基于A(yíng)RM+Linux的模擬電子琴設(shè)計(jì)

胡淼元 何文德 楊鳳年

摘要：采用以ARMCortex-A8架構(gòu)的s5pv210處理器為核心的硬件平臺(tái)，以嵌入式Linux為軟件平臺(tái)，開(kāi)發(fā)了一款模擬電子琴軟件。打開(kāi)模擬電子琴程序后，演奏者可在液晶屏上顯示的琴鍵通過(guò)觸摸屏彈奏樂(lè)曲。此外，模擬電子琴系統(tǒng)中內(nèi)置了數(shù)十首中外流行的樂(lè)曲，演奏者選中某首樂(lè)曲后，可在液晶屏上顯示其簡(jiǎn)譜或五線(xiàn)譜，電子琴還可自動(dòng)演奏所選中的樂(lè)曲。

關(guān)鍵詞：嵌入式Linux;電子琴;圖片顯示;音符發(fā)聲

中圖分類(lèi)號(hào)：TP319 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）15-0253-02

嵌人式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用令家電以及玩具產(chǎn)業(yè)日新月異，同時(shí)也極大提高了電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率和產(chǎn)品品質(zhì)。電子琴屬于嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品范疇，其種類(lèi)很多，通常適合5歲以上兒童以及成人的學(xué)習(xí)和演奏，價(jià)格一般在幾千元乃至數(shù)萬(wàn)元。然而，對(duì)于培養(yǎng)和啟發(fā)兒童和青少年的音樂(lè)興趣來(lái)說(shuō)，不必拘泥于價(jià)格昂貴且不太便于攜帶的電子琴，一款價(jià)格親民的具備模擬電子琴功能的平板電腦，或許就能滿(mǎn)足普通家庭的需求。因此，融合計(jì)算機(jī)技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的模擬電子琴的研究及設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)受已受到了業(yè)界的關(guān)注。這類(lèi)模擬電子琴基于便攜式的硬件平臺(tái)，能通過(guò)寓教于樂(lè)的方式培養(yǎng)青少年的音樂(lè)興趣、普及樂(lè)理知識(shí)，深受人們的青睞。

1系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

電子琴通常采用振蕩器和分頻器獲得音頻信號(hào)，再經(jīng)過(guò)運(yùn)放電路放大，最后驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲，鍵盤(pán)用于控制進(jìn)入揚(yáng)聲器信號(hào)的頻率，最終實(shí)現(xiàn)電子琴的功能。本文在實(shí)現(xiàn)模擬電子琴基本功能的基礎(chǔ)上，還增添了自動(dòng)演奏和樂(lè)譜提示等功能，使其更具有趣味性和益智性。該設(shè)計(jì)由硬件和軟件兩部分組成，硬件以ARM Cortex-A8架構(gòu)的s5pv210處理器為核心，結(jié)合內(nèi)存和Flash存儲(chǔ)器組成核心板，再加上液晶屏（LCD）、觸摸屏、揚(yáng)聲器等模塊構(gòu)成。

模擬電子琴包含兩種工作模式：（1）彈奏模式，為電子琴的基本工作模式，依次按下鍵盤(pán)區(qū)的1-8號(hào)按鍵時(shí)，揚(yáng)聲器就會(huì)依次發(fā)出Do、Re、Mi、Fa、So、La、Si、高音段的Do等8個(gè)音符。（2）播放模式，播放系統(tǒng)內(nèi)置的音樂(lè)，用戶(hù)可以通過(guò)觸摸屏按鍵選擇樂(lè)曲進(jìn)行播放，播放音樂(lè)時(shí)液晶顯示屏?xí)@示對(duì)應(yīng)的樂(lè)曲編號(hào)和名稱(chēng)。

2硬件和軟件平臺(tái)

硬件由基于A(yíng)RM Cortex-A8架構(gòu)的s5pv210為處理器的硬件平臺(tái)（處理器主頻為1GHz，核心板的內(nèi)存為1GB DDR2、存儲(chǔ)器為4GB iNAND），結(jié)合帶電容觸摸功能的8.0寸800*1280、全視角IPS液晶顯示模塊，以及音頻功放模塊（含放大器和揚(yáng)聲器）等主要模塊組成，用戶(hù)通過(guò)觸摸屏模塊輸入信息，核心處理器接收信息后作相應(yīng)處理，然后控制液晶顯示模塊和音頻模塊對(duì)輸人信息做出響應(yīng)。其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

軟件平臺(tái)采用開(kāi)源的Linux操作系統(tǒng)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)和內(nèi)核裁剪后移植到上述硬件平臺(tái)，模擬電子琴是基于以上軟硬件平臺(tái)的應(yīng)用程序，采用c語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，交叉編譯環(huán)境使用arm-linux-gec。

3模擬電子琴軟件開(kāi)發(fā)

3.1關(guān)鍵技術(shù)

3.1.1 LCD上顯示bmp格式圖片

Linux系統(tǒng)中一切操作皆作為文件處理，故Linux操作LCD模塊就是一個(gè)對(duì)LCD模塊文件的讀寫(xiě)，使用mmap（1來(lái)簡(jiǎn)化操作，這是一種內(nèi)存映射文件的方法，即將一個(gè)文件或者其他對(duì)象映射到進(jìn)程的地址空間，這樣進(jìn)程就可以讓用戶(hù)程序直接訪(fǎng)問(wèn)設(shè)備內(nèi)存，而不必再調(diào)用readO、writeO等系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)。使用完后也必須使用munmap（）解除映射。

