一種基于Arduino平臺的數字音符實時顯示設計分析

呂博

(寶雞文理學院 音樂學院,寶雞 721013)

0 引言

隨著現代科技的進步，人們的學習和工作變得更加智能化，現代信息技術逐漸代替了人們基本的人工勞動，很多行業也開始借助計算機來進行工作[1]。本文分析的數字音符主要是利用單片機技術，讓高低音調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習，有助于地方音樂的數字化記錄。本文將用到具有Arduino的設備作為開發板，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開發環境。

1 數字音符實現的原理

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，價格低廉，所以在電子系統、互動功能開發方面使用比較廣泛。該開發并平臺是以ArduinoUNO為控制核心平臺，它具有以數組形式的節拍數據、樂曲音高等數據，可以與外圍設備接口連接實現通信，從而實現音樂播放[4-5]。音符簡譜顯示包括字母簡譜、數字簡譜兩種，而本文主要分析的是數字簡譜，每種頻率都有自己對應音符。

在聲學中，“樂音”是指發音物體表現有規律的震動產生的固定音頻，如小提琴、鋼琴、西府曲子伴奏樂器二胡、三弦等樂器發出的樂音。從聲學原理中分析樂音的主要特征包括：音色、響度、音調，而音調是不同的樂音基波頻率決定，通常使用音符進行表示，比如：494 Hz這個基波頻率就自己對應的音符[6-7]。利用快速傅里葉對任意一個樂音信號進行變換，可以得到每個頻率變換后基波頻率對應的幅值大小。通過該功能可以先提取基波頻率在完成之后的系列換算，從而實現音符的轉變并顯示。數字音符硬件實時顯示連接圖,如圖1所示。

2 Arduino平臺數字音符顯示設計實現

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原來的信號，這時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候需要選擇大于最高頻率的2倍頻率，這樣才不會出現信號重疊情況。本次研究主要以2 000 Hz以下的中低音頻信號進行分析，其中采樣的頻率是5 120 Hz(每個195 μs進行一次采樣)[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250 ms采集一次信息輸入系統中，每次采樣的點數是256點，這里使用fs、f0、n作為采樣的頻率、頻率分辨率、采樣點數等，而f0=fs/n，之后將音頻信號256點進行FFT轉變，得到頻率分辨率是20 Hz。

圖1 硬件實時連接的數字音符示意圖

2.2 提取基波頻率

FFT提取基波頻率時，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。將采取數據進行FFT轉變之后，確定轉變之后的幅值最大點以及其對應的序號，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。這里假設十六分音符有250 ms的時長，而四份音符時長是1 s，八分音符的是500 ms，之后分析每個音符之間存在的時值關系。

在實際中獲得樂器聲音頻率無法得到準確的理論值，需要對這些頻率規定一定的區間范圍。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音符對應的音符頻率是658 Hz、697 Hz、783 Hz等，根據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，這里使用數字1～7、11～17、111～117來表示音符“1”～“7”、“1”～“7”、“1”～“7”，這里使用數字“8”表示休止符“0”。

根據預先規定好的音符范圍提取基波頻率，將這些轉換成對應的數字，之后根據每16個數字構成一組數據，根據先后順序添加一個整形數組大小是16的m[]。之后將m[]中元素相同或是相鄰的參數進行合并，將合并得到的元素與10相乘，在進行以此循環合并。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“=”；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“-”。在計算下一組數據時，需要清空m[]數據，在重新建立下一組數據。因為提取每個基波頻率是時間是相隔0.25 s，提取每組數據，以及LCD上的音符顯示時間都是4 s(16×0.25 s)。

2.5 主要程序編輯

關于音符實時顯示程序的編輯如下：

For(int i=0;i<512;i+=2){//輸入256個點

delayMicroseconds(195)；//每個195 μs進行時間采樣

Wile(！(ADCSRA & 0×10))；//進行數據采樣

ADCSRA=0xf5；

Byte m=ADCL；

byte j=ADCH；

int k=(j<<8)|m；

k-=0×0200；

K<<=6；

FFT_input[i]=k；//轉變成了整型數據16位的

FFT_input[i]=k；//把收集到的數據輸入數組實部中

FFT_input[i+1]=0；//將虛部數據清空

}

FFT_window()；FFT_reoder()； //對FFT_input[]中的數據進行調整方便采取FFT轉變

FFT_run()； //將該部分的數據進行FFT轉變

FFT_mag_lin()； //將轉變FFT后的每個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變成自己對應的頻率數字

If(2

else if(2

//其他部分相似的程度結構在這里不予多說

……

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平臺數字音符顯示效果

之后將這些代碼編入Arduino IDE計算機程序中，與USB接口進行連接，將Arduino開發板連接到計算機上。編譯完這些程序之后，將其下載到開發板上，之后將信號發生器形成的單一正弦頻率信號寫入到Arduino開發板上，這時LCD屏幕會根據接受到的信號顯示相應的音符。這里將箏弦單一頻率信號進行轉變，可以使音頻傳感器可以輸入的信號，因為會受到噪聲等因素的影響，還有Arduino自身運行的速度限制，而LCD屏幕顯示的音符和實際音符是存在誤差的，誤差程度和出現位置沒有確定性。其事物測試連接,如圖2所示。

圖2 數字音符實物實時顯示圖

這里長按“2”、“4”、“2”、“4”等音符相對應的電子琴按鍵，進行相應的測試，得到的結果5安全與要求符合,如圖3、圖4所示。

4 總結

根據上述分析，本次研究在國內關于音符的實時顯示也得到的突破了，目前關于該內容的研究還是比較少，而市場上關于這種產品的銷售還是比較少。在后期的設計中可以選擇更好的語音處理設備，將Arduino 開發板換成DSP開發平臺，并對程序算法進行相應的完善，實現在屏幕上可以有重音記號、連音線等功能，同時可以是這樣的產品大量生產，向音樂結推廣，給音樂愛好者提供更好的設備。