本發(fā)明涉及電聲樂器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于電子琴的觸鍵信號多通道處理方法及其電路。

背景技術(shù)：

電子琴又稱作電子鍵盤，發(fā)音音量可以自由調(diào)節(jié)，具有音域較寬、和聲豐富、可模仿多種音色、可配備類似打擊樂音響的節(jié)拍伴奏和加裝效果器等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代音樂演奏中應(yīng)用十分廣泛。傳統(tǒng)的電子琴無法將琴鍵觸鍵深度和觸鍵速度與電子琴音相關(guān)聯(lián)，在演奏過程中，電子琴的旋律與和聲過于單一，缺乏音量變化。而采用壓電駐極體材料作為傳感器的壓電駐極體柔性薄膜電子琴則克服了傳統(tǒng)電子琴的缺陷，極大地豐富了電子琴的音樂表現(xiàn)力。但是，因?yàn)閴弘婑v極體材料具有較大的內(nèi)阻，所以壓電駐極體柔性薄膜電子琴容易受外部環(huán)境震動影響，難以提取有效琴音信號。另外，目前的電子琴多通道處理設(shè)計(jì)也無法準(zhǔn)確提取琴音信號，精確控制琴音的音量和音色。

如中國專利申請?zhí)枮?3273498.0，公開了一種可通過按鍵壓力控制音量的電子琴，該電子琴的音樂鍵中采用的導(dǎo)電膠條中包括多個(gè)交錯(cuò)排列的垂直絕緣層和垂直導(dǎo)電層，并在其頂部設(shè)有用于將各垂直導(dǎo)電層相互短接的短接導(dǎo)電層；所述導(dǎo)電膠條的底部部分地支撐于電路板上，在導(dǎo)電膠條底部所面對的電路板上設(shè)有輸入信號線和多條輸出信號線；該導(dǎo)電膠條受壓后其底部產(chǎn)生變形，使其底部與電路板之間的支撐面積隨壓力的增加而逐漸增大，從而可依次接通第一、第二、直至最后一條輸出信號線；根據(jù)其中被接通的第一條輸出信號線可合成音符信號，根據(jù)被接通的輸出信號線條數(shù)則可合成相應(yīng)的音量信號。該結(jié)構(gòu)通過導(dǎo)電膠條底部與輸出信號線的接觸導(dǎo)通進(jìn)而感應(yīng)按鍵的輕重，制作復(fù)雜，容易判斷不準(zhǔn)，造成琴音不準(zhǔn)確或雜音的情況。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是一種用于壓電駐極體柔性薄膜電子琴，并能快速準(zhǔn)確提取琴音信號，降低環(huán)境影響，控制琴音變化的多通道處理電路及其方法。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為：

用于壓電駐極體柔性薄膜電子琴的觸鍵信號多通道處理電路，所述觸鍵信號多通道處理電路包括多個(gè)分別連接至單片機(jī)電路的分組電路，每組所述分組電路包括信號判別通道電路、信號選擇處理通道電路和設(shè)于電子琴琴鍵上的與琴鍵個(gè)數(shù)對應(yīng)的壓電駐極體傳感器，所述信號選擇處理通道電路包括依次串聯(lián)的通道選擇開關(guān)電路和信號處理電路；每組所述分組電路上的所述壓電駐極體傳感器的輸出端均分別連接至所述信號判別通道電路和所述通道選擇開關(guān)電路的輸入端，所述信號判別通道電路的輸出端與所述單片機(jī)電路連接，所述通道選擇開關(guān)電路的輸出端經(jīng)所述信號處理電路連接至所述單片機(jī)電路，所述通道選擇開關(guān)電路還與所述單片機(jī)電路的控制信號輸出端連接；所述通道選擇電路包括多路通道控制開關(guān)，所述壓電駐極體傳感器的輸出端與所述多路通道控制開關(guān)的輸入端分別一一對應(yīng)連接，所述壓電駐極體傳感器在對應(yīng)琴鍵按下時(shí)產(chǎn)生觸鍵信號。

