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）
图2.2 八度音阶与频率对应关系
那么当我们按下DUO按钮时，布尔数组第一个值为真，控制发出261.63Hz的声音，同理按下NA按钮时，布尔数组第六个值为真，控制发出440Hz的声音，如此，实现了鼠标控制；
测试鼠标控制发音正常。

并行结构的好处：为什么我们要按这种并行检测每一位然后分别播放的结构？实际上是为了解决多个按钮同时按下的时候，能两个音同时发出的需求。

◆机械按键控制
机械按键控制与鼠标控制的后面发声部分完全一样，只是前面的簇改为了DAQ 助手，DAQ助手选用的是端口采样PORT0，外围硬件接线很简单，用共阳极结构，将MYDAQ的PORT的8个端口分别接面包板上八个按钮的一端，8个按钮另
一端接+5V电压高电平，此处没有图。

因此，DAQ助手输出的是十进制数，将其转换为2进制数后，后续操作同上。

程序如图2.3
图2.3 机械按键控制发声
机械按键控制的问题
机械按键的发声测试播放波形时，效果正常；
但是播放文件时，由于DAQ助手采样很快，所以按下按钮时，WAV文件会播放很多次，导致声音混叠，我们的解决方法时采用延迟一小段时间的方法，播放文件条件分支里用的是层叠结构，在后面的帧里设置延迟0.1秒，如图2.4
图2.4 播放波形条件分支中的延迟
至此不算扩展功能，我们的基本功能已经实现。

图形界面模块
前面提及了基本发音及控制，为了实现扩展功能，必须把程序的大体结构和前面板的界面作介绍，前面板如图3.1
图3.1 前面板
前面板结构：
左边是曲谱的提示部分；中上是选择控制部分；右上是提示面板（演奏时才有变化）；右下是鼠标控制的布尔按钮（设置快捷键之后可以键盘控制）
前面板以蓝色为背景，黑白为主色，其他颜色为辅色做提示，整个布局提示在左，操作在右，控制在上，钢琴按键的制作只需将布尔按钮拉长之后用工具选板做变色处理，简单但美观。

后面板介绍
演奏方式控制模块：对应前面板的演奏方式按钮，控制是否自动播放，以及鼠标/键盘控制，还是机械按钮控制。

如图3.2
图3.2 演奏方式控制
歌曲选择控制模块：对应前面板的歌曲选单，决定演奏/自动播放那首歌如图3.3
图3.3 歌曲选择控制
曲目演奏主模块，包括打分主程序，颜色提示主程序，演奏时的变量控制如图3.4
图3.4 曲目演奏主模块
自动播放模块，自动播放的实现程序，如图3.5
图3.5 自动播放模块以及之前提到的播放声音模块，如图3.6
图3.6 播放声音模块曲谱文件的读取模块，如图3.7
图3.7 文件读取模块
这里只对每一个模块做一个说明，对应到具体的扩展应用时，再将具体的结构加以说明，下面将介绍扩展功能的实现
曲谱练习（扩展）
曲谱练习模块的基本原理就是选择完曲目后，程序会从TXT文件里面读取相应的曲谱，读取到的内容输出为字符串，每弹奏一次时，把弹奏的按键对应的数与曲谱中即将弹奏的音对应的数作比较，如果为真，加1分，如果为假，不加分，同时用一个变量记录剩余曲谱的长度，剩余曲谱长度为0时，把总的得分除以曲谱的长度，得到最终的得分。

由于程序太过庞大，无法展示所有的条件分支
下面以一个流程说明程序的工作
①程序运行后选择以下控制方式
选择鼠标控制，钢琴音，歌曲练习，歌曲选“我的歌声里”
那么歌曲谱变量内容变为“我的歌声里”，如下图4.1：
图4.1 歌曲谱的改变
此时先从TXT中读取字符串，歌曲列表为0时（对应下拉框选择第一个选项“我的歌声里”），把已经读取的字符串送入歌曲谱，那么界面左边的歌曲谱发生了改变，同时做了图4.2的初始化，包括即将演奏音阶的读取，前面板进度条总长度的自适应，歌曲谱送入剩余歌曲谱，即将演奏的第一个音为“3”，长度为“99”。

图4.2 选择歌曲后的初始化
②按下乐谱的一个音“1”（举例为“1”也可为其他）
那么程序先判断是否按下
按下时，比较的结果为假，把“1”送入当前演奏音阶和演奏记录
接下来把剩余曲谱中的第一个音“3”送入当前乐谱音阶
剩余乐谱减一
建议后的剩余乐谱第一个送入即将演奏音阶
接着作比较“1”和“3”比较，不相等，于是正确数目不加1，否则加1
图4.1 加分的判断
③提示按键的变色
由于之前比较“1”和“3”，沿线演奏错误，于是把红色属性（代表错误）送到“1”
对应的前面板中右上角键盘“1”对应按键的属性节点-颜色中实现变色，延迟
0.5秒后，把白色属性重新送入该按键
、
之后，把黄色属性（代表下一个音）送到即将演奏音阶对应的按钮中，等到下一次按键判断完后，恢复白色
如此循环，直到把谱子中所有音阶演奏完后，做判断，弹窗提示你的得分
这就是一个大致的流程。

谱子系统，变色系统
刚才提到了许多关于“1”“3”变色等内容，他们属于我们定义的规则，那么接下来把谱子系统变色系统作介绍
1~9：分别代表duo,re,mi,fa,suo,na,xi,duo+,re+；
S:suo- ;
N:na- ;
X:xi-;
M:mi+;
回车：延迟0.4秒
空格：延迟0.15秒
“-”：延迟0.05秒
变红色：演奏错误
变黄色：此音阶时下一个要演奏的音阶
变绿色：演奏正确
变白色：默认颜色
其实单单一个流程远没有把，程序框图中的每个部分都介绍到，由于要考虑到程序的完整性，细节处理很多，此处提一个比较重要的细节处理
空格处理：在计算得分的时候，我们用演奏正确的数目除以总长度，此处的总长度并非为曲谱长度，而是去除了空格回车之后的曲谱长度因此要做如下图的处理，即将演奏为“默认”时空格个数加1，“默认”表示非音阶字符串。

最后除以的是谱子长度与空格个数只差。

下面将介绍自动演奏模块。

自动演奏模块
三、总结展望：
从此次课设中我们学到了很多东西，对LavVIEW的理解又上升了一个档次，对条件结构的使用更加娴熟，对属性节点，层序结构使用更为熟练，电子琴本身项目的原因也让我们扩充了多方面的知识，不论是从编程，理论知识，设计，其他软件使用方面都对我们有所锻炼，但是即便如此，我们的程序仍有很大的提升空间，比如，我们可以扩展无线控制模块，MATLAB声音处理模块，等更多系统的扩展，但是这也需要我们积累更多的知识之后才能完成，最后感谢老师对我们的指导与帮助。