基于LabVIEW的簡易鍵盤電子琴設(shè)計(jì)

舒景東,劉 龍

(武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430072)

基于LabVIEW的簡易鍵盤電子琴設(shè)計(jì)

舒景東,劉 龍

(武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430072)

本文主要論述了以LabVIEW為開發(fā)軟件設(shè)計(jì)簡易八音鍵盤電子琴的原理。播放聲音的子VI使用正弦波形模塊產(chǎn)生特定頻率的波形輸入到播放波形模塊，最后LabVIEW通過調(diào)用電腦揚(yáng)聲器發(fā)出對應(yīng)的聲音。將用于檢測“鍵按下”的事件結(jié)構(gòu)放入While循環(huán)結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)循環(huán)檢測，“鍵按下”的事件結(jié)構(gòu)通過搜索一維數(shù)組實(shí)現(xiàn)特定按鍵的判別，調(diào)用播放聲音的子VI實(shí)現(xiàn)電子琴的功能。

LabVIEW；鍵盤；電子琴

LabVIEW是美國NI公司開發(fā)的功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集處理軟件，同時(shí)也是有效的通用編程系統(tǒng)，提供圖形化的編程界面，采用的圖形化程序語言稱為“G”語言，類似于Simulink，將不同模塊連接起來構(gòu)成一個(gè)完整的程序，編程方式基于數(shù)據(jù)流，程序的執(zhí)行順序由數(shù)據(jù)流向決定[1]。LabVIEW集成了眾多函數(shù)庫，包括串口控制，數(shù)據(jù)采集與分析、數(shù)據(jù)存儲及顯示等。還提供斷點(diǎn)和探針用于程序調(diào)試，可以單步運(yùn)行程序。目前電子琴實(shí)物體積都比較大，而LabVIEW的各種聲音處理模塊和輸入輸出模塊為設(shè)計(jì)電子琴提供了方便，圖形化界面不僅有利于編程，還便于程序的使用，基于LabVIEW的簡易電子琴具有使用和攜帶簡便的特點(diǎn)。

1 電子琴原理

電子琴目前常用的音源采樣方式是PCM，將樂器的聲音數(shù)字化后存入存儲器，用戶按下按鍵，控制芯片控制DA電路和揚(yáng)聲器將對應(yīng)數(shù)字信號轉(zhuǎn)化成聲信號[2]。老式電子琴采用振蕩器和分頻器實(shí)現(xiàn)聲音的合成。振蕩器可以產(chǎn)生一定頻率的振蕩信號，再經(jīng)過分頻器從而得到不同頻率的信號，經(jīng)過運(yùn)放電路，最后使揚(yáng)聲器發(fā)出所需聲音。鍵盤用于控制進(jìn)入揚(yáng)聲器的振蕩信號，最終實(shí)現(xiàn)電子琴的功能。

2 LabVIEW介紹

LabVIEW工作界面包括前面板和后面板，后面板也稱程序框圖面板，前面板展示控件的用戶界面，程序框圖面板用于程序的設(shè)計(jì)。在前面板上右鍵可以調(diào)出控件選擇面板，控件選擇面板提供數(shù)值、布爾、字符串與路徑等控件。這些控件具有不同的樣式可供選擇，包括新式、銀色、系統(tǒng)、經(jīng)典等；控件選擇面板中還有.Net與ActiveX、信號處理、附加工具包、用戶控件幾類可供選擇。將選中的控件拖放到前面板上，部分控件在程序框圖面板有對應(yīng)的模塊，雙擊前面板上的這些控件可以定位到程序框圖面板中對應(yīng)模塊。

在后面板即函數(shù)框圖面板通過菜單欄上的查看選項(xiàng)卡可以打開函數(shù)選板，不僅包括用于編程的普通函數(shù)控件如數(shù)組、布爾、定時(shí)、字符串等，還包括如下類別的函數(shù)：互連接口、用戶庫、信號處理、數(shù)學(xué)、儀器I/O、自建VI、測量I/O、數(shù)據(jù)通信、Express、附加工具包。在前面板和后面板都可以從菜單欄中的查看選項(xiàng)卡打開工具選板，實(shí)現(xiàn)設(shè)置斷點(diǎn)、探針、編輯文本、獲取顏色、連線等操作?？梢赃x擇新建空白項(xiàng)目或者從軟件提供的模板，范例項(xiàng)目開始編程，還可以選擇創(chuàng)建新VI。前面板放置控件主要用于輸入數(shù)據(jù)和顯示數(shù)據(jù)，后面板用于函數(shù)框圖的設(shè)計(jì)，包括節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)端口、連線。節(jié)點(diǎn)的類型包括函數(shù)、子VI程序、數(shù)據(jù)等；端口指節(jié)點(diǎn)上用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌?；連線指程序框圖中用于連接不同模塊，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)連線。LabVIEW中可以根據(jù)需要將顯示對象轉(zhuǎn)換成控制對象，也可以將控制對象轉(zhuǎn)換成顯示對象。

3 簡易鍵盤電子琴的設(shè)計(jì)

