專利名稱：智能電子樂器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種智能電子樂器，屬于電子樂器領(lǐng)域，特別適用于不熟悉音樂的人演奏樂曲，可制作成各種室內(nèi)、室外、大型和小型兒童音樂玩具，也可用于專業(yè)演員練習(xí)、演奏各種復(fù)雜樂曲，輔助作曲家譜曲。
背景技術(shù)：
音樂是人類文明的象征，對陶冶性情、豐富人們生活有非常大的幫助。但是音樂也是一門復(fù)雜藝術(shù)，除了樂理學(xué)習(xí)，要熟練掌握各種樂器演奏技巧也需要長時間的練習(xí)，這是一個非常艱苦、枯燥的過程，這使得許多人對樂器學(xué)習(xí)望而生畏。對于不識譜的人要擺弄好一種樂器，更是難上加難。另外鋼琴等樂器還相當(dāng)昂貴，這些因數(shù)在很大程度上限制了音樂的廣泛普及。
隨著集成電路和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電子學(xué)在音樂領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣。電子吉他、電子琴等安裝有電子裝置的樂器已非常普遍，特別是80年代建立的MIDI(Musical Instrument Digital Interface)標(biāo)準(zhǔn)，更是給音樂的創(chuàng)作、記錄、演奏帶來了很大變化，現(xiàn)在電子音樂已經(jīng)發(fā)展到較高的水平。MIDI是音樂信號在電子樂器之間傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)，包括硬件接口標(biāo)準(zhǔn)以及電子音樂信號在不同硬件之間的異步串行傳輸協(xié)議。MIDI格式的音樂文件與其他格式的聲音文件不同，它記錄的不是音頻信號，而是音樂的全部樂譜和演奏的全過程。利用計算機(jī)技術(shù)，通過軟音源和時序發(fā)生器，MIDI格式的音樂文件可以用軟件合成模擬的方式在計算機(jī)上重新播放出來。現(xiàn)在用計算機(jī)來產(chǎn)生音樂已經(jīng)是一件很普通的事，特別是隨著采用物理建模技術(shù)、波表合成技術(shù)、FM調(diào)頻技術(shù)等的實(shí)時軟音源的出現(xiàn)，用計算機(jī)產(chǎn)生的音樂的質(zhì)量已非常高。用計算機(jī)軟件合成音樂的優(yōu)點(diǎn)是可以極大地降低樂器成本，因?yàn)橛糜嬎銠C(jī)進(jìn)行演奏，只需要添加一套簡單的觸發(fā)裝置，該裝置在演奏人員的操縱下連續(xù)發(fā)出電信號，告訴計算機(jī)在什么時候演奏什么音符，計算機(jī)隨之用軟件合成出來。由于觸發(fā)裝置不直接發(fā)音，傳統(tǒng)樂器制作中許多復(fù)雜技術(shù)、工藝都可省去，也不必采用一些特殊的材質(zhì)來增強(qiáng)音色。
但同時也應(yīng)該看到，盡管目前已有很多電子樂器，但這些樂器，其演奏方式與傳統(tǒng)樂器沒有實(shí)質(zhì)性差異，只是添加了一些輔助功能，如自動伴奏，自動產(chǎn)生和聲等。對演奏者而言，他仍然需要熟記樂譜，并用大腦根據(jù)每個音符控制手指熟練地操縱樂器。如果不熟悉樂譜就無法進(jìn)行演奏。同時事先沒有進(jìn)行長期訓(xùn)練，對樂器不熟悉，手指就不靈活，不知道該按哪個鍵，按多長時間，演奏起來也就不成調(diào)。中國專利申請?zhí)枮?00410012708.5的發(fā)明專利中提出了一種樂器演奏提示器，它由光點(diǎn)移動器和電子控制器組成。電子控制器控制光點(diǎn)移動器根據(jù)所需演奏音符在樂器上相應(yīng)的地方產(chǎn)生提示光點(diǎn)，該提示光點(diǎn)的持續(xù)時間與音符時值一致，其亮度或形狀大小或顏色與音符強(qiáng)弱相一致，提示演奏者在提示光點(diǎn)所指示的地方以一定的力度對樂器進(jìn)行操作。樂曲的音符、音符時值和音符強(qiáng)弱等數(shù)據(jù)，從MIDI格式文件中提取或從輸入鍵盤輸入。電子控制器根據(jù)樂譜數(shù)據(jù)使光點(diǎn)移動器產(chǎn)生的提示光點(diǎn)順序連續(xù)移動，這樣使得沒有經(jīng)過任何樂器演奏訓(xùn)練的人和不熟悉樂譜的人也能正確地演奏完整的復(fù)雜曲目。該發(fā)明所提出的樂器演奏提示器可簡單地放置在現(xiàn)有樂器上，也可與現(xiàn)有樂器集成為一體，但從使用方便性出發(fā)，最好把樂器演奏提示器與現(xiàn)有樂器集成為一個整體。這種結(jié)合不是簡單地機(jī)械拼湊，而應(yīng)該是有機(jī)地融合。但具體的融合方式在上述發(fā)明中沒有完整地給出，而且在設(shè)計一種新的具有提示功能的樂器時，如何充分吸收電子、計算機(jī)軟、硬件技術(shù)的最新發(fā)展，使得新的樂器智能性更強(qiáng)，功能更齊全，使用更方便，而成本更低廉，這也是上述現(xiàn)有技術(shù)沒有全面、詳細(xì)給出的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種智能電子樂器，它充分利用了現(xiàn)代計算機(jī)軟、硬件技術(shù)資源，音質(zhì)優(yōu)美，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，成本低廉，功能齊全，演奏效果好，特別是具有提示功能，即能夠幫助沒有經(jīng)過任何樂器演奏訓(xùn)練的人和不熟悉樂譜的人正確地演奏完整樂曲。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供一種智能電子樂器，它由燈泡或激光二極管或發(fā)光二級管4、觸發(fā)裝 2、電子聲音合成裝置15和中央控制器6組成；燈泡或激光二極管或發(fā)光二級管4集成在觸發(fā)裝置2上，觸發(fā)裝置2通過導(dǎo)線與中央控制器6相連。
