王廣德，許德成，劉洪波，黃 濤

(吉林師范大學(xué) 信息技術(shù)學(xué)院，吉林 四平 136000)

0 引言

樂(lè)音的質(zhì)量取決于樂(lè)音的聲學(xué)頻率準(zhǔn)確與否，但由于樂(lè)器本身所具有的物理特性、長(zhǎng)期使用或周圍環(huán)境因素的影響，其發(fā)音頻率會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的偏差，這就要求定期對(duì)樂(lè)器進(jìn)行樂(lè)音的校正.目前，我國(guó)家庭教育和學(xué)校教育十分重視素質(zhì)教育.隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各種樂(lè)器進(jìn)入家庭非常普遍，所以樂(lè)器的校音需求越來(lái)越大．普遍使用的校音方法是用音叉或需要提供標(biāo)準(zhǔn)音，由經(jīng)驗(yàn)豐富的校音師通過(guò)比較兩個(gè)音階的差別進(jìn)行調(diào)校[1]．這種方式對(duì)校音師要求較高且不易于推廣．因此研制能夠自動(dòng)測(cè)量和分析樂(lè)器發(fā)音頻率的全智能電子校音器具有現(xiàn)實(shí)意義[2-9]．

1 校音器基本原理

設(shè)計(jì)思路是通過(guò)硬件電路實(shí)現(xiàn)對(duì)樂(lè)器每個(gè)音符發(fā)音頻率的測(cè)量，并利用微處理器對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行處理后與基準(zhǔn)音頻進(jìn)行比較，實(shí)質(zhì)是對(duì)基音頻率的檢測(cè)和分析[10]．根據(jù)這種想法設(shè)計(jì)的校音器主要包括信號(hào)的采集、整形放大、采樣A/D轉(zhuǎn)換、單片機(jī)處理及顯示等部分．利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理及人機(jī)交換界面，系統(tǒng)組成如圖1所示．

圖1 校音器系統(tǒng)組成框圖

將樂(lè)器發(fā)出的某音符的單音信息通過(guò)拾音器采集，轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然后進(jìn)行放大處理，并將信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，使其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)．利用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，主要包括通過(guò)傅里葉變換完成時(shí)域到頻域的轉(zhuǎn)換，濾除高次諧波和噪聲，測(cè)量基波頻率等，并把頻率的誤差轉(zhuǎn)換為音樂(lè)上所用的音分的誤差.最后,將其音符的基波頻率和標(biāo)準(zhǔn)音的音分差值顯示在LCD上，校音人員通過(guò)顯示的音分差來(lái)進(jìn)行校音的調(diào)諧．直至樂(lè)器單音符音頻與標(biāo)準(zhǔn)基頻誤差在允許的理論誤差范圍內(nèi)，完成樂(lè)器校音工作．

2 系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要包括聲音信號(hào)采集、信號(hào)的放大、數(shù)據(jù)的采集和分析處理、顯示電路等部分．

2.1 信號(hào)采集及放大電路

系統(tǒng)的拾音器可采用駐極體話筒．駐極體話筒具有體積小、電聲性能好、頻率范圍寬和成本低等特點(diǎn)，其信號(hào)轉(zhuǎn)換原理是駐極體薄膜和背極間的電容值是與聲波大小有關(guān)，由于駐極體上的電荷數(shù)值為一固定值，所以當(dāng)電容變化時(shí)會(huì)引起電容器兩端電壓的變化，將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之相對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)輸出，實(shí)現(xiàn)聲—電的變換．

拾音器輸出的電壓信號(hào)只有幾毫伏，因此要使其達(dá)到A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化所需要的下限值，必須對(duì)拾音器輸出電壓信號(hào)進(jìn)行放大處理．但要求放大后的信號(hào)不允許超過(guò)A/D轉(zhuǎn)換的上限，因此需要放大倍數(shù)可變，保證輸出幅度不變．故采用AGC放大器，它是可變?cè)鲆娴姆糯笃?把輸出信號(hào)取出一部分處理之后返回輸入端控制放大器或者處理電路的增益，使之保持在一個(gè)水平之內(nèi)．保證最大幅度不超過(guò)A/D上限，即平均值不變．本文中采用集成芯片AD8367，是一款高性能可變?cè)鲆娣糯笃?，設(shè)計(jì)用于在最高500 MHz的中頻頻率下工作．從外部施加0至1 V的模擬增益控制電壓，可調(diào)整45 dB增益控制范圍，以提供20 mV/dB輸出．其內(nèi)部含集成一個(gè)平方律檢測(cè)器，利用此檢波器可以方便地配置成單片AGC放大器[11]．本文AD8367的工作模式為反向增益控制模式，VP電壓為5 V，VIN輸入信號(hào)為拾音器的輸出信號(hào)．利用AD8367構(gòu)成的AGC放大電路如圖2所示．