優(yōu)選地，所述信號判別通道電路包括積分電容、第一電阻、第二電阻、可調(diào)電阻、比較器和邏輯運(yùn)算器，所述壓電駐極體傳感器與所述積分電容連接后接地；所述比較器的正相輸入端連接在所述壓電駐極體傳感器上，所述比較器的反相輸入端經(jīng)串聯(lián)的所述第二電阻和所述可調(diào)電阻后接地，所述比較器的輸出端與所述邏輯運(yùn)算器的輸入端連接，所述比較器電源端和輸出端之間串聯(lián)有所述第一電阻。

優(yōu)選地，所述信號處理電路包括依次串聯(lián)的電荷放大電路、低通濾波電路、高通濾波電路、50Hz陷波電路、多級放大電路電路、電平抬升電路電路和限幅電路。

如所述用于壓電駐極體柔性薄膜電子琴的觸鍵信號多通道處理電路結(jié)構(gòu)的處理方法，包括下述步驟：1)將電子琴琴鍵平均分為若干分組，每組對應(yīng)一個(gè)所述分組電路；2)通過所述單片機(jī)檢測是否有觸鍵信號發(fā)生；3)通過所述單片機(jī)檢測發(fā)生的觸鍵信號的所屬分組；4)通過相應(yīng)分組的所述多路通道控制開關(guān)開啟相應(yīng)琴鍵通道，檢測產(chǎn)生觸鍵信號的琴鍵；5)通過所述信號處理電路將觸鍵信號處理后送入所述單片機(jī)；6)通過所述單片機(jī)進(jìn)行觸鍵信號的頻率和幅度的計(jì)算。

為了降低單片機(jī)的負(fù)荷，步驟2)中，每組琴鍵中的觸鍵信號發(fā)生時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的外部中斷信號，通過所述單片機(jī)檢測所述外部中斷信號判斷是否有觸鍵信號發(fā)生。

為了使觸鍵信號之間互不影響，加快單片機(jī)處理速度，步驟3)中，所述單片機(jī)通過外部中斷信號確定發(fā)生觸鍵信號的分組，并且在步驟4)中通過該分組的所述多路通道控制開關(guān)進(jìn)行琴鍵掃描以檢測產(chǎn)生觸鍵信號的琴鍵。

為了降低環(huán)境震動影響，步驟6)中，單片機(jī)計(jì)算時(shí)設(shè)置有用于排除低電壓波動所產(chǎn)生的干擾的免干擾電壓閾值，當(dāng)檢測到觸鍵信號電壓超過所述免干擾電壓閾值時(shí)，則記下第一時(shí)間；當(dāng)信號電壓上升，并再次下降到所述免干擾電壓閾值時(shí)，則記下第二時(shí)間，通過兩次時(shí)間的時(shí)間差計(jì)算出觸鍵信號的頻率，并且根據(jù)觸鍵信號峰峰值電壓，得出觸鍵信號的幅度。

為了精確控制琴音音色和音量，步驟6)中，所述觸鍵信號的頻率控制琴音音調(diào)的輸出，琴音音調(diào)隨著所述頻率的加快而增高；所述觸鍵信號的幅度控制琴音音量的輸出，琴音音量隨著所述幅度增高而增大；所述琴音音調(diào)的變化和所述音量的變化共同影響琴音變化。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于通過信號判別電路和通道選擇開關(guān)的設(shè)置，快速檢測觸鍵信號發(fā)生的相應(yīng)分組和琴鍵，避免了其他琴鍵的觸鍵信號干擾，提高輸出琴音的精確性。本發(fā)明還通過設(shè)置免干擾閾值電壓，降低環(huán)境對于琴音的影響，進(jìn)一步提高琴音表現(xiàn)力。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的用于壓電駐極體柔性薄膜電子琴的觸鍵信號多通道處理電路中的其中一組分組電路的功能方框示意圖。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例的用于壓電駐極體柔性薄膜電子琴的觸鍵信號多通道處理電路中的信號判別通道電路的電路示意圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例的用于壓電駐極體柔性薄膜電子琴的觸鍵信號多通道處理電路中的信號處理電路的功能方框示意圖。