所述的智能電子樂器，觸發(fā)裝置2由一組琴鍵3組成，每個琴鍵3由機(jī)械開光或光電開關(guān)和燈泡或激光二極管或發(fā)光二級管4組成；每個機(jī)械開光或光電開關(guān)的其中一端直接或通過具有緩沖、鎖存功能的電子芯片或電阻連接到微處理器的I/O管腳，另外一端直接或通過電阻接地或電源。
所述的智能電子樂器，觸發(fā)裝置由一組琴鍵3組成，每個琴鍵3由模擬光學(xué)開光和燈泡或激光二極管或發(fā)光二級管4組成；模擬光學(xué)開光由光源21、光探測器22、擋板23或反射面組成，光源21和光探測器22固定在觸發(fā)裝置的底座17上，光探測器22直接或通過多路轉(zhuǎn)換開關(guān)連接到D/A轉(zhuǎn)換器，擋板23或反射面安裝在琴鍵的活動鍵體內(nèi)，且它們的位置使得它們能夠?qū)庠?1投射到光探測器22上的光強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制。
所述的智能電子樂器，觸發(fā)裝置2采用模塊化積木結(jié)構(gòu)，每個模塊包含一個或不少于兩個個琴鍵3，模塊之間在空間位置上互相獨(dú)立或通過鎖緊、定位裝置連成一個整體，并通過插頭14和插座13或?qū)Ь€實(shí)現(xiàn)電連接。
所述的智能電子樂器，中央控制器6由計算機(jī)1和微處理器7組成，微處理器7通過串行或并行方式連接到計算機(jī)1。
所述的智能電子樂器，中央控制器6由微處理器7、內(nèi)部和/或外部存儲器9組成，內(nèi)部和/或外部存儲器9通過導(dǎo)線連接到微處理器7。
所述的智能電子樂器，觸發(fā)裝置2通過光纖或無線通信接收、發(fā)送裝置或微波通信接收、發(fā)送裝置或紅外通信接收、發(fā)送裝置與中央控制器6進(jìn)行聯(lián)系。
所述的智能電子樂器，不少于兩臺的智能電子樂器連接到同一計算機(jī)1，或通過電纜或光纖或無線通接收、發(fā)送裝置或微波通信接收、發(fā)送裝置或紅外通信接收、發(fā)送裝置彼此進(jìn)行聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)同步協(xié)調(diào)演奏或獨(dú)立演奏。
本發(fā)明的基本原理是通過觸發(fā)裝置產(chǎn)生觸發(fā)信號，由中央控制器根據(jù)該信號控制電子聲音合成裝置發(fā)出聲音，這樣構(gòu)成一個低成本的電子樂器；同時在觸發(fā)裝置中的每個琴鍵上集成一個或多個燈泡或激光二極管或發(fā)光二級管，由中央控制器控制這些燈泡或激光二極管或發(fā)光二級管在適當(dāng)?shù)臅r候點(diǎn)亮產(chǎn)生提示光點(diǎn)，提示演奏者按下該琴鍵，而點(diǎn)亮的時刻、停留時間、亮度或形狀大小或顏色變化完全依據(jù)樂譜數(shù)據(jù)，并充分地反映出樂曲演奏信息。這樣演奏者可以不必背誦或知曉樂譜，只要用眼睛根據(jù)光點(diǎn)的變化及時按下觸發(fā)裝置上的琴鍵即可正確地演奏出復(fù)雜的完整曲目。
根據(jù)以上原理，智能電子樂器是樂器演奏提示器與現(xiàn)有電子樂器相結(jié)合的產(chǎn)物。為了使兩者有機(jī)地融合、集成為一體，基本原則是把樂器演奏提示器中的光點(diǎn)移動器和電子控制器分別組合到電子樂器的觸發(fā)裝置和電子控制器中，即把樂器演奏提示器中的光點(diǎn)移動器與電子樂器的觸發(fā)裝置集成為一體，把樂器演奏提示器中的電子控制器和電子樂器的電子控制器組合為一個新的中央控制器。下面對智能電子樂器的完整結(jié)構(gòu)從觸發(fā)裝置和中央控制器兩個方面進(jìn)行詳細(xì)討論。
首先在上述智能電子樂器中，采用小燈泡或發(fā)光二極管或激光二極管來產(chǎn)生提示光點(diǎn)，由于這些發(fā)光器一般體積很小，可方便地集成制作到觸發(fā)裝置上的每個琴鍵中，因此對觸發(fā)裝置的設(shè)計不會提出額外苛刻要求。這樣觸發(fā)裝置的外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以根據(jù)實(shí)際使用需要，如形狀、大小和性能要求和制作成本進(jìn)行設(shè)計。以外觀設(shè)計為例，如果需要小巧，便于攜帶，可選擇模塊化積木式結(jié)構(gòu)，16或24或32等數(shù)目的琴鍵組成一個模塊，兩個或更多個模塊可拼接為一個整體，例如三個24鍵的模塊可以拼接成一個72鍵的電子樂器。