基于光電傳感器的鋼琴訓(xùn)練評估系統(tǒng)開發(fā)

孟 俊，王祖文，魯序濤，侯君學(xué)，蘇小浩，梁 全

(沈陽工業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽110870)

由于我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們的需求不僅僅局限于物質(zhì)方面，對精神文化層次的需求也在日益增加。自學(xué)鋼琴時練習(xí)問題較為棘手，而我們開發(fā)的鋼琴訓(xùn)練評估系統(tǒng)能夠極大地提高鋼琴自學(xué)者的學(xué)習(xí)速度及其學(xué)習(xí)興趣。該系統(tǒng)裝置能夠提高琴鍵檢測的穩(wěn)定性，還能夠?qū)Τ杀具M行縮減，對鋼琴教育事業(yè)的發(fā)展具有一定的意義。所以，我們開展了鋼琴訓(xùn)練評估系統(tǒng)開發(fā)。

該項目結(jié)合當(dāng)前人們的鋼琴學(xué)習(xí)需求，進行嵌入式開發(fā)，能夠?qū)τ脩羲辞冁I位置做到實時反饋，通過LED屏幕顯示所按琴鍵的位置，使鋼琴學(xué)習(xí)者有更加直觀、更加便捷的感知。使用光電傳感器，能夠更加快捷地對琴鍵信息進行反饋，能夠更加高效地使鋼琴學(xué)習(xí)使用者看見自己所按琴鍵位置，對鋼琴初期學(xué)習(xí)者有一個良好的用戶體驗。

1 鋼琴訓(xùn)練評估系統(tǒng)中含有的設(shè)備

1.1 光電傳感器

對于整個鋼琴訓(xùn)練評估系統(tǒng)來說，光電傳感器用于采集琴鍵的主要信息，將其反饋的電壓信號傳輸給單片機，讓單片機在現(xiàn)有數(shù)據(jù)下，進行數(shù)據(jù)的處理以及運算，是整個鋼琴訓(xùn)練評估系統(tǒng)數(shù)據(jù)來源。

1.2 stm32單片機

在整個鋼琴訓(xùn)練評估系統(tǒng)正常運行的過程中，stm32單片機起到了至關(guān)重要的作用。stm32單片機主要用于光電傳感器的數(shù)據(jù)收集，將收集到的數(shù)據(jù)進行整理和分析，然后通過串口上傳到LED屏幕中去，給用戶帶來交互式的體驗，確保各項功能正常使用，以及實現(xiàn)基本的運算處理功能。

1.3 LED屏幕

起到跟用戶之間進行數(shù)據(jù)交互的作用，能夠?qū)纹瑱C處理的數(shù)據(jù)進行實時顯示。當(dāng)用戶想要進行功能的實現(xiàn)時，可以通過觸摸的方式使用戶的指令傳遞到單片機上，讓用戶和鋼琴訓(xùn)練評估系統(tǒng)進行互動，從而增加用戶的體驗感。

2 系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)建模

2.1 系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)模型的基本原則

鋼琴訓(xùn)練評估系統(tǒng)裝置設(shè)計最終以結(jié)構(gòu)的形式呈現(xiàn)出來。鋼琴訓(xùn)練評估系統(tǒng)安裝在鋼琴的上方，當(dāng)用戶進行鋼琴練習(xí)時，鋼琴訓(xùn)練評估系統(tǒng)裝置需要穩(wěn)定可靠的運行，才能夠使用戶在正常演奏鋼琴時，還能夠根據(jù)鋼琴訓(xùn)練評估系統(tǒng)反饋的信息，進行鋼琴演奏的相關(guān)訓(xùn)練。因此，在鋼琴訓(xùn)練評估系統(tǒng)機械裝置進行建模時，需要遵循以下原則：

(1)盡可能地減小檢測裝置的寬度，給用戶最大的演奏空間，讓用戶能夠在正常使用鋼琴的同時，還能夠配合鋼琴訓(xùn)練評估系統(tǒng)進行鋼琴相關(guān)的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練。

(2)裝置的整體需要跟鋼琴琴鍵的尺寸相符合，使鋼琴訓(xùn)練評估系統(tǒng)能夠很好地適用于當(dāng)前市場上絕大部分型號的鋼琴。

(3)裝置造型融入長方體的設(shè)計元素，整體結(jié)構(gòu)美觀，簡單。在檢測琴鍵時，裝置對琴鍵的狀態(tài)能夠快速反應(yīng)，保證其檢測的準(zhǔn)確性。

