专利名称：数码电脑钢琴的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及计算机外设，具体涉及一种和计算机连接使用并具有钢琴弹奏功能的数码电脑钢琴。
背景技术：
钢琴号称“乐器之王”，其丰富的音色和完美的表现力令所有爱好音乐的人倾倒。现在爱好音乐的人越来越多，而传统机械钢琴却由于其价格昂贵、维护不便和学习困难，而令众多音乐爱好者望而却步，从而使传统机械钢琴难以大规模地走进寻常百姓家，不能在社会上真正形成普及，这不能不说是一大遗憾。
随着电脑技术的发展，人们想到了利用电脑技术来模拟传统的乐器。例如现在出现的音乐设备数字接口(MIDI)键盘，它通过MIDI接口和电脑连接，可以模拟真实的钢琴琴键。MIDI是一种电子乐器之间以及电子乐器和电脑之间的统一交流协议，它本身不包含任何可供回放的声音信息。电脑音乐是通过不同的合成方法合成的。例如，在计算机内将所有真实乐器所能发出的所有声音录制下来，存储为一个波表文件。在播放电脑音乐时，根据MIDI文件记录的乐曲信息向波表发出指令，从波表文件中逐一找出对应的声音信息，然后经过合成和加工后通过计算机声卡和音箱播放出来。
目前的MIDI键盘虽然可以利用电脑来实现音乐的播放，但是这种MIDI键盘由于其使用对象主要是音乐业内人士使用，其包含的功能非常繁多和复杂，与此相应，其价格也非常昂贵，难以普及到普通音乐爱好者。并且，这种MIDI键盘仅仅包括一个键盘，而且很少是传统钢琴那样具有88键，并且还不包括钢琴踏板等部件，因此它不能有效地模拟钢琴的演奏。另外，这种MIDI键盘需要通过有线方式和电脑主机连接，限制了MIDI键盘的移动。由此可见，MIDI键盘并不适合于钢琴的练习，特别是不适合于初学钢琴的人练习。
实用新型内容有鉴于此，本实用新型的主要目的是提供一种价格低廉并且更适合初学者进行钢琴学习的数码电脑钢琴。
本发明的数码电脑钢琴包括琴键键盘11和用于采集琴键状态信息的琴键键盘电路，以及一个控制板2，控制板2包括用于接收琴键状态信息的琴键接口电路22、用于对数码电脑钢琴的操作进行控制的琴键控制器21以及用于将琴键状态信息和控制信息发送给多媒体电脑的外部接口电路23，其中琴键键盘电路和琴键接口电路22相连接，琴键键盘接口电路22和外部接口电路23连接到琴键控制器21。
在上述数码电脑钢琴中，每一个琴键具有两个不相邻的触点，琴键键盘电路由8行22列共176个电路触点矩阵构成，琴键接口电路22是由构成琴键控制器21的CPU芯片的P1端口和一个与该CPU芯片相连接的I/O扩展芯片的PA、PB、PC端口组成的行列式扫描电路。
在上述数码电脑钢琴中，可以进一步包括脚踏板部分12，控制板2进一步包括连接到脚踏板部分12并采集脚踏板状态信息的脚踏板接口电路25。脚踏板部分12可以包括弱音脚踏板、持续脚踏板和延音脚踏板，脚踏板接口电路25由构成琴键控制器21的CPU芯片的P20、P21、P22端口连接一个上拉电阻并与脚踏板接口和地线之间构成的开关电路组成。
在上述数码电脑钢琴中，可以进一步包括一个用于辅助多媒体电脑操作的功能按键13，控制板2进一步包括连接到功能按键13并采集功能按键13状态信息的功能按键接口电路24。功能按键接口电路24由构成琴键控制器21的CPU芯片的P23端口连接一个上拉电阻并与功能按键开关和地线之间构成的开关电路组成。
在上述数码电脑钢琴中，控制板2的外部接口电路23可以包括一个通用串行总线(USB)接口和一个MIDI接口，或者外部接口电路23的接口是一个无线收发装置接口。