為了實(shí)現(xiàn)模塊化結(jié)構(gòu)，方便拼接，觸發(fā)裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電學(xué)結(jié)構(gòu)需要做專門設(shè)計。另外，一個模塊也可以只包含一個鍵，并經(jīng)微型化設(shè)計后戴在手指上，演奏時用手指按壓、敲擊桌面或其他任何有一定硬度的表面，戴在手指上的觸發(fā)裝置就會產(chǎn)生觸發(fā)信號，這樣演奏者可隨時、隨地演奏音樂。為了方便，也可直接在計算機(jī)鍵盤的每個按鍵上集成小燈泡或激光二極管或發(fā)光二級管來產(chǎn)生提升光點(diǎn)，并建立一個按鍵與音符的對應(yīng)關(guān)系表格，從而把計算機(jī)鍵盤改造成觸發(fā)裝置。如果是制作室外大型音樂娛樂裝置，觸發(fā)裝置可做得較大，可制作成腳踏式，或內(nèi)嵌在其他活動造型內(nèi)部等，并針對露天環(huán)境，做好潮濕、水霧、陽光等方面的保護(hù)設(shè)計。進(jìn)一步觸發(fā)裝置可以通過光纖或裝上收、發(fā)裝置，通過無線通信或微波通信或紅外通信等方式與中央控制器7進(jìn)行通信聯(lián)系，這樣省掉它們之間的連接導(dǎo)線，便于移動。
在觸發(fā)裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計上，可以根據(jù)是否需要力反饋等因素確定結(jié)構(gòu)方案。如果不需要力反饋，可以選擇簡單的機(jī)械開關(guān)或光電開關(guān)，每個開關(guān)的其中一端直接或通過具有緩沖、鎖存功能的芯片或電阻接微處理器的I/O管腳，另外一端直接或通過電阻接地或電源，當(dāng)然對光電開關(guān)還需給發(fā)光管供電。當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時，與之相連的I/O管腳電平變低或增高。微處理器對每個I/O管腳進(jìn)行周期性輪詢，檢查I/O管腳電平的高低，例如每一毫秒輪詢一次，這樣，微處理器就知道在每一時刻某個開光導(dǎo)通或斷開狀態(tài)，并告訴中央控制器，中央控制器據(jù)此就可發(fā)出與MIDI標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的Note On和Note Off信號以及其他控制命令。如果需要力反饋，可以選擇模擬光學(xué)開光，其中每個模擬光學(xué)開光可以由光源、光探測器、擋板或反射面和D/A轉(zhuǎn)換器組成。其中擋板或反射面隨琴鍵一起運(yùn)動，對光源投射到光探測器上的光強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制，使得光探測器產(chǎn)生的光電信號發(fā)生變化，通過8位D/A轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后，該信號通過并行線或串行線連接到微處理器的I/O端口。通過一個多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，如常見的16路多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，16個模擬光學(xué)開光可以共用一個A/D轉(zhuǎn)換器，以降低制作成本。微處理器周期性地讀取I/O端口數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)的大小變化及時告訴中央控制器，中央控制器據(jù)此就可發(fā)出與MIDI標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的Note On、NoteOff和After Touch信號。例如信號在某一時刻超過某一閾值，則表示開關(guān)按下，這時中央控制器產(chǎn)生一個Note On信號；隨后隨著演奏者按鍵力度的變化，開關(guān)上下起伏，這時信號大小可用After Touch信號表示；如果信號在某一時刻降低到低于某一閾值，則表示琴鍵釋放，這時中央控制器產(chǎn)生一個Note Off信號。由于開關(guān)內(nèi)設(shè)有彈簧，琴鍵按下的幅度越大，需要的力也越大，因此用模擬光學(xué)開光可以很好地模擬再現(xiàn)鋼琴琴鍵的力度手感。
在上述智能電子樂器中，中央控制器可由計算機(jī)和微處理器共同組成，微處理器通過串行或并行方式，如通過USB、RS-232、IEEE-488、IEEE-1394、PS-485等接口與計算機(jī)相連。演奏時，計算機(jī)從MIDI格式文件中提取數(shù)據(jù)，傳給微處理器，微處理器控制燈泡或激光二極管或發(fā)光二級管4點(diǎn)亮產(chǎn)生提示光點(diǎn)，微處理器同時負(fù)責(zé)對其I/O端口進(jìn)行周期性輪詢，收集和緩存觸發(fā)裝置產(chǎn)生的觸發(fā)數(shù)字信號，然后送給計算機(jī)；計算機(jī)根據(jù)收到的觸發(fā)數(shù)字信號產(chǎn)生MIDI命令，控制電子聲音合成器發(fā)出聲音，同時把這些命令記錄存儲下來，用于回放和對演奏者演奏的正確性進(jìn)行評估。當(dāng)然中央控制器也可僅由微處理器組成，此時所有功能全部由微處理器承當(dāng)，因此這時還應(yīng)增加內(nèi)部或外部存儲器、顯示屏和按鍵等必要的輔助部件。僅采用微處理器的好處是可以不依賴于計算機(jī)而工作，結(jié)構(gòu)獨(dú)立，便于攜帶。
