智能电子乐器的制作方法
专利名称：智能电子乐器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种智能电子乐器，属于电子乐器领域，特别适用于不熟悉音乐的人演奏乐曲，可制作成各种室内、室外、大型和小型儿童音乐玩具，也可用于专业演员练习、演奏各种复杂乐曲，辅助作曲家谱曲。
背景技术：
音乐是人类文明的象征，对陶冶性情、丰富人们生活有非常大的帮助。但是音乐也是一门复杂艺术，除了乐理学习，要熟练掌握各种乐器演奏技巧也需要长时间的练习，这是一个非常艰苦、枯燥的过程，这使得许多人对乐器学习望而生畏。对于不识谱的人要摆弄好一种乐器，更是难上加难。另外钢琴等乐器还相当昂贵，这些因数在很大程度上限制了音乐的广泛普及。
随着集成电路和计算机技术的发展，电子学在音乐领域的应用越来越广。电子吉他、电子琴等安装有电子装置的乐器已非常普遍，特别是80年代建立的MIDI(Musical Instrument Digital Interface)标准，更是给音乐的创作、记录、演奏带来了很大变化，现在电子音乐已经发展到较高的水平。MIDI是音乐信号在电子乐器之间传输的标准，包括硬件接口标准以及电子音乐信号在不同硬件之间的异步串行传输协议。MIDI格式的音乐文件与其他格式的声音文件不同，它记录的不是音频信号，而是音乐的全部乐谱和演奏的全过程。利用计算机技术，通过软音源和时序发生器，MIDI格式的音乐文件可以用软件合成模拟的方式在计算机上重新播放出来。现在用计算机来产生音乐已经是一件很普通的事，特别是随着采用物理建模技术、波表合成技术、FM调频技术等的实时软音源的出现，用计算机产生的音乐的质量已非常高。用计算机软件合成音乐的优点是可以极大地降低乐器成本，因为用计算机进行演奏，只需要添加一套简单的触发装置，该装置在演奏人员的操纵下连续发出电信号，告诉计算机在什么时候演奏什么音符，计算机随之用软件合成出来。由于触发装置不直接发音，传统乐器制作中许多复杂技术、工艺都可省去，也不必采用一些特殊的材质来增强音色。
但同时也应该看到，尽管目前已有很多电子乐器，但这些乐器，其演奏方式与传统乐器没有实质性差异，只是添加了一些辅助功能，如自动伴奏，自动产生和声等。对演奏者而言，他仍然需要熟记乐谱，并用大脑根据每个音符控制手指熟练地操纵乐器。如果不熟悉乐谱就无法进行演奏。同时事先没有进行长期训练，对乐器不熟悉，手指就不灵活，不知道该按哪个键，按多长时间，演奏起来也就不成调。中国专利申请号为200410012708.5的发明专利中提出了一种乐器演奏提示器，它由光点移动器和电子控制器组成。电子控制器控制光点移动器根据所需演奏音符在乐器上相应的地方产生提示光点，该提示光点的持续时间与音符时值一致，其亮度或形状大小或颜色与音符强弱相一致，提示演奏者在提示光点所指示的地方以一定的力度对乐器进行操作。乐曲的音符、音符时值和音符强弱等数据，从MIDI格式文件中提取或从输入键盘输入。电子控制器根据乐谱数据使光点移动器产生的提示光点顺序连续移动，这样使得没有经过任何乐器演奏训练的人和不熟悉乐谱的人也能正确地演奏完整的复杂曲目。该发明所提出的乐器演奏提示器可简单地放置在现有乐器上，也可与现有乐器集成为一体，但从使用方便性出发，最好把乐器演奏提示器与现有乐器集成为一个整体。这种结合不是简单地机械拼凑，而应该是有机地融合。但具体的融合方式在上述发明中没有完整地给出，而且在设计一种新的具有提示功能的乐器时，如何充分吸收电子、计算机软、硬件技术的最新发展，使得新的乐器智能性更强，功能更齐全，使用更方便，而成本更低廉，这也是上述现有技术没有全面、详细给出的。
发明内容
本发明的目的在于提出一种智能电子乐器，它充分利用了现代计算机软、硬件技术资源，音质优美，结构简单，使用方便，成本低廉，功能齐全，演奏效果好，特别是具有提示功能，即能够帮助没有经过任何乐器演奏训练的人和不熟悉乐谱的人正确地演奏完整乐曲。