在上述数码电脑钢琴中，可以进一步包括脚踏板部分12，并进一步包括位于琴键键盘11上的盖板14、位于琴键键盘周围的琴外壳15、用于支撑琴键键盘的侧板16、17和背板18以及用于支撑脚踏板部分12的脚踏板固定件19。
或者，上述数码电脑钢琴可以进一步包括位于琴键键盘11上的盖板14、位于琴键键盘周围的琴外壳15和位于琴外壳背部的接口部分40，接口部分40进一步包括外部接口电路23的接口20和用于连接脚踏板部分12的脚踏板接口41。
从本发明的技术方案可以看出，通过设计琴键键盘电路和控制板，可以将用户弹奏的按键信息经过处理后发送到多媒体电脑，由多媒体电脑通过声卡合成并通过音箱播放出用户弹奏的乐曲，从而实现了通过电脑合成和再现钢琴弹奏信息。本实用新型仅仅需要在与传统钢琴类似的琴键键盘的基础上增加几个CPU芯片和几个连接电路，实现方式简单，成本低廉，因此和传统的机械钢琴以及昂贵的MIDI键盘相比，根据本实用新型的数码电脑钢琴更加容易普及和推广，能更容易满足普通音乐爱好者的需求，从而能为广大的音乐爱好者，特别是钢琴初学者开辟一种新的学习音乐和使用音乐的途径。
本实用新型在每一个琴键下面设置了两个电路触点，这样可以通过两个电路触点闭合的时间差确定琴键按下的力度，从而能更好地表现用户的弹奏情况，通过电脑播放的音乐也更逼真和更加具有表现力。
本实用新型的外部电路接口可以设置为MIDI接口或者USB接口，方便和多媒体电脑的连接，并且，外部电路接口还可以使用无线收发装置，这样数码电脑钢琴和多媒体电脑之间的位置关系可以更加灵活，从而方便了用户的空间布置。
另外，本实用新型可以结合多媒体电脑的钢琴学习软件，给钢琴初学者提供强大的钢琴学习、指导功能，通过将用户的弹奏信息形成乐谱与原谱进行对比，或者进行录音、回放等操作，可以提升用户学习的兴趣，并提高用户学习的效率。
图1A是本实用新型的一种具体实施例的正面立体结构示意图；图1B是本实用新型的一种具体实施例的背面立体结构示意图；图2A是本实用新型的另一种具体实施例的正面立体结构示意图；图2B是本实用新型的另一种具体实施例的背面立体结构示意图；图3是本实用新型的内部结构框图；图4是本实用新型的钢琴琴键部分的电路图；图5是本实用新型的控制部分及接口部分的电路图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型进行详细说明。
图1示出了本实用新型的一种具体实施例的立体结构。其中图1A示出了其正面结构，图1B示出了其背面结构。从图1可以看出，这是一个标准配置的数码电脑钢琴，并且和传统的机械钢琴的外形非常相似。所不同的是，除了在传统钢琴上可以见到的琴键键盘11、盖板14、琴外壳15、左侧板16、右侧板17、背板18、脚踏板固定件19、脚踏板12(包括弱音脚踏板、持续脚踏板和延音脚踏板)之外，本实用新型的琴键键盘11下面进一步具有将在后面详细说明的琴键键盘电路，并且进一步安装了一个控制板2，控制板2主要用于对数码电脑钢琴的操作进行控制，它通过后面将要详细介绍的电路连接数码电脑钢琴的各个功能性部件，例如琴键键盘11、脚踏板12等。另外在琴键键盘11的左边安装了一个功能按键13，功能按键13将在后面进行详细说明。在钢琴的背面有一个控制板2的用于连接到多媒体电脑的接口20，可以通过一端连接到接口20、另一端连接到多媒体电脑相应接口的连接线51将数码电脑钢琴和多媒体电脑连接起来。