下面以一個具體例子來進(jìn)一步說明智能電子樂器的運(yùn)行過程。MIDI標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了16個通道，在一定時刻一個通道對應(yīng)一種樂器或音色，每個通道具體對應(yīng)的樂器和音色可以隨時用Program Change命令設(shè)置、改變。MIDI標(biāo)準(zhǔn)的詳細(xì)內(nèi)容可參看有關(guān)文件。在演奏一首合奏曲時，演奏者首先通過計算機(jī)上的控制軟件，選擇在合奏樂曲中擔(dān)當(dāng)哪種樂器的演奏。假設(shè)MIDI格式樂譜數(shù)據(jù)文件中有62 93 4C 46這樣一組十六進(jìn)制數(shù)據(jù)需要演奏，這組數(shù)據(jù)表示在與上一MIDI事件相隔62(十六進(jìn)制)個MIDI時鐘的時刻，第3通道的4C鍵以46(十六進(jìn)制)的相對速度按下，9即表示Note On。如果演奏者正好選擇演奏與第3通道對應(yīng)的樂器，則計算機(jī)把數(shù)據(jù)4C 46發(fā)送給微處理器，微處理器控制與4C鍵相對應(yīng)的燈泡或激光二極管或發(fā)光二級管點(diǎn)亮，燈泡或激光二極管或發(fā)光二級管點(diǎn)亮的亮度或個數(shù)一方面可以根據(jù)相對速度46來確定，因?yàn)橐话闼俣仍娇欤存I力度往往也越大；另一方面也可以根據(jù)After Touch命令中的參數(shù)來確定，因?yàn)锳fter Touch中的參數(shù)反映了琴鍵按下后，后續(xù)施加的力度的大小。演奏者根據(jù)提示光點(diǎn)的提示，以一定速度或力度按下提示光點(diǎn)所對應(yīng)的琴鍵，這時琴鍵內(nèi)的開關(guān)接通，使微處理器的相應(yīng)I/O管腳的電平發(fā)生改變，由于微處理器不停地周期性地查詢其I/O管腳的電平大小，因此在很短的時間內(nèi)就可知道這種改變，并馬上報告計算機(jī)，計算機(jī)由此知道了演奏者實(shí)際演奏的音符，并把它轉(zhuǎn)換成與MIDI標(biāo)準(zhǔn)相對應(yīng)的Note On、NoteOff和After Touch等命令，控制電子聲音合成裝置發(fā)出聲音。與此同時，計算機(jī)把其他通道的與其他樂器相對應(yīng)的MIDI演奏指令直接送電子聲音合成裝置，這樣演奏者的實(shí)際演奏與MIDI格式文件中其他樂器的演奏自然地合成為一個整體。當(dāng)然演奏者也可關(guān)閉其他樂器的演奏，只聽自己的獨(dú)奏。如果幾個人共同演奏一首樂曲，每個演奏者應(yīng)該擁有一個觸發(fā)裝置，即鍵盤，但所有鍵盤應(yīng)該連接到同一計算機(jī)，以便協(xié)調(diào)演奏。如果沒有計算機(jī)，可以通過電纜或光纖或無線通信或微波通信或紅外通信技術(shù)彼此進(jìn)行通信聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)同步協(xié)調(diào)演奏或獨(dú)立演奏。
除了硬件，控制軟件也是影響智能電子樂器的性能和使用方便性的一個關(guān)鍵。因?yàn)閮H僅通過軟件就可額外增加許多功能。例如，可以設(shè)置演奏速度，當(dāng)演奏者首次演奏一首不熟悉的樂曲時，可以設(shè)置以較慢速度練習(xí)；再如可以把一首樂曲中所有MIDI事件在顯示屏上列出來供演奏者參考、修改，同時可把記錄保存的與演奏者實(shí)際演奏對應(yīng)的MIDI事件也在顯示屏上列出來，這將對作曲家非常有用，因?yàn)樽髑覍?shí)際演奏過程就是一個樂譜輸入過程，如果他對某些部分不滿意，可以馬上在屏幕上修改，再讓計算機(jī)自動演奏修改后的樂曲，試聽效果，如果還不滿意，繼續(xù)修改，直到滿意為止。對多個樂器的合奏曲，可以設(shè)置選項(xiàng)卡，讓演奏者選擇想要演奏的樂器。當(dāng)然還應(yīng)該提供播放啟動、暫停、快進(jìn)、快退、循環(huán)播放起止位置定義、播放速度控制、錄音、回放等一些快捷鍵。如果沒有計算機(jī)，由于普通微處理器的人機(jī)交換界面功能有限，應(yīng)該在中央控制器的機(jī)箱上或觸發(fā)裝置的面板上通過硬件提供上述控制鍵和選擇鍵。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)和效果本發(fā)明所涉及的智能電子樂器，與現(xiàn)有電子樂器相比，最大的特點(diǎn)是增加了提示功能，使得沒有經(jīng)過任何樂器演奏訓(xùn)練的人和不熟悉樂譜的人也能正確演奏完整的復(fù)雜曲目。同時它結(jié)構(gòu)簡單，功能完備，充分利用了現(xiàn)代計算機(jī)的豐富的軟件和硬件資源，以成本低實(shí)現(xiàn)了高品質(zhì)樂器。


圖1為一種智能電子樂器的結(jié)構(gòu)組成示意圖。