(4)整體裝置要拆卸和安裝方便，在日常維護中更加方便、快捷。

(5)系統(tǒng)中所有部件要設(shè)計合理，從而保證該系統(tǒng)有較高的可靠性。

(6)平衡該裝置的加工成本和精確度。

2.2 結(jié)構(gòu)建模

如圖1、圖2所示，鋼琴訓(xùn)練評估系統(tǒng)的基本機械結(jié)構(gòu)主要由1上板、2后板、3光電傳感器、4大擺塊、5小擺塊、6彈簧片構(gòu)成。圖1給出了鋼琴訓(xùn)練評估系統(tǒng)的基本機械結(jié)構(gòu)示意圖。上板主要用于電路板的存放和光電傳感器線路的布置。使整個裝置的電路布置能夠更加簡潔，防止用戶誤操作，從而導(dǎo)致線路的斷裂、損壞等，帶來一些不必要的風(fēng)險。后板主要用于LED屏幕的安裝和放置，進行孔位的布置，使用戶能夠更加直觀地看到LED屏幕的實時信息，以及用戶進行相關(guān)的模式設(shè)置操作等。光電傳感器主要用于檢測大擺塊以及小擺塊，當(dāng)琴鍵按下，大擺塊或小擺塊下落，光電傳感器感受到變化，反饋高低電平信息給單片機，單片機進行相關(guān)數(shù)據(jù)的處理。大擺塊用于遮擋光電傳感器，能夠通過物理方式給光電傳感器傳遞信息，將白色琴鍵的實時信息傳遞給單片機，大擺塊在整個系統(tǒng)中起到關(guān)鍵的作用。小擺塊用于黑色琴鍵的感知，因為黑色琴鍵區(qū)別于白色琴鍵，表面積較小，所以設(shè)計小擺塊的體積要區(qū)別于大擺塊，對于精度有一定的要求，反饋黑色琴鍵的信息。

圖1 鋼琴訓(xùn)練評估系統(tǒng)的基本機械結(jié)構(gòu)示意圖

圖2給出了鋼琴訓(xùn)練評估系統(tǒng)的基本機械結(jié)構(gòu)側(cè)面示意圖。彈簧片用于給擺塊增加外力，因為擺塊的質(zhì)量分布比較均勻，僅靠重力的作用不能夠使其進行正常下落，反應(yīng)也有所延遲，所以采用彈簧片的方法來給大小擺塊增加外力，能夠使擺塊更加快速地對鋼琴琴鍵進行反應(yīng)。

圖2 鋼琴訓(xùn)練評估系統(tǒng)的基本機械結(jié)構(gòu)側(cè)面示意圖

3 系統(tǒng)的電路和程序設(shè)計

3.1 系統(tǒng)的接口分析

系統(tǒng)的主要功能是檢測琴鍵的狀態(tài)，通過單片機進行信息的接收，然后將數(shù)據(jù)進行整合、處理，然后將用戶所需要的信息傳遞到LED屏上，與用戶進行交互。所以，進行琴鍵檢測的主要傳感器是安放在大小擺塊上方的光電傳感器。除此之外，還有電路設(shè)計的關(guān)鍵部分——穩(wěn)壓電路，能給整個芯片和LED屏提供穩(wěn)定的電壓，還能夠通過轉(zhuǎn)換，給芯片提供5V電源。穩(wěn)定性差的電路會導(dǎo)致整個系統(tǒng)的故障性升高，甚至還會燒毀整個電路的大部分模塊。為了保證調(diào)試的流暢和信息的傳輸，外圍電路還包括了一些通信模塊，比如JTAG、TTL和USART通信。最終所有的交互信息會傳遞到CPU主控芯片上進行處理，芯片的硬件電路方框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件電路方框圖

3.2 系統(tǒng)PCB的設(shè)計與繪制

市面上電路板有單面板和雙面板，器件裝配形式有插件式和貼片式。雙面板可以使器件在電路板兩側(cè)都放置電路原件，貼片式器件的大小都小于插件式。由于琴鍵檢測系統(tǒng)要求電路板盡可能的小，為節(jié)省空間，選擇雙面板貼片形式。由于封裝電路的外殼內(nèi)表面積為336mm×578mm，表面積比較小，設(shè)計的電路板大小為334mm×576mm。

使用AMS1117線性穩(wěn)壓芯片，減少電源紋波，提高電源質(zhì)量。為了減少電源環(huán)路電阻，加粗電源線寬度。如果接地線太細，接地電位將隨電流的變化和信號頻率的變化而變化，使噪聲加大，嚴(yán)重時將引起自激。加粗接地線。同時，為了提高抗噪聲能力，把數(shù)字電路系統(tǒng)的接地構(gòu)成閉環(huán)路。為了減少模擬電路對數(shù)字電路的影響，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在控制芯片的每一個電源引腳都配置一個去耦電容，且靠近引腳擺放，充分發(fā)揮其作用。布線設(shè)計完成后，檢查布線設(shè)計符合設(shè)計者所制定的規(guī)則。該系統(tǒng)設(shè)計的電路板如圖4。