图2出了本实用新型另一种具体实施例的立体结构。其中图2示出了其正面视图，图2示出了其背面视图。相比图1的实施例，这一实施例展示了一种小型数码电脑钢琴，这主要是因为图1的标准数码电脑钢琴需要占据较大的空间，而有些用户可能希望数码电脑钢琴在尺寸上更小而功能并不减弱，因此本实用新型的这一实施例中提出了这种小型数码电脑钢琴。和图1相比，这种小型数码电脑钢琴没有侧板、背板和脚踏板固定件等部分，而只是包括一个琴键键盘11、一个控制板2、一个琴外壳15、一个盖板14和一个功能按键13。由于不能在数码电脑钢琴的背板设置连接线，因此在这一实施例中直接在琴外壳15的背面设置了一个接口部分40，它包括两个接口，一个接口20用于插入连接到多媒体电脑的连接线51，另一个接口41则用于连接一个脚踏板12。这里只连接一个脚踏板的原因在于在实际使用时，大多数用户只用到三个脚踏板中的一个脚踏板，即延音脚踏板，就可以大体达到用户弹奏所需要表达的效果，并且这样可以更节省空间和更适合初学者学习。当然可以理解，这里也可以在接口部分40中进一步包括用于连接其它脚踏板的接口。
上面通过图1和图2介绍了本实用新型的基本结构，下面则结合图3至图6说明本实用新型的工作原理。
图3示出了本实用新型的内部结构框图，从图3可以清楚地看到，本发明的数码电脑钢琴的功能性部件主要包括琴键键盘11、脚踏板12、功能按键13和控制板2，其中控制板2进一步包括一个琴键控制器21、一个用于连接琴键键盘11和琴键控制器21的琴键接口电路22、一个用于连接脚踏板12和琴键控制器21的踏板接口电路25、一个用于连接功能按键13和琴键控制器21的功能按键接口电路24、以及一个用于将琴键控制器21连接到多媒体电脑相应接口的外部接口电路23。
控制板2是本实用新型的核心，而其中的关键部分则是琴键控制器21。琴键控制器21可以是一个中央处理器(CPU)，在其上的只读存储器(ROM)区域存储有用于控制整个数码电脑钢琴的操作的控制软件。在控制软件的配合下，琴键控制器21通过相应的接口电路接收来自琴键键盘11、脚踏板12和功能按键13的电子信号，并完成系统初始化、键盘扫描、按键力度识别、脚踏板以及功能键的识别，以及与多媒体电脑的通信传输等操作。
在本实用新型中，琴键键盘11用于弹奏乐曲，其琴键大小、数量和力度大小都和传统机械钢琴的琴键极其相似。在本实施例中，琴键键盘11的琴键数量为标准的88键。为了将琴键被按下的信息通知多媒体电脑，在琴键键盘11下面设置了一个琴键键盘电路。同时，为了对弹奏乐曲时按下按键的力度有更精确的分析和模拟，本实施例中每一个琴键设置了两个电路触点，这样琴键键盘电路就由8行22列共176个电路矩阵触点构成，其电路如图4所示。当某一个琴键被按下时，第一个触点先闭合，如果继续按下琴键，则第二个触点闭合。两个触点闭合时间之间的差值，则可以反映用户弹奏乐曲时按下按键的力度，通过该按键力度大小的记录，就可以更真实和准确地表现用户弹奏的思想和技法。