圖2為中央控制器采用計算機(jī)和微處理器時，智能電子樂器的電路結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為中央控制器采用微處理器，且觸發(fā)裝置由兩個模塊組成時，智能電子樂器的電路結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為中央控制器的演奏控制軟件流程示意圖。
圖5為采用機(jī)械開關(guān)時，智能電子樂器的琴鍵結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6為采用遮擋調(diào)制式模擬光學(xué)開關(guān)時，智能電子樂器的琴鍵結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7為采用反射調(diào)制式模擬光學(xué)開關(guān)時，智能電子樂器的琴鍵結(jié)構(gòu)示意圖。
圖8為采用微型按壓式光電開關(guān)時，智能電子樂器的琴鍵結(jié)構(gòu)示意圖。
圖9為采用兩個觸發(fā)裝置時，智能電子樂器的結(jié)構(gòu)組成示意圖。
圖10為采用計算機(jī)鍵盤作為觸發(fā)裝置時，智能電子樂器的結(jié)構(gòu)組成示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述根據(jù)圖1，智能電子樂器由發(fā)光二極管4、觸發(fā)裝置2、電子聲音合成裝置和中央控制器組成，這里電子聲音合成裝置采用計算機(jī)1內(nèi)部的聲音合成器，未畫出。中央控制器由計算機(jī)1和微處理器組成，而微處理器位于觸發(fā)裝置2內(nèi)部，也未畫出。觸發(fā)裝置2由12個琴鍵3組成，每個琴鍵3內(nèi)集成有一個光電開關(guān)(未畫出)，每個琴鍵3上集成有3個發(fā)光二極管4，觸發(fā)裝置2通過電纜5連接到計算機(jī)1的USB口。演奏時，首先計算機(jī)1從MIDI格式文件中讀取數(shù)據(jù)，根據(jù)演奏者預(yù)先選擇的演奏樂器設(shè)置，把其中需要演奏的數(shù)據(jù)發(fā)送給微處理器，微處理器控制與需要演奏的音符對應(yīng)的發(fā)光二極管4點(diǎn)亮，產(chǎn)生提示光點(diǎn)，提示演奏者以一定力度按下該鍵，如果琴鍵3上的3個發(fā)光二極管4全亮，則表示需以較大力按下該鍵，如果只有一個發(fā)光二極管4點(diǎn)亮，則表示以較小力按下該鍵。琴鍵3被按下后，其內(nèi)部的開關(guān)接通，使微處理器的相應(yīng)的I/O管腳的電平發(fā)生改變，微處理器不斷輪詢其各個I/O管腳的電平狀態(tài)，一旦某個I/O管腳的電平發(fā)生改變，馬上經(jīng)USB接口報告給計算機(jī)1，計算機(jī)1由此知道是哪個琴鍵在什么時候被按下，立即產(chǎn)生與MIDI標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的Note On命令，控制電子聲音合成裝置發(fā)出相應(yīng)的音符。當(dāng)該鍵被釋放時，則產(chǎn)生Note Off命令，控制電子聲音合成裝置結(jié)束相應(yīng)音符的發(fā)音。計算機(jī)1根據(jù)樂譜數(shù)據(jù)不停地點(diǎn)亮各個琴鍵3上的發(fā)光二極管4，指示演奏者進(jìn)行操縱，這樣就能演奏出完整的樂曲。同時計算機(jī)1還能把所有根據(jù)演奏者操作動所產(chǎn)生的Note On、Note Off等命令全部以MIDI文件格式存儲下來，用于回放、編輯和與樂譜中正確數(shù)據(jù)相比較，評估演奏演奏的正確性。在一首合奏曲中，演奏者通過計算機(jī)1上的操作軟件選擇演奏哪種樂器，同時選擇在他自己演奏時，其他樂器的演奏是關(guān)閉，還是由計算機(jī)1把MIDI格式文件中對應(yīng)其他樂器的Note On、Note Off等命令直接發(fā)出，控制電子聲音合成器發(fā)聲，從而與演奏者的實(shí)際演奏融合為一體。
根據(jù)圖2可知，中央控制器6由PC計算機(jī)1和80C51微處理器7組成，微處理器7通過電纜連接到PC計算機(jī)1。在空間位置上微處理器7位于觸發(fā)裝置2內(nèi)，這里畫出的電路方框示意圖。觸發(fā)裝置2由琴鍵3組成，每個琴鍵3內(nèi)包含一個發(fā)光二極管4和一個開關(guān)8，圖中只畫出了4個琴鍵，它們接在80C51微處理器7的四個I/O端口中的第一個端口上，即管腳編號為PAD0至PAD7的8個管腳上。更多的琴鍵在圖中以省略號表示。演奏中，當(dāng)需要按下某個琴鍵以演奏某個音符時，例如需按下圖中最上的琴鍵3時，計算機(jī)1首先通知微處理器7，使其PAD0管腳電平變?yōu)楦唠娖?，這樣發(fā)光二極管4點(diǎn)亮，演奏者在該提示光點(diǎn)的提示下，按下琴鍵，接通開關(guān)8，使微處理器7的PAD1管腳上的電平變?yōu)榈碗娖健Ｓ捎谖⑻幚砥?在不斷周期性地，例如每隔1毫秒一次，輪詢其I/O管腳的狀態(tài)，這樣當(dāng)開關(guān)8被演奏者按下后，最多1毫秒以內(nèi)，微處理器7通過PAD1管腳上的電平變化馬上就能知道，然后立即通知PC計算機(jī)1，說明是在什么時候、哪個琴鍵被按下，PC計算機(jī)1接到該觸發(fā)數(shù)據(jù)信號后，馬上產(chǎn)生Note On命令，控制計算機(jī)1內(nèi)部的電子聲音合成裝置發(fā)出相應(yīng)的音符。從演奏者按下琴鍵到電子聲音合成器發(fā)出聲音，這中間的時間間隔一般不超過2毫秒，這樣演奏者基本感覺不到時間延遲。
