基于ARM+Linux的模擬電子琴設計

胡淼元 何文德 楊鳳年

摘要：采用以ARMCortex-A8架構的s5pv210處理器為核心的硬件平臺，以嵌入式Linux為軟件平臺，開發了一款模擬電子琴軟件。打開模擬電子琴程序后，演奏者可在液晶屏上顯示的琴鍵通過觸摸屏彈奏樂曲。此外，模擬電子琴系統中內置了數十首中外流行的樂曲，演奏者選中某首樂曲后，可在液晶屏上顯示其簡譜或五線譜，電子琴還可自動演奏所選中的樂曲。

關鍵詞：嵌入式Linux;電子琴;圖片顯示;音符發聲

中圖分類號：TP319 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）15-0253-02

嵌人式系統的廣泛應用令家電以及玩具產業日新月異，同時也極大提高了電子產品的設計效率和產品品質。電子琴屬于嵌入式系統產品范疇，其種類很多，通常適合5歲以上兒童以及成人的學習和演奏，價格一般在幾千元乃至數萬元。然而，對于培養和啟發兒童和青少年的音樂興趣來說，不必拘泥于價格昂貴且不太便于攜帶的電子琴，一款價格親民的具備模擬電子琴功能的平板電腦，或許就能滿足普通家庭的需求。因此，融合計算機技術和嵌入式系統技術的模擬電子琴的研究及設計開發受已受到了業界的關注。這類模擬電子琴基于便攜式的硬件平臺，能通過寓教于樂的方式培養青少年的音樂興趣、普及樂理知識，深受人們的青睞。

1系統方案設計

電子琴通常采用振蕩器和分頻器獲得音頻信號，再經過運放電路放大，最后驅動揚聲器發聲，鍵盤用于控制進入揚聲器信號的頻率，最終實現電子琴的功能。本文在實現模擬電子琴基本功能的基礎上，還增添了自動演奏和樂譜提示等功能，使其更具有趣味性和益智性。該設計由硬件和軟件兩部分組成，硬件以ARM Cortex-A8架構的s5pv210處理器為核心，結合內存和Flash存儲器組成核心板，再加上液晶屏（LCD）、觸摸屏、揚聲器等模塊構成。

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，依次按下鍵盤區的1-8號按鍵時，揚聲器就會依次發出Do、Re、Mi、Fa、So、La、Si、高音段的Do等8個音符。（2）播放模式，播放系統內置的音樂，用戶可以通過觸摸屏按鍵選擇樂曲進行播放，播放音樂時液晶顯示屏會顯示對應的樂曲編號和名稱。

2硬件和軟件平臺

硬件由基于ARM Cortex-A8架構的s5pv210為處理器的硬件平臺（處理器主頻為1GHz，核心板的內存為1GB DDR2、存儲器為4GB iNAND），結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（含放大器和揚聲器）等主要模塊組成，用戶通過觸摸屏模塊輸入信息，核心處理器接收信息后作相應處理，然后控制液晶顯示模塊和音頻模塊對輸人信息做出響應。其硬件結構如圖1所示。

軟件平臺采用開源的Linux操作系統，經驅動程序設計和內核裁剪后移植到上述硬件平臺，模擬電子琴是基于以上軟硬件平臺的應用程序，采用c語言開發，交叉編譯環境使用arm-linux-gec。

3模擬電子琴軟件開發

3.1關鍵技術

3.1.1 LCD上顯示bmp格式圖片

Linux系統中一切操作皆作為文件處理，故Linux操作LCD模塊就是一個對LCD模塊文件的讀寫，使用mmap（1來簡化操作，這是一種內存映射文件的方法，即將一個文件或者其他對象映射到進程的地址空間，這樣進程就可以讓用戶程序直接訪問設備內存，而不必再調用readO、writeO等系統調用函數。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bmp格式圖片在LCD上顯示的實現的。首先用lseekO函數分別定位到圖片的長寬以及像素數組并讀取，然后對像素數組進行解碼，由24位變成32位，再對屏幕上每個點進行顏色賦值。源代碼的關鍵是先實現在LCD屏幕坐標為（i，j）的點上顯示指定的顏色color的函數void led_display_pointont i，int j，int color），最后實現void lcd_dis-play_bmp（char*bmpname，intx，int y）函數，其中，x、y為在LCD屏幕上圖片顯示位置的坐標，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觸摸屏驅動一般采用input子系統驅動框架實現，因此應用層接口要遵循input框架的接口。觸摸事件在文件中用結構體struct input_event來描述，其結構成員包括time（按鍵時間）、type（事件類型）、code（事件鍵值）、value（值），以此來對事件進行判斷。如果事件類型為EV_KEY，則相應的code值為按鍵狀態，1為按下，0為彈起;如果是事件類型為EV_ABS，相應code的值為對應的坐標軸x、y。按鍵事件的判斷可以設立標志位flag，先置為0，當按鍵狀態為1H.flag=0時，即為按下。然后將flag置為1;當按鍵狀態為0且flag=l時，即為彈起。然后將flag置為0，就可以實現對觸摸屏按鍵事件的判斷。

3.1.3音符發聲

madplay是一個開源mp3解碼庫，對mp3解碼算法做了很多優化，本文基于madplay庫實現音符發聲。當用戶按下一個琴鍵后，主進程創建一個子進程來使用madplay播放相應的音頻文件，設置“分離屬性”，讓子進程在madplay播完后，實現資源自我回收。若madplay尚未播放完，又有按鍵事件發生，就又會產生一個新進程，而此時播放器正在被上一個madplay進程占用，使得新進程進入阻塞態等待狀態。因此，當按鍵事件結束后，仍在發聲。為此，可以在進程函數中，加入killall系統命令來終止上一個madplay，然后再播放本音符。

3.2軟件總體設計

模擬電子琴程序是Linux的應用程序，它啟動后先進行LCD液晶顯示屏和觸摸屏初始化，隨后進入程序主界面，提醒用戶選擇工作模式，用戶可以選擇彈奏模式或自動演奏模式。在這兩種模式下，用戶都可將從樂曲庫中選擇的樂曲的簡譜或五線譜顯示在LCD上，并在主界面設有退出按鈕，系統根據用戶的選擇進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有返回按鈕，以方便用戶操作。其活動圖如圖2所示。

4總結

為了培養青少年的音樂興趣，本文采用以ARM Cortex-A8架構的s5pv210為處理器的硬件平臺，嵌入式Linux作為軟件平臺，用C語言開發了一款模擬電子琴，對其硬件架構和軟件設計進行了闡述，重點闡述了其軟件設計方法，對嵌入式系統初學者有一定的參考價值。該模擬電子琴具有彈奏和自動演奏兩種工作模式，可以提高青少年的音樂興趣，加深他們對樂理知識的理解和認知。在后續的工作中團隊將著重在軟件方面做出改進，使模擬電子琴發聲的音色種類更加豐富、聲音更加悅耳，令其用戶體驗更出色。