電子琴琴鍵等圖形界面是通過(guò)bmp格式圖片在LCD上顯示的實(shí)現(xiàn)的。首先用lseekO函數(shù)分別定位到圖片的長(zhǎng)寬以及像素?cái)?shù)組并讀取，然后對(duì)像素?cái)?shù)組進(jìn)行解碼，由24位變成32位，再對(duì)屏幕上每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行顏色賦值。源代碼的關(guān)鍵是先實(shí)現(xiàn)在LCD屏幕坐標(biāo)為（i，j）的點(diǎn)上顯示指定的顏色color的函數(shù)void led_display_pointont i，int j，int color），最后實(shí)現(xiàn)void lcd_dis-play_bmp（char*bmpname，intx，int y）函數(shù)，其中，x、y為在LCD屏幕上圖片顯示位置的坐標(biāo)，bmpname為帶路徑的bmp圖片的文件名。

3.1.2觸摸屏輸入事件處理

Linux觸摸屏驅(qū)動(dòng)一般采用input子系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)框架實(shí)現(xiàn)，因此應(yīng)用層接口要遵循input框架的接口。觸摸事件在文件中用結(jié)構(gòu)體struct input_event來(lái)描述，其結(jié)構(gòu)成員包括time（按鍵時(shí)間）、type（事件類(lèi)型）、code（事件鍵值）、value（值），以此來(lái)對(duì)事件進(jìn)行判斷。如果事件類(lèi)型為EV_KEY，則相應(yīng)的code值為按鍵狀態(tài)，1為按下，0為彈起;如果是事件類(lèi)型為EV_ABS，相應(yīng)code的值為對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)軸x、y。按鍵事件的判斷可以設(shè)立標(biāo)志位flag，先置為0，當(dāng)按鍵狀態(tài)為1H.flag=0時(shí)，即為按下。然后將flag置為1;當(dāng)按鍵狀態(tài)為0且flag=l時(shí)，即為彈起。然后將flag置為0，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)觸摸屏按鍵事件的判斷。

3.1.3音符發(fā)聲

madplay是一個(gè)開(kāi)源mp3解碼庫(kù)，對(duì)mp3解碼算法做了很多優(yōu)化，本文基于madplay庫(kù)實(shí)現(xiàn)音符發(fā)聲。當(dāng)用戶(hù)按下一個(gè)琴鍵后，主進(jìn)程創(chuàng)建一個(gè)子進(jìn)程來(lái)使用madplay播放相應(yīng)的音頻文件，設(shè)置“分離屬性”，讓子進(jìn)程在madplay播完后，實(shí)現(xiàn)資源自我回收。若madplay尚未播放完，又有按鍵事件發(fā)生，就又會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新進(jìn)程，而此時(shí)播放器正在被上一個(gè)madplay進(jìn)程占用，使得新進(jìn)程進(jìn)入阻塞態(tài)等待狀態(tài)。因此，當(dāng)按鍵事件結(jié)束后，仍在發(fā)聲。為此，可以在進(jìn)程函數(shù)中，加入killall系統(tǒng)命令來(lái)終止上一個(gè)madplay，然后再播放本音符。

3.2軟件總體設(shè)計(jì)

模擬電子琴程序是Linux的應(yīng)用程序，它啟動(dòng)后先進(jìn)行LCD液晶顯示屏和觸摸屏初始化，隨后進(jìn)入程序主界面，提醒用戶(hù)選擇工作模式，用戶(hù)可以選擇彈奏模式或自動(dòng)演奏模式。在這兩種模式下，用戶(hù)都可將從樂(lè)曲庫(kù)中選擇的樂(lè)曲的簡(jiǎn)譜或五線(xiàn)譜顯示在LCD上，并在主界面設(shè)有退出按鈕，系統(tǒng)根據(jù)用戶(hù)的選擇進(jìn)入工作模式切換或退出程序，程序除主界面外的其他界面都設(shè)有返回按鈕，以方便用戶(hù)操作。其活動(dòng)圖如圖2所示。

4總結(jié)

為了培養(yǎng)青少年的音樂(lè)興趣，本文采用以ARM Cortex-A8架構(gòu)的s5pv210為處理器的硬件平臺(tái)，嵌入式Linux作為軟件平臺(tái)，用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了一款模擬電子琴，對(duì)其硬件架構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述，重點(diǎn)闡述了其軟件設(shè)計(jì)方法，對(duì)嵌入式系統(tǒng)初學(xué)者有一定的參考價(jià)值。該模擬電子琴具有彈奏和自動(dòng)演奏兩種工作模式，可以提高青少年的音樂(lè)興趣，加深他們對(duì)樂(lè)理知識(shí)的理解和認(rèn)知。在后續(xù)的工作中團(tuán)隊(duì)將著重在軟件方面做出改進(jìn)，使模擬電子琴發(fā)聲的音色種類(lèi)更加豐富、聲音更加悅耳，令其用戶(hù)體驗(yàn)更出色。