在圖3中，與圖2不同的是，中央控制器6由微處理器7、存儲器9組成，存儲器9和電子聲音合成裝置15分別通過導(dǎo)線連接到微處理器7。觸發(fā)裝置2由模塊10和模塊11兩個模塊組成，這兩個模塊各包含4個琴鍵3，每個琴鍵內(nèi)有一個發(fā)光二極管4和一個開關(guān)8，二極管4和開關(guān)8通過具有緩沖、鎖存功能的芯片PCF8574連接到微處理器7，在連接時采用了I2C(Inter-Integrated Circuit)技術(shù)。I2C是IC芯片之間溝通連接的一種總線架構(gòu)。在具有I2C總線功能的芯片中，由于其地址已內(nèi)建在芯片中，因此只需要SDA和SCL兩條導(dǎo)線。在圖3中，芯片PCF8574到微處理器7的連接使用了4根導(dǎo)線，除了SDA和SCL，還有電源VDD和地Vss兩根導(dǎo)線。VDD、Vss、SDA和SCL首先連接到模塊10中的芯片PCF8574，再進(jìn)一步通過模塊10上的插頭14和模塊11上的插座13連接到模塊11中的芯片PCF8574。這樣當(dāng)兩個模塊拼接起來時，它們不僅在機(jī)械上連成一個整體，同時在電學(xué)上也連成一個整體。MIDI格式音樂文件直接或經(jīng)處理、壓縮后，存儲在存儲器9中，演奏時，微處理器7從存儲器9取出數(shù)據(jù)，控制琴鍵3中的發(fā)光二極管4點(diǎn)亮，提示演奏者按下相應(yīng)的琴鍵，當(dāng)琴鍵被按下后，開關(guān)8把芯片PCF8574相應(yīng)管腳的電平拉低，由于微處理器7通過SDA和SCL不斷周期性地輪詢兩個模塊中的PCF8574芯片相應(yīng)管腳的電平，這樣微處理器7很快知道哪個按鍵在什么時候被按下，然后馬上產(chǎn)生Note On命令，控制電子聲音合成器15發(fā)出相應(yīng)音符。同樣微處理器7還能把所有根據(jù)演奏者操作動所產(chǎn)生的Note On、NoteOff等命令全部存儲到存儲器9中，用于回放和與樂譜中正確數(shù)據(jù)相比較，評估演奏演奏的正確性。
在圖4中，中央控制器的演奏控制軟件流程分為a-k等11個步驟，下面一一進(jìn)行說明。第a步，準(zhǔn)備包括對系統(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)置，例如把讀取存儲器的文件指針設(shè)為文件開始處、確定文件中所包含的MIDI事件總數(shù)等；第b步，讀取演奏參數(shù)設(shè)置讀取演奏者設(shè)定的演奏參數(shù)，例如演奏速度，在一首合奏曲中演奏者準(zhǔn)備演奏哪種樂器，其他樂器的演奏是否關(guān)閉，是否記錄演奏過程等；第c步，讀取下一MIDI事件從目前文件指針位置讀取一個MIDI事件的數(shù)據(jù)；第d步，判斷第c步讀取的MIDI事件是否為需要演奏者演奏的音符，如果是，則進(jìn)入第e步，如果不是，則進(jìn)入第h步(如果設(shè)置其他樂器的演奏同步播放)，不管是進(jìn)入第e步還是進(jìn)入第h步，執(zhí)行完后馬上進(jìn)入第f步；第e步，點(diǎn)亮發(fā)光二極管在目前MIDI事件規(guī)定的時刻點(diǎn)亮相應(yīng)琴鍵中的發(fā)光二極管，提示演奏者按下該琴鍵；第f步，輪詢I/O端口不斷輪詢讀取I/O端口的狀態(tài)，然后進(jìn)入第g步；第g步，有琴鍵按下根據(jù)第f步讀取的I/O端口的狀態(tài)判斷是否有哪個按鍵的狀態(tài)發(fā)生改變，如被按下，或按鍵上的壓力有改變，或已按下的按鍵被釋放等，如果是，則進(jìn)入第h步和/或第i步，在執(zhí)行完第h步和/或第i步后，馬上進(jìn)入第j步；第h步，控制電子聲音合成裝置發(fā)聲根據(jù)第d步和第g步的指令，控制電子聲音合成器發(fā)聲，如啟動或停止某一音符的發(fā)音，或改變正在發(fā)音的音符的強(qiáng)弱等；如果演奏者在設(shè)置演奏參數(shù)時選擇記錄功能，則在第h步后馬上進(jìn)入第i步；第i步保存MIDI事件數(shù)據(jù)記錄保存第d步中直接來自MIDI文件的和第g中由演奏者按鍵觸發(fā)的MIDI事件數(shù)據(jù)；第j步，已處理所有MIDI事件根據(jù)第a步中的初始化信息，判斷文件中的所有MIDI事件是否已讀取、執(zhí)行完畢，如果不是，則把讀取存儲器的文件指針指向下一MIDI事件，并回到第c步，如果是，則進(jìn)入第k步；第k步演奏結(jié)束。以上是在演奏一首樂曲時，中央控制軟件的主要流程，其他流程如MIDI事件的顯示、編輯等，這里沒有包括。
在圖5中，琴鍵3由發(fā)光二極管4和由導(dǎo)電彈片16、導(dǎo)線18、銅片20構(gòu)成的機(jī)械開關(guān)組成，導(dǎo)線18連接在導(dǎo)電彈片16上，導(dǎo)電彈片16安裝固定在琴鍵活動鍵體19內(nèi)，銅片20安裝在觸發(fā)裝置的底座17上。當(dāng)琴鍵3處于釋放自由狀態(tài)時，導(dǎo)電彈片16與銅片20不接觸。當(dāng)琴鍵3被按下時，導(dǎo)電彈片16接觸銅片20，導(dǎo)線18也隨之與銅片20接通，如果導(dǎo)線18接微處理器的某一I/O管腳，銅片20接地，則該I/O管腳的電平被拉低，微處理器通過輪詢知道琴鍵3已被按下。
