一種基于Arduino平臺的數(shù)字音符實(shí)時(shí)顯示設(shè)計(jì)分析

呂博

(寶雞文理學(xué)院 音樂學(xué)院,寶雞 721013)

0 引言

隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步，人們的學(xué)習(xí)和工作變得更加智能化，現(xiàn)代信息技術(shù)逐漸代替了人們基本的人工勞動(dòng)，很多行業(yè)也開始借助計(jì)算機(jī)來進(jìn)行工作[1]。本文分析的數(shù)字音符主要是利用單片機(jī)技術(shù)，讓高低音調(diào)音頻可以在顯示屏上以音樂簡譜的方式展示出來，這樣可以更好人工代替“翻譯”，從而幫助音樂愛好者學(xué)習(xí)，有助于地方音樂的數(shù)字化記錄。本文將用到具有Arduino的設(shè)備作為開發(fā)板，以及LCD顯示器、音頻傳感器等[2-3]。Arduino就像C語言、java所處的Processing/Wiring開發(fā)環(huán)境。

1 數(shù)字音符實(shí)現(xiàn)的原理

Arduino是建立在Simple I/O平臺上開放原始代碼，它的功能比較豐富，使用比較方面，價(jià)格低廉，所以在電子系統(tǒng)、互動(dòng)功能開發(fā)方面使用比較廣泛。該開發(fā)并平臺是以ArduinoUNO為控制核心平臺，它具有以數(shù)組形式的節(jié)拍數(shù)據(jù)、樂曲音高等數(shù)據(jù)，可以與外圍設(shè)備接口連接實(shí)現(xiàn)通信，從而實(shí)現(xiàn)音樂播放[4-5]。音符簡譜顯示包括字母簡譜、數(shù)字簡譜兩種，而本文主要分析的是數(shù)字簡譜，每種頻率都有自己對應(yīng)音符。

在聲學(xué)中，“樂音”是指發(fā)音物體表現(xiàn)有規(guī)律的震動(dòng)產(chǎn)生的固定音頻，如小提琴、鋼琴、西府曲子伴奏樂器二胡、三弦等樂器發(fā)出的樂音。從聲學(xué)原理中分析樂音的主要特征包括：音色、響度、音調(diào)，而音調(diào)是不同的樂音基波頻率決定，通常使用音符進(jìn)行表示，比如：494 Hz這個(gè)基波頻率就自己對應(yīng)的音符[6-7]。利用快速傅里葉對任意一個(gè)樂音信號進(jìn)行變換，可以得到每個(gè)頻率變換后基波頻率對應(yīng)的幅值大小。通過該功能可以先提取基波頻率在完成之后的系列換算，從而實(shí)現(xiàn)音符的轉(zhuǎn)變并顯示。數(shù)字音符硬件實(shí)時(shí)顯示連接圖,如圖1所示。

2 Arduino平臺數(shù)字音符顯示設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1 信號的輸入和采集

本文主要利用奈奎斯特采樣定理進(jìn)行信號的采集和輸入，該定理就是如果在有限的頻帶寬度下，從抽樣信號中完全恢復(fù)原來的信號，這時(shí)的抽樣頻率需要大于2倍最高信號頻率。也就說在采集信號的時(shí)候需要選擇大于最高頻率的2倍頻率，這樣才不會(huì)出現(xiàn)信號重疊情況。本次研究主要以2 000 Hz以下的中低音頻信號進(jìn)行分析，其中采樣的頻率是5 120 Hz(每個(gè)195 μs進(jìn)行一次采樣)[8-9]。這里使用音頻傳感器將檢測的聲音變成輸入的音頻信號到Arduino接口ADC(A0)處，在將每個(gè)250 ms采集一次信息輸入系統(tǒng)中，每次采樣的點(diǎn)數(shù)是256點(diǎn)，這里使用fs、f0、n作為采樣的頻率、頻率分辨率、采樣點(diǎn)數(shù)等，而f0=fs/n，之后將音頻信號256點(diǎn)進(jìn)行FFT轉(zhuǎn)變，得到頻率分辨率是20 Hz。

圖1 硬件實(shí)時(shí)連接的數(shù)字音符示意圖

2.2 提取基波頻率

FFT提取基波頻率時(shí)，需要CIA楊頻率大于基波頻率，這樣才能保證基波頻率采集的完整性。將采取數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT轉(zhuǎn)變之后，確定轉(zhuǎn)變之后的幅值最大點(diǎn)以及其對應(yīng)的序號，給其賦值num變量，之后在將num變量與頻率分辨率20 Hz相乘，即可得到基波頻率，這里使用的公式是fn=num×f0，其中f0=20 Hz，fn是基波頻率)。

2.3 數(shù)字音符的顯示

本次研究主要顯示十六分音符、四分音符、八分音符等。這里假設(shè)十六分音符有250 ms的時(shí)長，而四份音符時(shí)長是1 s，八分音符的是500 ms，之后分析每個(gè)音符之間存在的時(shí)值關(guān)系。

在實(shí)際中獲得樂器聲音頻率無法得到準(zhǔn)確的理論值，需要對這些頻率規(guī)定一定的區(qū)間范圍。本次研究是選擇相鄰音符之間的平均值作為分界，比如：3、4、5音符對應(yīng)的音符頻率是658 Hz、697 Hz、783 Hz等，根據(jù)上述分析本次研究使用的頻率分辨率是20 Hz，所以這里選擇的頻率是680～740 Hz(&num≤37，num≥34)，而選擇的音符可以用“4”表示。為了方便編程，這里使用數(shù)字1～7、11～17、111～117來表示音符“1”～“7”、“1”～“7”、“1”～“7”，這里使用數(shù)字“8”表示休止符“0”。

