基于PIC單片機的琴類樂器校音系統

夏霏杰，趙檢蒙，張 杰，夏志富，朱仁祥

(寧波工程學院 電子與信息工程學院，浙江 寧波 315016)

0 引言

琴類樂器各個弦或鍵發出不同模式、不同音高(或音調)的樂音，這些琴弦、鍵發的音符合一定的音律，如“純律”、“十二平均律”等。然而，這些琴類樂器各個弦或鍵經常會偏離應有的位置，以致演奏不出應有的音樂效果，這就需要定期對這些樂器進行校準。通常，調音師通過耳朵來判斷每個弦音是否有偏差，再按一定的音律調各個弦或鍵。這種傳統的琴音分析及調試手段是利用耳的聽覺來完成的，人為影響因素大，不夠精確且效率低下。特別是，對于一些初學者，其對音準的判別還沒有達到能夠調音的水平。這就需要設計專門的工具來完成調音。

1 系統結構

被測信號即琴音信號由麥克風采集，經過模擬音頻信號處理模塊對信號進行放大和整合后送入PIC單片機，對PIC進行一系列初始化設置后由PIC內置的A/D轉換器進行模數轉換，并對轉換完的數字信號進行FFT分析。最后在圖形液晶模塊上顯示結果。系統結構框圖如圖1所示。

圖1 系統總體框

2 電路設計

在模擬音頻信號模塊中，音頻信號首先通過麥克風采集進來。由于麥克風信號輸出比較小，必須采用前置放大器進行放大[1]。考慮到噪聲的問題，這里用 OP07低噪聲放大器對信號進行放大。OP07芯片是一種低噪聲，非斬潑穩零的上級行運算放大器集成電路[2]。電路如圖2所示。

圖2 前置放大電路

本系統采用的單片機型號為PIC18F452。該單片機是帶有10 位A/D的高性能增強型閃存單片機[3]。

PIC18F452的 A/D轉換電路的輸入范圍為0～VREF，為單極性輸入形式。由于采樣的信號為音頻信號，即交流信號。因此需要把雙極性輸入電壓經過提升電路轉換成單極性[4]，然后與 PIC18F452單片機相連，如圖3所示。

圖3 電壓提升電路

3 軟件分析

3.1 A/D設置

A/D 的設置首先要考慮的是抽樣頻率。根據抽樣頻率等于或大于信號最高頻率的奈奎斯特頻率,則信號在頻域中無混疊現象[5]。由于小提琴的弦音頻率范圍大約在1～2 kHz，本系統將系統的A/D采用頻率設為10 kHz。還有一些其他的相關設置，例如：①對模擬引腳/基準電壓/數字I/O進行配置；②選擇 A/D輸入通道；③選擇 A/D轉換時鐘；④對A/D轉換完成標志位清0； ⑤對A/D轉換中斷使能位置1。

3.2 FFT算法分析

FFT算法的基本原理是把長序列的DFT逐次分解為較短序列的DFT[6]。本系統采用基2、DIT-FFT（按時間抽取）的方法進行數據分析。其算法流程圖如圖4所示。

圖4 FFT算法流程

FFT計算公式[7]:

FFT是離散傅里葉變換的快速算法，在單片機實現中，采用蝶形運算算法實現 FFT[8]，蝶形運算單元如圖5所示。圖中左為輸入。中間的黑色實心點表示加、減運算。右上支路為相加后的輸出，右下支路為相減后的輸出。箭頭表示要進行相乘運算。

圖5 蝶形運算流

3.3 FFT核心代碼

變址計算部分代碼如下：

注意：①up,down,produc均為自定義的結構體，表示復數，這里不給出具體定義；②mul,add,sub三個函數分別計算復數的相乘，相加和相減，并保存在第3個參數中。

4 結語

對于FFT信號的分析，較為廣泛的方法是應用DSP進行數據處理。本系統采用較低成本的PIC單片機進行數據分析處理[9-12]，并且 PIC內置了高性能的AD，也省去了AD部分的電路設計。整個系統變得小巧、輕便。該系統的實際運用中得到了良好的效果，可以達到琴音校準的目的。但是，該系統對信號的采集做的并不是非常精確，如果要進一步提高精確度可以采用成本較高的12位的AD轉換器進行模數轉換，或者建立了一種模式識別神經網絡模型，在數字信號處理器中實現。

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