基于单片机的智能乐器校音器的设计

王广德，许德成，刘洪波，黄 涛

(吉林师范大学 信息技术学院，吉林 四平 136000)

0 引言

乐音的质量取决于乐音的声学频率准确与否，但由于乐器本身所具有的物理特性、长期使用或周围环境因素的影响，其发音频率会产生相应的偏差，这就要求定期对乐器进行乐音的校正.目前，我国家庭教育和学校教育十分重视素质教育.随着经济的发展，各种乐器进入家庭非常普遍，所以乐器的校音需求越来越大．普遍使用的校音方法是用音叉或需要提供标准音，由经验丰富的校音师通过比较两个音阶的差别进行调校[1]．这种方式对校音师要求较高且不易于推广．因此研制能够自动测量和分析乐器发音频率的全智能电子校音器具有现实意义[2-9]．

1 校音器基本原理

设计思路是通过硬件电路实现对乐器每个音符发音频率的测量，并利用微处理器对采集的信号进行处理后与基准音频进行比较，实质是对基音频率的检测和分析[10]．根据这种想法设计的校音器主要包括信号的采集、整形放大、采样A/D转换、单片机处理及显示等部分．利用单片机实现信号处理及人机交换界面，系统组成如图1所示．

图1 校音器系统组成框图

将乐器发出的某音符的单音信息通过拾音器采集，转化为电信号，然后进行放大处理，并将信号进行A/D转换，使其转化为数字信号．利用单片机进行数据的处理，主要包括通过傅里叶变换完成时域到频域的转换，滤除高次谐波和噪声，测量基波频率等，并把频率的误差转换为音乐上所用的音分的误差.最后,将其音符的基波频率和标准音的音分差值显示在LCD上，校音人员通过显示的音分差来进行校音的调谐．直至乐器单音符音频与标准基频误差在允许的理论误差范围内，完成乐器校音工作．

2 系统硬件模块设计

系统硬件主要包括声音信号采集、信号的放大、数据的采集和分析处理、显示电路等部分．

2.1 信号采集及放大电路

系统的拾音器可采用驻极体话筒．驻极体话筒具有体积小、电声性能好、频率范围宽和成本低等特点，其信号转换原理是驻极体薄膜和背极间的电容值是与声波大小有关，由于驻极体上的电荷数值为一固定值，所以当电容变化时会引起电容器两端电压的变化，将声音信号转换成与之相对应的电压信号输出，实现声—电的变换．

拾音器输出的电压信号只有几毫伏，因此要使其达到A/D转换器转化所需要的下限值，必须对拾音器输出电压信号进行放大处理．但要求放大后的信号不允许超过A/D转换的上限，因此需要放大倍数可变，保证输出幅度不变．故采用AGC放大器，它是可变增益的放大器.把输出信号取出一部分处理之后返回输入端控制放大器或者处理电路的增益，使之保持在一个水平之内．保证最大幅度不超过A/D上限，即平均值不变．本文中采用集成芯片AD8367，是一款高性能可变增益放大器，设计用于在最高500 MHz的中频频率下工作．从外部施加0至1 V的模拟增益控制电压，可调整45 dB增益控制范围，以提供20 mV/dB输出．其内部含集成一个平方律检测器，利用此检波器可以方便地配置成单片AGC放大器[11]．本文AD8367的工作模式为反向增益控制模式，VP电压为5 V，VIN输入信号为拾音器的输出信号．利用AD8367构成的AGC放大电路如图2所示．

图2 AGC放大电路

2.2 单机的选择

数据转换、分析和处理部分应用STM单片机完成．本设计应用ST公司的 8位系列单片机的高配置的STM8S105C单机片．STM8系列通过增强型堆栈指针运算、先进的寻址模式和新指令实现快速、安全的开发．单片机主要完成A/D转换、傅里叶变换、滤波和测量结果的比较等．

2.3 显示电路

显示器件选用LCD12864液晶显示屏．该液晶显示屏每屏最多可显示32个中文字符或64个ASCII码字符．12864液晶显示具有显示信息量大、 功耗低、 寿命长等优点,因此在各种高性能智能仪表中得到广泛的应用．本设计采用串行方式写入数据和指令，以减少单片机的应用端口，用以显示测量得到的当前基波频率和标准音频比较后的音分差值．显示驱动电路如图3所示．

3 系统软件模块设计

系统软件主要包括信号的采样、模数转换、数字信号的傅里叶变换、滤除谐波分量和测量结果及音分差值显示．

信号的采样次数决定了A/D转换间隔周期．其应满足精度要求且减小工作量．因此采样频率是随输入信号变化的．本设计保证采样次数是测量最高频率的4倍，由于乐器的音频范围大概在40 Hz～8 000 Hz范围内．因此采样的频率最高设为65536 Hz．先进行频率初测，确定基波的大概范围，由此决定转换的次数．然后调整采样频率，保证按基波频率4倍去采样转换．

图3 显示驱动电路

利用单片机芯片中的ADC模块对采样信号进行模数转换．转换后将时域信号进行傅里叶变换处理[12]．单片机按软件中的算法进行数据计算和处理，完成时域到频域的转换．乐器的单音符乐音波形，是由其基音和谐音按照一定的相位关系进行周期性规则地相叠加组合而形成的，其波形是以基音的波形为主[13]．因此变换后谱线为基波和高次谐波叠加谱线，乐音是有规律的音频信号．乐音的音调是由其基波信号频率决定的，能否准确的测量出基波信号的频率是乐器校音器的关键．这就需要对基波和高次谐波加以区分．即要进行基音波形的提取，以便检测出基音频率．提取的依据为基波的频率最低，即使有的干扰点在某频点可能比基波低，但这个信号不具有周期性，高次谐波不易找出，所以可将其滤除．同时基波的幅度最高，由此可分离出基波并测量出其频率值．同时将其和基准音符频率库的数值通过运算得出音分差值，并显示在液晶屏上.其基准C调音符频率对照表如表1所示．

表1 基准C调音符频率对照表

系统整体软件流程如图4所示．

显示部分应用12864液晶显示屏，采用串行方式写入数据，显示当前的测试状态和测试数据值，为调谐乐器提供数字依据，完成人机信息交换．其串行写入控制流程图如图5所示．

图4 系统软件流程图

图5 12864控制流程图

4 结论

本文设计的校音器应用数字处理技术实现对乐器所发音阶频率的智能测量和比较，并显示相应的频率值和音分差，利用STM单片机的处理功能完成对单音符乐音基波频率的精确测量．该研究为乐器的调音提供了依据，通过测试可满足乐器校音的功能要求，可以对钢琴、吉他等乐器进行校音，具有很好的推广价值．

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