圖4是本發(fā)明實(shí)施例的用于壓電駐極體柔性薄膜電子琴的觸鍵信號多通道處理方法中觸鍵時(shí)傳感器輸出信號的示意圖。

圖5是本發(fā)明實(shí)施例的用于壓電駐極體柔性薄膜電子琴的觸鍵信號多通道處理方法的流程示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

如圖1-3所示，本發(fā)明提供了用于壓電駐極體柔性薄膜電子琴的觸鍵信號多通道處理電路，該觸鍵信號多通道處理電路包括多個(gè)分別連接至單片機(jī)電路5的分組電路，每組分組電路包括信號判別通道電路1、信號選擇處理通道電路2和設(shè)于電子琴琴鍵上的與琴鍵個(gè)數(shù)對應(yīng)的壓電駐極體傳感器，信號選擇處理通道電路2包括依次串聯(lián)的通道選擇開關(guān)電路3和信號處理電路4。

每組分組電路上的壓電駐極體傳感器的輸出端均分別連接至信號判別通道電路1和通道選擇開關(guān)電路3的輸入端，并且信號判別通道電路1的輸出端與所述單片機(jī)電路5連接，通道選擇開關(guān)電路3的輸出端經(jīng)所述信號處理電路4連接至所述單片機(jī)電路5，通道選擇開關(guān)電路3還與單片機(jī)電路5的控制信號輸出端連接。通道選擇電路2包括多路通道控制開關(guān)，壓電駐極體傳感器的輸出端與該多路通道控制開關(guān)的輸入端分別一一對應(yīng)連接。

用于壓電駐極體柔性薄膜電子琴多采用88鍵或61鍵，本實(shí)施例以88路琴鍵電子琴為例。通過將88路琴鍵平均分為11組，形成11組并聯(lián)的分組電路，每組分組電路包括8個(gè)琴鍵，琴鍵上的傳感器都能在相應(yīng)琴鍵按下時(shí)產(chǎn)生觸鍵信號。當(dāng)琴鍵按下時(shí)，傳感器能夠產(chǎn)生觸鍵信號，信號判別通道電路1在觸鍵信號發(fā)生時(shí)產(chǎn)生外部中斷信號，啟動單片機(jī)電路5，使單片機(jī)電路5控制通道選擇開關(guān)電路3進(jìn)行琴鍵掃描，打開產(chǎn)生相應(yīng)觸鍵信號的琴鍵通道，并且通過信號處理電路4將觸鍵信號處理后送至單片機(jī)電路5進(jìn)行計(jì)算。

如圖2所示，信號判別通道電路1包括積分電容C1、第一電阻R1、第二電阻R2、可調(diào)電阻RP、比較器U1A和邏輯運(yùn)算器U2。琴鍵傳感器與積分電容C1連接后接地，用于將壓電駐極體傳感器上的電荷量進(jìn)行積分，轉(zhuǎn)換為電壓量，使比較器U1A能夠進(jìn)行采集。比較器U1A的正相輸入端連接在傳感器上，比較器U1A的反相輸入端經(jīng)串聯(lián)的第二電阻R2和可調(diào)電阻RP后接地，比較器U1A的輸出端與邏輯運(yùn)算器U2的采集引腳P2.0連接，比較器U1A電源端和輸出端之間串聯(lián)有第一電阻R1。其中，第一電阻R1能夠?qū)⒈容^器U1A的輸出口進(jìn)行上拉，使邏輯運(yùn)算器U2能夠采集比較器U1A輸出的信號，第二電阻R2和可調(diào)電阻RP用于調(diào)節(jié)比較器U1A的參考電壓。為了保護(hù)邏輯運(yùn)算器U2和比較器U1A，兩者電源端均設(shè)有去耦濾波電路，該去耦濾波電路分別由去耦電容C2和C3構(gòu)成。比較器U1A用于將同相和反相輸入的電壓做比較，輸出0或者VCC的電壓。本實(shí)施例采用四比較器LM2901和八輸入通道與非門的邏輯運(yùn)算器74HC30。