圖2 AGC放大電路

2.2 單機(jī)的選擇

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、分析和處理部分應(yīng)用STM單片機(jī)完成．本設(shè)計(jì)應(yīng)用ST公司的 8位系列單片機(jī)的高配置的STM8S105C單機(jī)片．STM8系列通過(guò)增強(qiáng)型堆棧指針運(yùn)算、先進(jìn)的尋址模式和新指令實(shí)現(xiàn)快速、安全的開發(fā)．單片機(jī)主要完成A/D轉(zhuǎn)換、傅里葉變換、濾波和測(cè)量結(jié)果的比較等．

2.3 顯示電路

顯示器件選用LCD12864液晶顯示屏．該液晶顯示屏每屏最多可顯示32個(gè)中文字符或64個(gè)ASCII碼字符．12864液晶顯示具有顯示信息量大、 功耗低、 壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),因此在各種高性能智能儀表中得到廣泛的應(yīng)用．本設(shè)計(jì)采用串行方式寫入數(shù)據(jù)和指令，以減少單片機(jī)的應(yīng)用端口，用以顯示測(cè)量得到的當(dāng)前基波頻率和標(biāo)準(zhǔn)音頻比較后的音分差值．顯示驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示．

3 系統(tǒng)軟件模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括信號(hào)的采樣、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號(hào)的傅里葉變換、濾除諧波分量和測(cè)量結(jié)果及音分差值顯示．

信號(hào)的采樣次數(shù)決定了A/D轉(zhuǎn)換間隔周期．其應(yīng)滿足精度要求且減小工作量．因此采樣頻率是隨輸入信號(hào)變化的．本設(shè)計(jì)保證采樣次數(shù)是測(cè)量最高頻率的4倍，由于樂(lè)器的音頻范圍大概在40 Hz～8 000 Hz范圍內(nèi)．因此采樣的頻率最高設(shè)為65536 Hz．先進(jìn)行頻率初測(cè)，確定基波的大概范圍，由此決定轉(zhuǎn)換的次數(shù)．然后調(diào)整采樣頻率，保證按基波頻率4倍去采樣轉(zhuǎn)換．

圖3 顯示驅(qū)動(dòng)電路

利用單片機(jī)芯片中的ADC模塊對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換．轉(zhuǎn)換后將時(shí)域信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換處理[12]．單片機(jī)按軟件中的算法進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和處理，完成時(shí)域到頻域的轉(zhuǎn)換．樂(lè)器的單音符樂(lè)音波形，是由其基音和諧音按照一定的相位關(guān)系進(jìn)行周期性規(guī)則地相疊加組合而形成的，其波形是以基音的波形為主[13]．因此變換后譜線為基波和高次諧波疊加譜線，樂(lè)音是有規(guī)律的音頻信號(hào)．樂(lè)音的音調(diào)是由其基波信號(hào)頻率決定的，能否準(zhǔn)確的測(cè)量出基波信號(hào)的頻率是樂(lè)器校音器的關(guān)鍵．這就需要對(duì)基波和高次諧波加以區(qū)分．即要進(jìn)行基音波形的提取，以便檢測(cè)出基音頻率．提取的依據(jù)為基波的頻率最低，即使有的干擾點(diǎn)在某頻點(diǎn)可能比基波低，但這個(gè)信號(hào)不具有周期性，高次諧波不易找出，所以可將其濾除．同時(shí)基波的幅度最高，由此可分離出基波并測(cè)量出其頻率值．同時(shí)將其和基準(zhǔn)音符頻率庫(kù)的數(shù)值通過(guò)運(yùn)算得出音分差值，并顯示在液晶屏上.其基準(zhǔn)C調(diào)音符頻率對(duì)照表如表1所示．

表1 基準(zhǔn)C調(diào)音符頻率對(duì)照表

系統(tǒng)整體軟件流程如圖4所示．

顯示部分應(yīng)用12864液晶顯示屏，采用串行方式寫入數(shù)據(jù)，顯示當(dāng)前的測(cè)試狀態(tài)和測(cè)試數(shù)據(jù)值，為調(diào)諧樂(lè)器提供數(shù)字依據(jù)，完成人機(jī)信息交換．其串行寫入控制流程圖如圖5所示．

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖

圖5 12864控制流程圖

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的校音器應(yīng)用數(shù)字處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)樂(lè)器所發(fā)音階頻率的智能測(cè)量和比較，并顯示相應(yīng)的頻率值和音分差，利用STM單片機(jī)的處理功能完成對(duì)單音符樂(lè)音基波頻率的精確測(cè)量．該研究為樂(lè)器的調(diào)音提供了依據(jù)，通過(guò)測(cè)試可滿足樂(lè)器校音的功能要求，可以對(duì)鋼琴、吉他等樂(lè)器進(jìn)行校音，具有很好的推廣價(jià)值．

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