图5示出了控制部分和接口部分的电路图。如图5所示，由琴键控制器CPU芯片(在图中标号为U1)的P1口和型号为8155的I/O扩展芯片(在图中标号为U2)的PA、PB、PC组成琴键键盘行列式的扫描电路，也就是琴键接口电路22，其中琴键控制器CPU芯片的P10至P17组成8条行扫描线部分，而I/O扩展芯片的PA0至PA7、PB0至PB7和PC0至PC5组成22条列扫描线部分。在琴键控制器2扫描琴键键盘11时，先置22条列扫描线的逻辑状态为1，再顺序向8条行扫描线中的一条输出逻辑0，向其他条行扫描线输出逻辑1，然后读取22条列扫描线的状态，如果在某一条行扫描线(例如第I条)的逻辑状态为0时某一条列扫描线(例如第J条)的逻辑状态也为0，则确定矩阵触点(I，J)被按下。如果该触点是琴键下的第一个触点，琴键控制器21开始计时，如果该触点是第二个触点，琴键控制器21则计算该触点闭合与第一个触点闭合的时间差，并根据时间差查力度转换表转换为力度值。这里的力度转换表其实就是一个时间差和力度值之间的对应关系表，例如时间差为0.5秒表示力度值为60，时间差为0.8秒表示力度值为40等等。对于力度值不同的情况多媒体电脑将发出不同的音量，从而更准确地再现用户弹奏时的状况，更好地表现用户的思想和弹奏技法。琴键控制器21将表示琴键触点闭合的闭合码、该琴键的键值和通过转换得到的力度值传送到多媒体电脑。如果扫描到该琴键被松开后，琴键控制器21则向多媒体电脑发送表示琴键触点松开的松开码和该键的键值。
同样如图5所示，在脚踏板有三个的情况下，由琴键控制器21的P20、P21和P22口分别连接一个上拉电阻，并分别与三个脚踏板接口和地线之间构成开关电路，从而形成了脚踏板接口电路25。这样，通过检测P20、P21和P22口的电位即可判断出哪个脚踏板被踩下。具体地说，在三个脚踏板均未被踩下时，由于P20、P21和P22口通过上拉电阻和电源相连，因此这三个端口均为高电平。当其中任何一个脚踏板被踩下后，与其相连接的P2口就通过脚踏板开关与地线相连通，从而使该端口为低电平。因此，通过检测这三个端口的电平值，就可判断出与它们相连的脚踏板是否被踩下。
在图5中还可以看到，琴键控制器21的P23口连接一个上拉电阻，并与连接到功能按键的功能按键开关和地线之间构成一个开关电路，从而形成了功能按键接口电路。这样，通过检测P23口的电位即可判断出功能按键是否被按下。具体地说，在功能按键未被按下时，由于P23口通过上拉电阻与电源相连，因此P23口为高电平。当功能按键被按下时，功能按键开关闭合，与其相连的P23口就通过该按键开关与地线相连通，则该端口就被拉为低电平。因此，通过P23口的电平就可以判断出功能按键开关是否闭合，也就是用户是否按下了功能按键。
在本实施例中提供了两种可能的外部接口，一种是专用于音乐外设的MIDI接口，另一种是目前电脑外设普遍使用的通用串行总线(USB)接口。在实际使用数码电脑钢琴时，选择其中的一个接口就可以了。如图5所示，琴键控制器21的P33(TXD)端口与传输电阻R10构成了一个MIDI标准的接口电路，并且与USB接口芯片共同构成了USB标准的接口电路。通过USB接口发送的信号在多媒体电脑内通过一个信号转换软件的转换，即可转换为MIDI标准的信号。并且，本实用新型除了使用上述两种有线连接方式连接到多媒体电脑之外，还可以使用目前已经得到大量应用的无线接口形式，例如在数码电脑钢琴和多媒体电脑之间分别安装一个配套的无线收发装置，这样它们之间的信号传送即可通过无线信号的形式来进行，从而使数码电脑钢琴和多媒体电脑之间的位置关系可以更加灵活，进一步方便了用户的使用。在通过有线方式连接的情况下，数码电脑钢琴不需要单独连接电源，只需要从多媒体电脑获取电源即可。而在通过无线方式连接的情况下，数据电脑钢琴则需要单独配备电源，这里的电源可以是直流电源，也可以是普通的220V交流电源，在交流电源的情况下进一步包含一个交流/直流转换设备。
