基于PIC单片机的琴类乐器校音系统

夏霏杰，赵检蒙，张 杰，夏志富，朱仁祥

(宁波工程学院 电子与信息工程学院，浙江 宁波 315016)

0 引言

琴类乐器各个弦或键发出不同模式、不同音高(或音调)的乐音，这些琴弦、键发的音符合一定的音律，如“纯律”、“十二平均律”等。然而，这些琴类乐器各个弦或键经常会偏离应有的位置，以致演奏不出应有的音乐效果，这就需要定期对这些乐器进行校准。通常，调音师通过耳朵来判断每个弦音是否有偏差，再按一定的音律调各个弦或键。这种传统的琴音分析及调试手段是利用耳的听觉来完成的，人为影响因素大，不够精确且效率低下。特别是，对于一些初学者，其对音准的判别还没有达到能够调音的水平。这就需要设计专门的工具来完成调音。

1 系统结构

被测信号即琴音信号由麦克风采集，经过模拟音频信号处理模块对信号进行放大和整合后送入PIC单片机，对PIC进行一系列初始化设置后由PIC内置的A/D转换器进行模数转换，并对转换完的数字信号进行FFT分析。最后在图形液晶模块上显示结果。系统结构框图如图1所示。

图1 系统总体框

2 电路设计

在模拟音频信号模块中，音频信号首先通过麦克风采集进来。由于麦克风信号输出比较小，必须采用前置放大器进行放大[1]。考虑到噪声的问题，这里用 OP07低噪声放大器对信号进行放大。OP07芯片是一种低噪声，非斩泼稳零的上级行运算放大器集成电路[2]。电路如图2所示。

图2 前置放大电路

本系统采用的单片机型号为PIC18F452。该单片机是带有10 位A/D的高性能增强型闪存单片机[3]。

PIC18F452的 A/D转换电路的输入范围为0～VREF，为单极性输入形式。由于采样的信号为音频信号，即交流信号。因此需要把双极性输入电压经过提升电路转换成单极性[4]，然后与 PIC18F452单片机相连，如图3所示。

图3 电压提升电路

3 软件分析

3.1 A/D设置

A/D 的设置首先要考虑的是抽样频率。根据抽样频率等于或大于信号最高频率的奈奎斯特频率,则信号在频域中无混叠现象[5]。由于小提琴的弦音频率范围大约在1～2 kHz，本系统将系统的A/D采用频率设为10 kHz。还有一些其他的相关设置，例如：①对模拟引脚/基准电压/数字I/O进行配置；②选择 A/D输入通道；③选择 A/D转换时钟；④对A/D转换完成标志位清0； ⑤对A/D转换中断使能位置1。

3.2 FFT算法分析

FFT算法的基本原理是把长序列的DFT逐次分解为较短序列的DFT[6]。本系统采用基2、DIT-FFT（按时间抽取）的方法进行数据分析。其算法流程图如图4所示。

图4 FFT算法流程

FFT计算公式[7]:

FFT是离散傅里叶变换的快速算法，在单片机实现中，采用蝶形运算算法实现 FFT[8]，蝶形运算单元如图5所示。图中左为输入。中间的黑色实心点表示加、减运算。右上支路为相加后的输出，右下支路为相减后的输出。箭头表示要进行相乘运算。

图5 蝶形运算流

3.3 FFT核心代码

变址计算部分代码如下：

注意：①up,down,produc均为自定义的结构体，表示复数，这里不给出具体定义；②mul,add,sub三个函数分别计算复数的相乘，相加和相减，并保存在第3个参数中。

4 结语

对于FFT信号的分析，较为广泛的方法是应用DSP进行数据处理。本系统采用较低成本的PIC单片机进行数据分析处理[9-12]，并且 PIC内置了高性能的AD，也省去了AD部分的电路设计。整个系统变得小巧、轻便。该系统的实际运用中得到了良好的效果，可以达到琴音校准的目的。但是，该系统对信号的采集做的并不是非常精确，如果要进一步提高精确度可以采用成本较高的12位的AD转换器进行模数转换，或者建立了一种模式识别神经网络模型，在数字信号处理器中实现。

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