根據(jù)預(yù)先規(guī)定好的音符范圍提取基波頻率，將這些轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字，之后根據(jù)每16個(gè)數(shù)字構(gòu)成一組數(shù)據(jù)，根據(jù)先后順序添加一個(gè)整形數(shù)組大小是16的m[]。之后將m[]中元素相同或是相鄰的參數(shù)進(jìn)行合并，將合并得到的元素與10相乘，在進(jìn)行以此循環(huán)合并。在合并后這些元素還是不能整除10，就需要在顯示音符后面增加一個(gè)“=”；如果能被10整除但是不能被100整除，需要在音符下面添加一個(gè)“-”。在計(jì)算下一組數(shù)據(jù)時(shí)，需要清空m[]數(shù)據(jù)，在重新建立下一組數(shù)據(jù)。因?yàn)樘崛∶總€(gè)基波頻率是時(shí)間是相隔0.25 s，提取每組數(shù)據(jù)，以及LCD上的音符顯示時(shí)間都是4 s(16×0.25 s)。

2.5 主要程序編輯

關(guān)于音符實(shí)時(shí)顯示程序的編輯如下：

For(int i=0;i<512;i+=2){//輸入256個(gè)點(diǎn)

delayMicroseconds(195)；//每個(gè)195 μs進(jìn)行時(shí)間采樣

Wile(！(ADCSRA & 0×10))；//進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣

ADCSRA=0xf5；

Byte m=ADCL；

byte j=ADCH；

int k=(j<<8)|m；

k-=0×0200；

K<<=6；

FFT_input[i]=k；//轉(zhuǎn)變成了整型數(shù)據(jù)16位的

FFT_input[i]=k；//把收集到的數(shù)據(jù)輸入數(shù)組實(shí)部中

FFT_input[i+1]=0；//將虛部數(shù)據(jù)清空

}

FFT_window()；FFT_reoder()； //對FFT_input[]中的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整方便采取FFT轉(zhuǎn)變

FFT_run()； //將該部分的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT轉(zhuǎn)變

FFT_mag_lin()； //將轉(zhuǎn)變FFT后的每個(gè)頻率幅值按照順序保存在該部分中

for(byte i=3，max=0，num=3；i<128；i++){

/*為了減少直流信號的影響，將最大值點(diǎn)的頻率序號提取出來，i是從3開始不是由0開始/

if(FFT_mag_lin_out[i]>max)max=FFT_mag_lin_out[i]，num=i；

If(i==127){ //把num變成自己對應(yīng)的頻率數(shù)字

If(2

else if(2

//其他部分相似的程度結(jié)構(gòu)在這里不予多說

……

else if(num>94){m[1]=117；1=1+1；}

}

for( byte i=0；i<16；i++){

//將兩個(gè)相同或是相鄰的元素合并，在之后與10相乘

for(byte i=0；i<16；i++){

if(m[i]==m[i+2] & m[i+1]==0){m[i]=0；m[i+1]=10*m[i+2]；

}

for(byte i=0；i<16；i++){

if(m[i]==m[i+1]){m[i]=0；m[i+1]=10*m[i+1]；

}})}}

3 Arduino平臺數(shù)字音符顯示效果

之后將這些代碼編入Arduino IDE計(jì)算機(jī)程序中，與USB接口進(jìn)行連接，將Arduino開發(fā)板連接到計(jì)算機(jī)上。編譯完這些程序之后，將其下載到開發(fā)板上，之后將信號發(fā)生器形成的單一正弦頻率信號寫入到Arduino開發(fā)板上，這時(shí)LCD屏幕會(huì)根據(jù)接受到的信號顯示相應(yīng)的音符。這里將箏弦單一頻率信號進(jìn)行轉(zhuǎn)變，可以使音頻傳感器可以輸入的信號，因?yàn)闀?huì)受到噪聲等因素的影響，還有Arduino自身運(yùn)行的速度限制，而LCD屏幕顯示的音符和實(shí)際音符是存在誤差的，誤差程度和出現(xiàn)位置沒有確定性。其事物測試連接,如圖2所示。

圖2 數(shù)字音符實(shí)物實(shí)時(shí)顯示圖

這里長按“2”、“4”、“2”、“4”等音符相對應(yīng)的電子琴按鍵，進(jìn)行相應(yīng)的測試，得到的結(jié)果5安全與要求符合,如圖3、圖4所示。

4 總結(jié)

根據(jù)上述分析，本次研究在國內(nèi)關(guān)于音符的實(shí)時(shí)顯示也得到的突破了，目前關(guān)于該內(nèi)容的研究還是比較少，而市場上關(guān)于這種產(chǎn)品的銷售還是比較少。在后期的設(shè)計(jì)中可以選擇更好的語音處理設(shè)備，將Arduino 開發(fā)板換成DSP開發(fā)平臺，并對程序算法進(jìn)行相應(yīng)的完善，實(shí)現(xiàn)在屏幕上可以有重音記號、連音線等功能，同時(shí)可以是這樣的產(chǎn)品大量生產(chǎn)，向音樂結(jié)推廣，給音樂愛好者提供更好的設(shè)備。