在圖6中，琴鍵3由發(fā)光二極管4和由激光二極管21、擋板23、硅光電池22構(gòu)成的光學(xué)模擬開關(guān)組成，激光二極管21和硅光電池22安裝固定在觸發(fā)裝置的底座17上，擋板23安裝固定在琴鍵活動鍵體19內(nèi)。當(dāng)琴鍵3處于釋放自由狀態(tài)時，激光二極管21發(fā)出的光可以直接到達(dá)硅光電池22，硅光電池22產(chǎn)生一個較大光伏電壓。當(dāng)琴鍵3被按下時，帶動擋板23向下運(yùn)動，逐步切斷由激光二極管21發(fā)出的射向硅光電池22的光，硅光電池22產(chǎn)生的光伏電壓逐步減小。因此硅光電池產(chǎn)生的光伏電壓的大小就反應(yīng)了演奏者施加在琴鍵3上的力的大小，因?yàn)榍冁I3下還有一個彈簧(未畫出)，該彈簧被壓縮的程度越大，所需要的壓力也越大。硅光電池22產(chǎn)生的光伏電壓送給A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后送到微處理器的I/O端口，微處理器不斷輪詢其I/O端口，從而知道什么時候，作用在什么鍵上的壓力為多少。如果壓力增加到超過零或某一閾值，則中央控制器產(chǎn)生一個Note On命令，如果壓力降低到零或某一閾值以下，則產(chǎn)生一個Note Off命令，如果琴鍵已被按下，Note On命令也已經(jīng)發(fā)出，但施加在琴鍵3上的壓力仍在不斷變化，例如演奏者以此來表達(dá)某種感情，則產(chǎn)生After Touch命令，控制電子聲音合成器發(fā)出的聲音強(qiáng)度也相應(yīng)改變。因此通過采用光學(xué)模擬開關(guān)，琴鍵3具有力反饋特性，可以更細(xì)膩地表達(dá)演奏者的感情，也更接近鋼琴演奏效果。由于在MIDI中壓力分為128個等級，因此采用8位A/D轉(zhuǎn)換器已經(jīng)可以獲得足夠精度。一般硅光電池22產(chǎn)生的光伏電壓與施加在琴鍵3上的壓力不會嚴(yán)格成線性關(guān)系，但這可以由中央控制器通過軟件進(jìn)行補(bǔ)償、修正。
在圖7中，琴鍵3由發(fā)光二極管4和由激光二極管21、光電二極管24構(gòu)成的反射調(diào)制式光電開光組成，激光二極管21和光電二極管24安裝固定在觸發(fā)裝置的底座上。激光二極管21發(fā)出的光通過琴鍵活動鍵體19的下表面的反射到達(dá)光電二極管24。當(dāng)琴鍵3被按下時，反射到光電二極管24的光發(fā)生變化，它產(chǎn)生的光電流也隨之變化。因此從光電二極管24產(chǎn)生的光電流的變化同樣可以知道琴鍵3被按下的狀態(tài)。
在圖8中，琴鍵3由發(fā)光二極管4和由紅外發(fā)光二極管26、光電二極管24、擋片23、彈簧28、外套27、內(nèi)套29、電纜30和25構(gòu)成的模擬光學(xué)開光組成，外套27可以相對于內(nèi)套29滑動，擋片23固定在外套27上，紅外發(fā)光二極管26和光電二極管24固定在內(nèi)套29上，電纜25連接在紅外發(fā)光二極管26上，用于給紅外發(fā)光二極管26供電，電纜25連接到光電二極管24上，用于引出光電二極管24產(chǎn)生的光電流。當(dāng)外套27相對于內(nèi)套29向上運(yùn)動時，擋片23逐步切斷紅外發(fā)光二極管26發(fā)出的射向光電二極管24的紅外光，光電二極管24產(chǎn)生的光電流也逐步減小。與此同時外套27相對于內(nèi)套29向上運(yùn)動的移動量越大，彈簧28壓縮越厲害，需要的壓力也越大。因此從光電二極管24產(chǎn)生的光電流的變化可以知道琴鍵3被按下的狀態(tài)。盡管圖中外套27和內(nèi)套29被畫成方形，實(shí)際上它們可以被做成環(huán)形套在手指上。相對于鋼琴鍵盤，這種戴在手指上的微型化觸發(fā)裝置給演奏者帶來非常大的自由度，因?yàn)樗槐叵笱葑噤撉倌菢釉谥付ǖ牡胤綇椬嘀付ǖ逆I，此時演奏者在任何地方敲擊有一定硬度的任何東西使外套27相對于內(nèi)套29運(yùn)動，都能發(fā)出正確的音符，只要他是用特定的手指敲擊，因?yàn)楝F(xiàn)在開關(guān)裝在手指上，每個手指對應(yīng)特定音符。當(dāng)然通過切換鍵，每個手指所對應(yīng)的音符還可實(shí)時改變，進(jìn)一步擴(kuò)大能夠演奏的音符音程范圍。電纜30、25可直接接到微處理器的I/O端口，或通過無線收、發(fā)裝置或紅外收、發(fā)裝置等把琴鍵3的狀態(tài)發(fā)送給微處理器。
在圖9中，兩個觸發(fā)裝置32、33分別通過電纜31、34接到計算機(jī)1的兩個USB口，由計算機(jī)1統(tǒng)一控制，這一方面節(jié)省了一臺計算機(jī)，另一方面便于演奏者利用兩臺觸發(fā)裝置合奏同一樂曲。理論上一臺計算機(jī)可以接127個USB設(shè)備，當(dāng)然要增加一些USB HUB以提供更多的USB接口，而且每個觸發(fā)裝置最好自備電源。