为达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种智能电子乐器，它由灯泡或激光二极管或发光二级管4、触发装 2、电子声音合成装置15和中央控制器6组成；灯泡或激光二极管或发光二级管4集成在触发装置2上，触发装置2通过导线与中央控制器6相连。
所述的智能电子乐器，触发装置2由一组琴键3组成，每个琴键3由机械开光或光电开关和灯泡或激光二极管或发光二级管4组成；每个机械开光或光电开关的其中一端直接或通过具有缓冲、锁存功能的电子芯片或电阻连接到微处理器的I/O管脚，另外一端直接或通过电阻接地或电源。
所述的智能电子乐器，触发装置由一组琴键3组成，每个琴键3由模拟光学开光和灯泡或激光二极管或发光二级管4组成；模拟光学开光由光源21、光探测器22、挡板23或反射面组成，光源21和光探测器22固定在触发装置的底座17上，光探测器22直接或通过多路转换开关连接到D/A转换器，挡板23或反射面安装在琴键的活动键体内，且它们的位置使得它们能够对光源21投射到光探测器22上的光强度进行调制。
所述的智能电子乐器，触发装置2采用模块化积木结构，每个模块包含一个或不少于两个个琴键3，模块之间在空间位置上互相独立或通过锁紧、定位装置连成一个整体，并通过插头14和插座13或导线实现电连接。
所述的智能电子乐器，中央控制器6由计算机1和微处理器7组成，微处理器7通过串行或并行方式连接到计算机1。
所述的智能电子乐器，中央控制器6由微处理器7、内部和/或外部存储器9组成，内部和/或外部存储器9通过导线连接到微处理器7。
所述的智能电子乐器，触发装置2通过光纤或无线通信接收、发送装置或微波通信接收、发送装置或红外通信接收、发送装置与中央控制器6进行联系。
所述的智能电子乐器，不少于两台的智能电子乐器连接到同一计算机1，或通过电缆或光纤或无线通接收、发送装置或微波通信接收、发送装置或红外通信接收、发送装置彼此进行联系，实现同步协调演奏或独立演奏。
本发明的基本原理是通过触发装置产生触发信号，由中央控制器根据该信号控制电子声音合成装置发出声音，这样构成一个低成本的电子乐器；同时在触发装置中的每个琴键上集成一个或多个灯泡或激光二极管或发光二级管，由中央控制器控制这些灯泡或激光二极管或发光二级管在适当的时候点亮产生提示光点，提示演奏者按下该琴键，而点亮的时刻、停留时间、亮度或形状大小或颜色变化完全依据乐谱数据，并充分地反映出乐曲演奏信息。这样演奏者可以不必背诵或知晓乐谱，只要用眼睛根据光点的变化及时按下触发装置上的琴键即可正确地演奏出复杂的完整曲目。
根据以上原理，智能电子乐器是乐器演奏提示器与现有电子乐器相结合的产物。为了使两者有机地融合、集成为一体，基本原则是把乐器演奏提示器中的光点移动器和电子控制器分别组合到电子乐器的触发装置和电子控制器中，即把乐器演奏提示器中的光点移动器与电子乐器的触发装置集成为一体，把乐器演奏提示器中的电子控制器和电子乐器的电子控制器组合为一个新的中央控制器。下面对智能电子乐器的完整结构从触发装置和中央控制器两个方面进行详细讨论。
首先在上述智能电子乐器中，采用小灯泡或发光二极管或激光二极管来产生提示光点，由于这些发光器一般体积很小，可方便地集成制作到触发装置上的每个琴键中，因此对触发装置的设计不会提出额外苛刻要求。这样触发装置的外观和内部结构可以根据实际使用需要，如形状、大小和性能要求和制作成本进行设计。以外观设计为例，如果需要小巧，便于携带，可选择模块化积木式结构，16或24或32等数目的琴键组成一个模块，两个或更多个模块可拼接为一个整体，例如三个24键的模块可以拼接成一个72键的电子乐器。为了实现模块化结构，方便拼接，触发装置的机械结构和电学结构需要做专门设计。另外，一个模块也可以只包含一个键，并经微型化设计后戴在手指上，演奏时用手指按压、敲击桌面或其他任何有一定硬度的表面，戴在手指上的触发装置就会产生触发信号，这样演奏者可随时、随地演奏音乐。为了方便，也可直接在计算机键盘的每个按键上集成小灯泡或激光二极管或发光二级管来产生提升光点，并建立一个按键与音符的对应关系表格，从而把计算机键盘改造成触发装置。如果是制作室外大型音乐娱乐装置，触发装置可做得较大，可制作成脚踏式，或内嵌在其他活动造型内部等，并针对露天环境，做好潮湿、水雾、阳光等方面的保护设计。进一步触发装置可以通过光纤或装上收、发装置，通过无线通信或微波通信或红外通信等方式与中央控制器7进行通信联系，这样省掉它们之间的连接导线，便于移动。