電子琴發(fā)出的不同的聲音是由不同頻率波形經(jīng)過放大電路再經(jīng)揚(yáng)聲器后產(chǎn)生的，一定頻率的聲音對應(yīng)特定的音調(diào)。音調(diào)越高代表聲音信號的頻率越高。不同曲調(diào)的第一個(gè)音階具有不同的頻率。本文使用的八度音階與頻率的對應(yīng)關(guān)系如表1所示[3]。

表1 八音階對應(yīng)頻率

為了便于LabVIEW程序的調(diào)試和維護(hù)，將簡易電子琴播放聲音的功能封裝成一個(gè)子VI。首先進(jìn)入程序框圖面板，打開函數(shù)選板，選擇播放波形，正弦波形，數(shù)值常量，簇常量放入框圖面板，再從控件選板中選出數(shù)值輸入控件放入前面板，回到程序框圖面板，將上述控件如圖1連接。然后在前面板指定連接到正弦波形控件的數(shù)值輸入控件為子VI的輸入端口，還可重新繪制子VI的圖標(biāo)，然后保存為VI，在被其他VI調(diào)用時(shí)，其作為子VI運(yùn)行。

圖1 播放某一頻率的VI

新建一個(gè)VI文件，作為主程序，添加事件結(jié)構(gòu)，再增加事件分支1，事件源為本VI，事件為“鍵按下”，分支0默認(rèn)為超時(shí)。切換到分支1，在事件結(jié)構(gòu)中，添加初始化鍵盤模塊，連接到8個(gè)輸入數(shù)據(jù)采集模塊，再分別將輸入數(shù)據(jù)采集模塊的輸出端口——按下的按鍵，連接到搜索一維數(shù)組模塊的一維數(shù)組端口；將8個(gè)枚舉常量分別連接到8個(gè)搜索一維數(shù)組模塊的元素端口；再將值為0的數(shù)值常量連接到搜索一維數(shù)組的開始索引端口；搜索一維數(shù)組的輸出端口即元素索引連接到相等判別模塊，相等判別模塊的另外一個(gè)輸入端連接一個(gè)值為0的數(shù)值常量，相等判別模塊的輸出為布爾量。切換到前面板，放置8個(gè)布爾圓形指示燈和8個(gè)確定按鈕，并將8個(gè)確定按鈕都轉(zhuǎn)換成顯示控件，回到后面板，放置8個(gè)條件結(jié)構(gòu)，真分支內(nèi)放置前述播放聲音的子VI，并且根據(jù)音階的不同，設(shè)置不同的頻率輸入。最后將相等判別模塊輸出的信號連接到確定按鈕，圓形指示燈以及條件結(jié)構(gòu)；將事件結(jié)構(gòu)放入While循環(huán)，設(shè)置為一直運(yùn)行，保證循環(huán)檢測按鍵。切換到前面板，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕即可開始運(yùn)行程序，按下鍵盤上從A到K的幾個(gè)按鍵，電腦會發(fā)出對應(yīng)的聲音，同時(shí)確定按鈕變成深色，下方的圓形指示燈亮起。前面板和后面板如圖2，3所示。

圖2 主VI前面板程序

圖3 主VI后面板程序

4 結(jié)論

LabVIEW作為圖形化編程軟件，有效提高了編程的直觀性，提升了編程的效率，基于LabVIEW的簡易鍵盤電子琴核心模塊為實(shí)現(xiàn)聲音信號合成的正弦波形生成模塊和實(shí)現(xiàn)鍵盤信號捕捉的事件結(jié)構(gòu)，簡易電子琴用戶界面友好，在此基礎(chǔ)上還可以結(jié)合其他硬件實(shí)現(xiàn)更加豐富的發(fā)音。

[1] 張國華，朱麗琴.基于LabVIEW可彈奏電子琴的設(shè)計(jì)[J].電子世界,2013(12):123-124.

[2] 王隨.嵌入式電子琴輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].南京:東南大學(xué),2015.

[3] 蘭羽，周茜.基于Multisim八音階電子琴的設(shè)計(jì)與仿真[J].電子設(shè)計(jì)工,2012(12):52-54.

Design of Simple Keyboard Electronic Organ Based on LabVIEW

Shu Jingdong, Liu Long

(SchoolofElectricalEngineering,WuhanUniversity,WuhanHubei430072,China)

This paper mainly discusses the principle of designing simple octave keyboard electronic organ based on the development software of LabVIEW. The VI which plays sounds uses sine wave module to generate specific frequency then input into signal of broadcast waveform module, finally LabVIEW plays the corresponding sounds by calling computer loudspeaker. The event structure which is used to detect the "pressing button" is put into the While loop structure to achieve cycle detection, and the "pressing button" event structure identifies the specific key by searching one-dimensional array, and calls voice sub VI to achieve the function of the electronic organ.

LabVIEW; keyboard; electronic organ

2017-07-25

舒景東(1996- )，男，湖南懷化人，本科在讀，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)。

1674- 4578(2017)04- 0066- 03

TP391.9

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