圖4 系統(tǒng)硬件電路板圖

3.3 系統(tǒng)的程序設(shè)計

本系統(tǒng)主要采用光電傳感器來采集信息，光電傳感器感知琴鍵按下，光電傳感器將高電平或低電平信號，通過電路系統(tǒng)反饋給單片機的普通IO口，單片機進行數(shù)據(jù)處理。單片機通過編程，將采集的數(shù)據(jù)進行匯總和處理。單片機將數(shù)據(jù)進行處理之后，將數(shù)據(jù)傳輸給LED屏幕，通過LED屏幕進行信息的反饋。當(dāng)用戶通過LED屏幕進行操作時，LED通過USART通信的方式，將操作信息反饋給單片機，單片機進行相關(guān)的程序處理。該系統(tǒng)采用的是STM32C8T6芯片，主要通過C語言進行開發(fā)，采用keil軟件進行編程。匯編語言雖然效率高，但是其可讀性較差，ST官方為了給開發(fā)者提供良好的環(huán)境，提供了非常豐富的庫函數(shù)，大大縮短了程序的開發(fā)周期并提高了編程效率。此系統(tǒng)的程序運行框圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)程序運行框圖

根據(jù)系統(tǒng)程序運行框圖，頂層封裝設(shè)計如下：

3.4 系統(tǒng)優(yōu)勢

本鋼琴訓(xùn)練評估系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)鋼琴按鍵的實時反饋，通過單片機編程記錄所彈下的音符并將數(shù)據(jù)顯示到LED屏幕上，還能在存儲卡中進行琴譜的存儲，給使用者帶來了極大的便利。

3.4.1 數(shù)據(jù)記錄功能

通過LED屏幕對于鋼琴琴鍵的信息進行有效、及時的反饋和采集。使用者能夠通過LED屏幕進行觸摸操作，進行相關(guān)功能的設(shè)置及使用。用戶想要進行鋼琴琴鍵的數(shù)據(jù)記錄時，點擊數(shù)據(jù)采集按鍵即可。單片機會根據(jù)LED屏幕通過串口通信傳遞的記錄信息，進行數(shù)據(jù)的記錄及處理，等待用戶停止數(shù)據(jù)記錄的指令。

用戶完成點擊停止數(shù)據(jù)記錄的指令后，所采集的數(shù)據(jù)以十進制的形式顯示在屏幕上，用戶可以較為直觀地對照演奏的琴譜和采集的按鍵信息，進行鋼琴的學(xué)習(xí)和練習(xí)。

相較于市場上的其他鋼琴琴鍵檢測裝置，本系統(tǒng)不僅僅通過LED的形式進行琴鍵信息的反饋，還能夠利用單片機平臺進行數(shù)據(jù)的采集及處理，給鋼琴學(xué)習(xí)者帶來很大的便利。

3.4.2 存儲琴譜功能

通過存儲卡，能夠?qū)⒆约盒枰葑嗟那僮V上傳到系統(tǒng)中，用戶可以根據(jù)自己的需要，進行琴譜的提取，也能夠跟自己演奏的數(shù)據(jù)進行對照，從而更加完善地進行鋼琴演奏的學(xué)習(xí)。

用戶也可以在網(wǎng)絡(luò)上進行琴譜的下載，將自己需要練習(xí)的琴譜下載到存儲卡中，利用LED屏幕進行琴譜的切換和調(diào)取，不僅方便了用戶的使用，還能夠減少紙張的使用，為環(huán)保事業(yè)做出一定的貢獻。

4 串口通信

處理器與外部設(shè)備進行通信有兩種方式——并行通信和串行通信。串口通信采用串行通信方式，其傳輸原理為數(shù)據(jù)按位順序傳輸，其優(yōu)點是占用引腳資源少，由于該系統(tǒng)需要利用的IO口較多，故采用串行通信的方式比較合適。

串行通信按照數(shù)據(jù)傳送的方向，又分為單工、半雙工、全雙工，全雙工允許數(shù)據(jù)同時在兩個方向上傳輸，因此，全雙工通信是兩個工通信方式的結(jié)合，它要求發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備都有獨立的接收和發(fā)送能力。

串行通信采取全雙工的通信方式，不僅可以提升通信的效率，還能夠最大限度地提升用戶與設(shè)備的交互性。

在目前國內(nèi)的市場中，很多嵌入式的小型設(shè)備，都采用單片機的編程方式，而其中的串口通信，得到了良好的應(yīng)用和拓展。本系統(tǒng)采用的是根據(jù)ARM系列Cortex-M3架構(gòu)的串口通信協(xié)議，其優(yōu)點是穩(wěn)定性高、傳輸數(shù)據(jù)速度快，針對本系統(tǒng)非常適用。利用串口通信協(xié)議，能夠很好地將單片機采集的數(shù)據(jù)實時更新到LED屏幕上，使用戶得到更加便捷、更加直觀的體驗。

5 結(jié)束語

本文基于光電傳感器的鋼琴訓(xùn)練評估系統(tǒng)進行了研究，從機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、電路布局、程序控制方面進行了合理的論述。大大提高了琴鍵檢測的及時性和有效性，增加的LED屏幕能夠?qū)崟r地跟用戶進行交互，提高了人機交互的體驗感和便利程度。其中的琴鍵數(shù)據(jù)記錄和琴譜的存儲，能夠給用戶帶來更好的體驗。該系統(tǒng)對于鋼琴教學(xué)的發(fā)展也有一定的意義。