其中，每一組中有琴鍵按下時(shí)，觸鍵信號產(chǎn)生，并且依次使相應(yīng)分組的比較器U1A和邏輯運(yùn)算器U2的輸出電壓由低電壓變?yōu)楦唠妷?，進(jìn)而使單片機(jī)輸入電壓也變?yōu)楦唠妷海a(chǎn)生外部中斷信號。

多路通道控制開關(guān)的輸出端經(jīng)信號處理電路4連接至單片機(jī)電路5的輸入端。單片機(jī)電路5的控制信號輸出端與多路通道控制開關(guān)連接，用于啟動多路通道控制開關(guān)進(jìn)行琴鍵掃描。

如圖3所示，信號處理電路4包括依次串聯(lián)的電荷放大電路、低通濾波電路、高通濾波電路、50Hz陷波電路、多級放大電路電路、電平抬升電路電路和限幅電路。其中：

通道選擇開關(guān)電路，包括多路通道控制開關(guān)器，在單片機(jī)控制下切換琴鍵通道，用于琴鍵掃描，開啟相應(yīng)觸鍵信號的琴鍵開關(guān)；

電荷放大電路，將電子琴的壓電駐極體傳感器上因機(jī)電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的微弱電荷量變換為電壓量，以供后級電路處理；

低通濾波電路，是包括集成運(yùn)算放大器和外圍阻容元件的多路增益反饋式四階低通濾波電路，截止頻率為30Hz，阻帶內(nèi)衰減大于40dB，用于濾除無用的雜波信號和電路中耦合的50Hz工頻；

高通濾波電路，是包括集成運(yùn)算放大器外圍阻容元件的多路增益反饋式四階高通濾波電路，截止頻率為0.5Hz，阻帶內(nèi)衰減大于15dB，用于濾除低于0.5Hz的慢變化干擾信號以及阻礙直流信號；

50Hz陷波電路，是包括集成運(yùn)算放大器和外圍阻容元件的雙T網(wǎng)絡(luò)陷波電路，中心頻率為50.02Hz，帶寬為1Hz，進(jìn)一步濾除電路中耦合的50Hz工頻；

多級放大電路，是包括集成運(yùn)算放大器LM358何外圍阻容元件的多級反向比例放大電路，放大增益為20-1000，用于將微弱的觸鍵信號進(jìn)行放大至V級電壓水平；

電平抬升電路，包括集成運(yùn)算放大器和外圍阻容元件，用于提升放大后信號的直流點(diǎn)位值，使后期的單片機(jī)能夠采集；

限幅電路，進(jìn)行電壓限幅，避免信號峰峰值較大而超過單片機(jī)容許的電壓值，對單片機(jī)采集輸入引腳進(jìn)行保護(hù)。

當(dāng)按下琴鍵時(shí)，觸鍵信號經(jīng)過比較器U1A比較輸出VCC的電平，進(jìn)而依次改變邏輯運(yùn)算器U2的輸出電壓和單片機(jī)的輸入電壓，產(chǎn)生外部中斷信號，觸發(fā)單片機(jī)啟動。同時(shí)，單片機(jī)也通過外部中斷信號判斷出觸鍵信號所屬分組，啟動該組的多路通道控制開關(guān)，通過該多路通道控制開關(guān)開啟琴鍵通道檢測是否有觸鍵信號，直至切換到產(chǎn)生相應(yīng)觸鍵信號的琴鍵通道。觸鍵信號通過琴鍵通道后，經(jīng)電荷放大電路，將電荷量轉(zhuǎn)換為電壓量，進(jìn)而送至低通濾波電路、高通濾波電路和50Hz陷波電路以濾除掉0.5-30Hz以外的干擾信號，再經(jīng)多級放大電路和電平抬升電路后輸出信號峰峰值為1-2V的觸鍵信號，該觸鍵信號經(jīng)過限幅電路后送入單片機(jī)。