在圖10中，觸發(fā)裝置2直接采用計算機(jī)鍵盤35，它包括鍵盤按鈕3和發(fā)光二極管4，每個按鈕3上至少集成有一個發(fā)光二極管4。觸發(fā)裝置2通過電纜5連接到計算機(jī)主機(jī)36，顯示器37通過電纜38連接到計算機(jī)主機(jī)36。采用本設(shè)計方案的好處是避免添加額外的觸發(fā)裝置，因?yàn)槊總€計算機(jī)都有一個鍵盤。
權(quán)利要求
1.一種智能電子樂器，其特征在于它由燈泡或激光二極管或發(fā)光二級管(4)、觸發(fā)裝置(2)、電子聲音合成裝置(15)和中央控制器(6)組成；燈泡或激光二極管或發(fā)光二級管(40集成在觸發(fā)裝置(2)上，觸發(fā)裝置(2)通過導(dǎo)線與中央控制器(6)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種智能電子樂器，其特征在于觸發(fā)裝置(2)由一組琴鍵(3)組成，每個琴鍵(3)由機(jī)械開光或光電開關(guān)和燈泡或激光二極管或發(fā)光二級管(4)組成；每個機(jī)械開光或光電開關(guān)的其中一端直接或通過具有緩沖、鎖存功能的電子芯片或電阻連接到微處理器的I/O管腳，另外一端直接或通過電阻接地或電源。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種智能電子樂器，其特征在于觸發(fā)裝置由一組琴鍵(3)組成，每個琴鍵(3)由模擬光學(xué)開光和燈泡或激光二極管或發(fā)光二級管(4)組成；模擬光學(xué)開光由光源(21)、光探測器(22)、擋板(23)或反射面組成，光源(21)和光探測器(22)固定在觸發(fā)裝置的底座(17)上，光探測器(22)直接或通過多路轉(zhuǎn)換開關(guān)連接到D/A轉(zhuǎn)換器，擋板(23)或反射面安裝在琴鍵的活動鍵體(19)內(nèi)，且它們的位置使得它們能夠?qū)庠?21)投射到光探測器(22)上的光強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種智能電子樂器，其特征在于觸發(fā)裝置(2)采用模塊化積木結(jié)構(gòu)，每個模塊包含一個或不少于兩個個琴鍵(3)，模塊之間在空間位置上互相獨(dú)立或通過鎖緊、定位裝置連成一個整體，并通過插頭(14)和插座(13)或?qū)Ь€實(shí)現(xiàn)電連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種智能電子樂器，其特征在于中央控制器(6)由計算機(jī)(1)和微處理器(7)組成，微處理器(7)通過串行或并行方式連接到計算機(jī)(1)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種智能電子樂器，其特征在于中央控制器(6)由微處理器(7)、內(nèi)部和/或外部存儲器(9)組成，內(nèi)部和/或外部存儲器(9)通過導(dǎo)線連接到微處理器(7)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種智能電子樂器，其特征在于觸發(fā)裝置(2)通過光纖或無線通信接收、發(fā)送裝置或微波通信接收、發(fā)送裝置或紅外通信接收、發(fā)送裝置與中央控制器(6)進(jìn)行聯(lián)系。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種智能電子樂器，其特征在于不少于兩臺的智能電子樂器連接到同一計算機(jī)(1)，或通過電纜或光纖或無線通接收、發(fā)送裝置或微波通信接收、發(fā)送裝置或紅外通信接收、發(fā)送裝置彼此進(jìn)行聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)同步協(xié)調(diào)演奏或獨(dú)立演奏。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種智能電子樂器，它由觸發(fā)裝置、電子聲音合成裝置、中央控制器和集成在觸發(fā)裝置的琴鍵上的燈泡或激光二極管或發(fā)光二級管組成。中央控制器根據(jù)所需演奏的樂譜數(shù)據(jù)控制燈泡或激光二極管或發(fā)光二級管發(fā)光，產(chǎn)生提示光點(diǎn)，提示演奏者按下相應(yīng)琴鍵，琴鍵中的開關(guān)隨之產(chǎn)生觸發(fā)信號，中央控制器根據(jù)該觸發(fā)信號控制電子聲音合成裝置發(fā)出相應(yīng)音符。本發(fā)明最大的特點(diǎn)是增加了提示功能，使得沒有經(jīng)過任何樂器演奏訓(xùn)練的人和不熟悉樂譜的人也能正確演奏完整的復(fù)雜曲目。同時它結(jié)構(gòu)簡單，功能完備，充分利用了現(xiàn)代計算機(jī)的豐富的軟件和硬件資源，可以以成本低制作高品質(zhì)樂器。
文檔編號G10H1/32GK1664918SQ20041001281
公開日2005年9月7日 申請日期2004年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月4日
發(fā)明者李志揚(yáng) 申請人:李志揚(yáng)