音色的原理；

●钢琴音色的制作；

●曲目曲谱的设计及制作；

●LabVIEW文件IO及属性节点的使用；

●MYDAQ设备的基本使用及设备可实现功能；

下面将按搭建顺序一一介绍每一个模块的具体实现，最后介绍每个模块之间是如何联系起来的。

⏹发声模块

◆播放正弦波

要做电子琴，理所当然我们第一步想的就是如何发声，想到以前在《数字信号处理》课程中做过语音信号的处理相关编程，知道播放固定频率的正弦波可以发出声音，再查看LabVIEW所支持的函数，定下了初步的思路，即：首先产生一定频率的正弦波，设置好采样频率以及时长，送播放波形函数，如下图1.1：

图1.1 播放正弦波图1.2 播放三角波

于是，我们马上做了一个布尔按钮做测试，利用条件结构（布尔变量为真送一个数字，如266，到正弦波产生函数的输入参数-频率中）实现了发声，但有两个问题：

①音质很差（主要因为音色）

②有很强的尾音（声音突然停止产生的刺耳噪声）

但无论如何我们成功实现了发声。

◆播放三角波

为了解决第一个问题，之后查阅了相关内容，知道：不同音色是由某一基频的正弦波叠加上一定比例的谐波成分实现；

于是我们做了如下处理：

如图1.2，先同样方法产生一定频率的三角波，再通过低通滤波器，我们知道周期的三角波一定可以分解为基波和谐波相加，经过低通滤波器滤除高频后，出来的声音与正弦波是不同的音色

结果正如我们所想，出来的音色不同，音色更像电子音，但尾声仍存在。

◆播放公式波形

为了解决尾声的问题，我们想如果能让音的尾部音量变小就好了，于是找到了公式波形，将正弦波的幅度随时间改变，开始和末尾的幅度偏小，中间幅度最大，用了如下的公式：

sin(w*t)*sin(m*t)；

幅度A（t）= sin(m*t)，使

π/m = 采样数/ 采样频率

我们设计的采样数为5000，采样率为11025，那么差不多m = 2π；于是设计的第三种音色如图1.3：

图1.3 播放公式波形图1.4 播放WAV文件

效果比之前两个都好，音色像管弦乐器，尾音更小。

播放文件

公式波形仍然不能满足我们对完美音色的要求，于是我们决定用另外一种发声机制-播放文件，在网上找了很久没有发现好的八度音阶音色后，我们开始了自己制作相关的音色，还好本组同学中之前有对音乐软件的了解，用

++ =

制作出了所需的WAV文件。

我们并用如图1.4的结构实现了WAV播放，由于是外部音，所以效果很好，只是第一次载入有些慢。

至此，我们实现了四种音色，接下来就要讨论如何控制发声

⏹控制模块

由于调试的需要（调试时基本都用鼠标），以及DAQ设备的抢手，我们最初只做了两种控制模式，鼠标控制，以及机械按钮控制。

◆鼠标控制

原理上很简单，无论是鼠标控制的8个布尔按钮，还是MYDAQ采集到的面包板上8个按键，输出的都是一个1D的长度为8的布尔数组，通过对布尔数组的每一位做检索，为1则发声，为0则不发声。程序框图如图2.1

图2.1 鼠标控制发声的结构

图中显示的是把鼠标控制的八个布尔按钮（实际鼠标可以控制13个按钮，但因为机械按键只有8个，这里只说八个）集中到一个簇中，在转换为布尔数字，检索布尔数组每一位，如果为1则发出对应频率的声，此处我们查询了音调和频率对应表，如图2.2，得出下面对印关系

Duo re mi fa suo na xi dou+

261.63 293.66 329.63 349.23 392 440 493.88 523.25 （HZ）