如圖5所示，本發(fā)明還提供了的應(yīng)用上述用于壓電駐極體柔性薄膜電子琴的觸鍵信號多通道處理電路結(jié)構(gòu)的處理方法，首先將電子琴琴鍵平均分為多個(gè)分組，每組對應(yīng)一個(gè)上述的分組電路；其次通過單片機(jī)檢測是否有觸鍵信號發(fā)生；然后通過單片機(jī)檢測發(fā)生觸鍵信號的所屬分組；并且通過相應(yīng)分組的多路通道控制開關(guān)開啟相應(yīng)琴鍵通道，檢測產(chǎn)生觸鍵信號的琴鍵；然后通過信號處理電路4將觸鍵信號處理后送入單片機(jī)；最后通過單片機(jī)進(jìn)行觸鍵信號的頻率和幅度的計(jì)算。

所述觸鍵信號多通道處理方法具體步驟如下：

1)、分組。本實(shí)施例中將88路電子琴的琴鍵平均分為11組，每組包含8個(gè)琴鍵。每個(gè)琴鍵都具有一個(gè)壓電駐極體傳感器，當(dāng)琴鍵按下時(shí)，傳感器能夠產(chǎn)生相對應(yīng)的觸鍵信號。

2)、判斷是否有觸鍵信號發(fā)生。當(dāng)有琴鍵按下時(shí)，傳感器產(chǎn)生觸鍵信號，該觸鍵信號通過相應(yīng)分組的信號判別通道電路1產(chǎn)生外部中斷信號，單片機(jī)通過采集該外部中斷信號以確定觸鍵信號是否產(chǎn)生，從而啟動單片機(jī)進(jìn)行琴鍵掃描，進(jìn)行下一步驟。若無觸鍵信號發(fā)生，單片機(jī)則不行動。

3)、檢測具體分組。單片機(jī)通過外部中斷信號確定發(fā)生觸鍵信號的分組，從而啟動相應(yīng)分組的通道選擇開關(guān)電路3中的多路通道控制開關(guān)進(jìn)行琴鍵掃描，以檢測產(chǎn)生觸鍵信號的琴鍵。

4)、檢測具體琴鍵。多路通道控制開關(guān)開啟琴鍵通道，采集相應(yīng)的通道內(nèi)的信號，若該通道無觸鍵信號，則切換琴鍵通道，直至檢測出相應(yīng)觸鍵信號使觸鍵信號通過進(jìn)入下一步驟。

5)、采集觸鍵信號。觸鍵信號經(jīng)過信號處理電路4處理后送入單片機(jī)。

6)、計(jì)算觸鍵信號的幅度和頻率。計(jì)算示意圖如圖4，橫坐標(biāo)表示電子琴工作時(shí)間，縱坐標(biāo)表示琴鍵傳感器的輸出電壓，A峰為按壓琴鍵時(shí)傳感器輸出電壓隨時(shí)間的變化的波形圖，B峰為釋放琴鍵時(shí)傳感器輸出電壓隨時(shí)間變化的波形圖，Vth為用于排除低電壓波動所產(chǎn)生的干擾的免干擾電壓閾值。當(dāng)檢測到觸鍵信號電壓超過Vth時(shí)，則記下此時(shí)的時(shí)間，為第一時(shí)間t1；當(dāng)信號電壓上升，并再次下降到Vth時(shí)，則記下此時(shí)的時(shí)間，為第二時(shí)間t2。通過t2-t1即可計(jì)算出觸鍵信號的頻率，即頻率＝1/(t2-t1)。同時(shí)，根據(jù)觸鍵信號峰峰值電壓V0，即可得出觸鍵信號的幅度，即幅度＝V0。

其中，觸鍵信號的頻率控制琴音音調(diào)的輸出，琴音音調(diào)隨著觸鍵信號頻率的加快而增高。幅度控制琴音音量的輸出，琴音音量隨著觸鍵信號幅度增高而增大。琴音音調(diào)的變化和音量的變化共同影響琴音變化。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下本發(fā)明還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。