和本实用新型的数码电脑钢琴配套使用的多媒体电脑上安装有用于处理声音信号的声卡和用于播放声音的音箱。在多媒体电脑里还安装了对传统的机械钢琴的发音进行高频采样所形成的钢琴音色库，多媒体电脑根据从数码电脑钢琴外部接口电路传送过来的弹奏信息，在音色库中调出相应音色，利用声卡的音频处理芯片进行合成，然后通过音箱播放出合成后的声音，即可发出同传统机械钢琴一样的声音了。至于声卡处理声音信号和音箱播放声音的进一步细节对于本领域技术人员来说是熟知的技术，这里不再赘述。
需要说明的是，在多媒体电脑上可以安装有用于学习钢琴弹奏的钢琴学习软件，学习软件可以实时记录所有的弹奏信息，并且以乐谱的形式反映出来，并以此为依据，对用户的钢琴弹奏进行评价和辅导练习，并且可以进行录音、回放、音色选择等操作，从而极大地方便了钢琴初学者的钢琴学习。在前面提到的功能按键其实就是和学习软件配合使用的，功能按键其实相当于一个快捷辅助键。例如，在功能按键未被按下时，按下88个琴键表示弹奏相应的音符，而在功能按键被按下后，按下某一个琴键则不再表示弹奏相应的音符，而是对多媒体电脑的学习软件进行某种操作，例如按某一个琴键表示录音，按另一个琴键表示重复刚才的弹奏等等。设置功能按键的目的也就在于在数码电脑钢琴和多媒体电脑连接比较远的情况下，用户需要对学习软件进行操作时不需在两者之间来回运动，而只要在弹奏乐曲的间歇使用功能按键即可远程操作学习软件，从而给用户带来了更大的方便。
前面提到过，在琴键控制器21上安装有一个用于对数码电脑钢琴的整个操作进行控制的控制软件，该控制软件主要用于对系统进行初始化、扫描键盘、识别按键力度、识别脚踏板是否被踩下、识别功能按键是否被按下以及将采集到的信号发送到多媒体电脑钢琴，它包括初始化子程序、键盘扫描子程序、力度查表子程序和编码发送子程序等。
在控制软件的控制下，当数码电脑钢琴和多媒体电脑通过有线方式连接后，或者单独连接一个电源后，琴键控制器21对所有的电路进行初始化。然后首先通过功能按键接口电路24确定功能按键13是否被按下。如果功能按键13没有被按下，则表示现在是要弹奏乐曲，然后通过琴键接口电路22对琴键键盘进行扫描，在扫描到某一个琴键被按下后，进一步确定当前闭合的是该琴键下的第一个触点还是第二个触点，如果是第二个触点则根据和第一个触点闭合的时间差得到力度值。琴键控制器21进一步通过脚踏板接口电路25确定脚踏板12是否被踩下，并得到相应的脚踏板信号。然后琴键控制器将琴键的闭合码、琴键的键值和力度值以及脚踏板信号通过外部接口电路23发送给多媒体电脑。如果扫描到该键被松开时，则发送松开码和该琴键的键值。多媒体电脑接收到这些信号后，通过声卡对信号进行处理得到声音信号，然后通过音箱播放声音信号，用户即可听到和传统机械钢琴的声音几乎没有区别的钢琴演奏音符。
在首先确定功能按键13被按下的情况下，琴键控制器21通过琴键接口电路22扫描哪一个琴键被按下，然后将该信息通过外部接口电路23发送到多媒体电脑，多媒体电脑的学习软件接收到该信息后，执行预定的操作。
上述通过具体实施方式
对本实用新型进行了说明。本领域技术人员可以理解，上述只是对本实用新型精神的展示，而不用以限制本实用新型的保护范围。