在触发装置的内部结构设计上，可以根据是否需要力反馈等因素确定结构方案。如果不需要力反馈，可以选择简单的机械开关或光电开关，每个开关的其中一端直接或通过具有缓冲、锁存功能的芯片或电阻接微处理器的I/O管脚，另外一端直接或通过电阻接地或电源，当然对光电开关还需给发光管供电。当开关导通时，与之相连的I/O管脚电平变低或增高。微处理器对每个I/O管脚进行周期性轮询，检查I/O管脚电平的高低，例如每一毫秒轮询一次，这样，微处理器就知道在每一时刻某个开光导通或断开状态，并告诉中央控制器，中央控制器据此就可发出与MIDI标准对应的Note On和Note Off信号以及其他控制命令。如果需要力反馈，可以选择模拟光学开光，其中每个模拟光学开光可以由光源、光探测器、挡板或反射面和D/A转换器组成。其中挡板或反射面随琴键一起运动，对光源投射到光探测器上的光强度进行调制，使得光探测器产生的光电信号发生变化，通过8位D/A转换成数字信号后，该信号通过并行线或串行线连接到微处理器的I/O端口。通过一个多路转换开关，如常见的16路多路转换开关，16个模拟光学开光可以共用一个A/D转换器，以降低制作成本。微处理器周期性地读取I/O端口数据，并把数据的大小变化及时告诉中央控制器，中央控制器据此就可发出与MIDI标准对应的Note On、NoteOff和After Touch信号。例如信号在某一时刻超过某一阈值，则表示开关按下，这时中央控制器产生一个Note On信号；随后随着演奏者按键力度的变化，开关上下起伏，这时信号大小可用After Touch信号表示；如果信号在某一时刻降低到低于某一阈值，则表示琴键释放，这时中央控制器产生一个Note Off信号。由于开关内设有弹簧，琴键按下的幅度越大，需要的力也越大，因此用模拟光学开光可以很好地模拟再现钢琴琴键的力度手感。
在上述智能电子乐器中，中央控制器可由计算机和微处理器共同组成，微处理器通过串行或并行方式，如通过USB、RS-232、IEEE-488、IEEE-1394、PS-485等接口与计算机相连。演奏时，计算机从MIDI格式文件中提取数据，传给微处理器，微处理器控制灯泡或激光二极管或发光二级管4点亮产生提示光点，微处理器同时负责对其I/O端口进行周期性轮询，收集和缓存触发装置产生的触发数字信号，然后送给计算机；计算机根据收到的触发数字信号产生MIDI命令，控制电子声音合成器发出声音，同时把这些命令记录存储下来，用于回放和对演奏者演奏的正确性进行评估。当然中央控制器也可仅由微处理器组成，此时所有功能全部由微处理器承当，因此这时还应增加内部或外部存储器、显示屏和按键等必要的辅助部件。仅采用微处理器的好处是可以不依赖于计算机而工作，结构独立，便于携带。
下面以一个具体例子来进一步说明智能电子乐器的运行过程。MIDI标准规定了16个通道，在一定时刻一个通道对应一种乐器或音色，每个通道具体对应的乐器和音色可以随时用Program Change命令设置、改变。MIDI标准的详细内容可参看有关文件。在演奏一首合奏曲时，演奏者首先通过计算机上的控制软件，选择在合奏乐曲中担当哪种乐器的演奏。假设MIDI格式乐谱数据文件中有62 93 4C 46这样一组十六进制数据需要演奏，这组数据表示在与上一MIDI事件相隔62(十六进制)个MIDI时钟的时刻，第3通道的4C键以46(十六进制)的相对速度按下，9即表示Note On。如果演奏者正好选择演奏与第3通道对应的乐器，则计算机把数据4C 46发送给微处理器，微处理器控制与4C键相对应的灯泡或激光二极管或发光二级管点亮，灯泡或激光二极管或发光二级管点亮的亮度或个数一方面可以根据相对速度46来确定，因为一般速度越快，按键力度往往也越大；另一方面也可以根据After Touch命令中的参数来确定，因为After Touch中的参数反映了琴键按下后，后续施加的力度的大小。