权利要求1.一种数码电脑钢琴，包括琴键键盘(11)，其特征是，进一步包括用于采集琴键状态信息的琴键键盘电路，以及一个控制板(2)，所述控制板(2)包括用于接收所述琴键状态信息的琴键接口电路(22)、用于对数码电脑钢琴的操作进行控制的琴键控制器(21)以及用于将所述琴键状态信息和控制信息发送给多媒体电脑的外部接口电路(23)，所述琴键键盘电路和琴键接口电路(22)相连接，所述琴键键盘接口电路(22)和外部接口电路(23)连接到所述琴键控制器(21)。
2.根据权利要求1所述的数码电脑钢琴，其特征是，所述每一个琴键具有两个不相邻的触点。
3.根据权利要求2所述的数码电脑钢琴，其特征是，所述琴键键盘电路由8行22列共176个电路触点矩阵构成，所述琴键接口电路(22)是由构成琴键控制器(21)的CPU芯片的P1端口和一个与所述CPU芯片相连接的I/O扩展芯片的PA、PB、PC端口组成的行列式扫描电路。
4.根据权利要求1所述的数码电脑钢琴，其特征是，所述数码电脑钢琴进一步包括脚踏板部分(12)，所述控制板(2)进一步包括连接到脚踏板部分(12)并采集脚踏板状态信息的脚踏板接口电路(25)。
5.根据权利要求4所述的数码电脑钢琴，其特征是，所述脚踏板部分(12)包括弱音脚踏板、持续脚踏板和延音脚踏板，所述脚踏板接口电路(25)由构成琴键控制器(21)的CPU芯片的P20、P21、P22端口连接一个上拉电阻并与脚踏板接口和地线之间构成的开关电路组成。
6.根据权利要求1所述的数码电脑钢琴，其特征是，所述数码电脑钢琴进一步包括一个用于辅助多媒体电脑操作的功能按键(13)，所述控制板(2)进一步包括连接到所述功能按键(13)并采集功能按键(13)状态信息的功能按键接口电路(24)。
7.根据权利要求6所述的数码电脑钢琴，其特征是，所述功能按键接口电路(24)由构成琴键控制器(21)的CPU芯片的P23端口连接一个上拉电阻并与功能按键开关和地线之间构成的开关电路组成。
8.根据权利要求1所述的数码电脑钢琴，其特征是，所述控制板(2)的外部接口电路(23)包括一个通用串行总线(USB)接口和一个音乐设备数字接口(MIDI)，或者外部接口电路(23)的接口是一个无线收发装置接口。
9.根据权利要求1所述的数码电脑钢琴，其特征是，所述数码电脑钢琴进一步包括脚踏板部分(12)，并进一步包括位于琴键键盘(11)上的盖板(14)、位于琴键键盘周围的琴外壳(15)、用于支撑琴键键盘的侧板(16、17)和背板(18)以及用于支撑脚踏板部分(12)的脚踏板固定件(19)。
10.根据权利要求1所述的数码电脑钢琴，其特征是，所述数码电脑钢琴进一步包括位于琴键键盘(11)上的盖板(14)、位于琴键键盘周围的琴外壳(15)和位于琴外壳背部的接口部分(40)，所述接口部分(40)进一步包括外部接口电路(23)的接口(20)和用于连接脚踏板部分(12)的脚踏板接口(41)。
专利摘要本实用新型公开了一种数码电脑钢琴，包括琴键键盘，并进一步包括用于采集琴键状态信息的琴键键盘电路，以及一个控制板，该控制板包括用于接收琴键状态信息的琴键键盘接口电路、用于对数码电脑钢琴的操作进行控制的琴键控制器以及用于将琴键状态信息和控制信息发送给多媒体电脑的外部接口电路，其中琴键键盘电路和琴键键盘接口电路相连接，琴键键盘接口电路和外部接口电路连接到琴键控制器。本实用新型还可以进一步包括脚踏板部分和功能按键，以及与它们对应的接口电路。本实用新型成本低廉、使用简便，便于普及和推广。
文档编号G10F1/00GK2646826SQ0327560
公开日2004年10月6日 申请日期2003年7月11日 优先权日2003年7月11日
发明者曹晓忠 申请人:曹晓忠