演奏者根据提示光点的提示，以一定速度或力度按下提示光点所对应的琴键，这时琴键内的开关接通，使微处理器的相应I/O管脚的电平发生改变，由于微处理器不停地周期性地查询其I/O管脚的电平大小，因此在很短的时间内就可知道这种改变，并马上报告计算机，计算机由此知道了演奏者实际演奏的音符，并把它转换成与MIDI标准相对应的Note On、NoteOff和After Touch等命令，控制电子声音合成装置发出声音。与此同时，计算机把其他通道的与其他乐器相对应的MIDI演奏指令直接送电子声音合成装置，这样演奏者的实际演奏与MIDI格式文件中其他乐器的演奏自然地合成为一个整体。当然演奏者也可关闭其他乐器的演奏，只听自己的独奏。如果几个人共同演奏一首乐曲，每个演奏者应该拥有一个触发装置，即键盘，但所有键盘应该连接到同一计算机，以便协调演奏。如果没有计算机，可以通过电缆或光纤或无线通信或微波通信或红外通信技术彼此进行通信联系，实现同步协调演奏或独立演奏。
除了硬件，控制软件也是影响智能电子乐器的性能和使用方便性的一个关键。因为仅仅通过软件就可额外增加许多功能。例如，可以设置演奏速度，当演奏者首次演奏一首不熟悉的乐曲时，可以设置以较慢速度练习；再如可以把一首乐曲中所有MIDI事件在显示屏上列出来供演奏者参考、修改，同时可把记录保存的与演奏者实际演奏对应的MIDI事件也在显示屏上列出来，这将对作曲家非常有用，因为作曲家实际演奏过程就是一个乐谱输入过程，如果他对某些部分不满意，可以马上在屏幕上修改，再让计算机自动演奏修改后的乐曲，试听效果，如果还不满意，继续修改，直到满意为止。对多个乐器的合奏曲，可以设置选项卡，让演奏者选择想要演奏的乐器。当然还应该提供播放启动、暂停、快进、快退、循环播放起止位置定义、播放速度控制、录音、回放等一些快捷键。如果没有计算机，由于普通微处理器的人机交换界面功能有限，应该在中央控制器的机箱上或触发装置的面板上通过硬件提供上述控制键和选择键。
本发明与现有技术相比具有以下优点和效果本发明所涉及的智能电子乐器，与现有电子乐器相比，最大的特点是增加了提示功能，使得没有经过任何乐器演奏训练的人和不熟悉乐谱的人也能正确演奏完整的复杂曲目。同时它结构简单，功能完备，充分利用了现代计算机的丰富的软件和硬件资源，以成本低实现了高品质乐器。
图1为一种智能电子乐器的结构组成示意图。
图2为中央控制器采用计算机和微处理器时，智能电子乐器的电路结构示意图。
图3为中央控制器采用微处理器，且触发装置由两个模块组成时，智能电子乐器的电路结构示意图。
图4为中央控制器的演奏控制软件流程示意图。
图5为采用机械开关时，智能电子乐器的琴键结构示意图。
图6为采用遮挡调制式模拟光学开关时，智能电子乐器的琴键结构示意图。
图7为采用反射调制式模拟光学开关时，智能电子乐器的琴键结构示意图。
图8为采用微型按压式光电开关时，智能电子乐器的琴键结构示意图。
图9为采用两个触发装置时，智能电子乐器的结构组成示意图。
图10为采用计算机键盘作为触发装置时，智能电子乐器的结构组成示意图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步描述根据图1，智能电子乐器由发光二极管4、触发装置2、电子声音合成装置和中央控制器组成，这里电子声音合成装置采用计算机1内部的声音合成器，未画出。中央控制器由计算机1和微处理器组成，而微处理器位于触发装置2内部，也未画出。触发装置2由12个琴键3组成，每个琴键3内集成有一个光电开关(未画出)，每个琴键3上集成有3个发光二极管4，触发装置2通过电缆5连接到计算机1的USB口。演奏时，首先计算机1从MIDI格式文件中读取数据，根据演奏者预先选择的演奏乐器设置，把其中需要演奏的数据发送给微处理器，微处理器控制与需要演奏的音符对应的发光二极管4点亮，产生提示光点，提示演奏者以一定力度按下该键，如果琴键3上的3个发光二极管4全亮，则表示需以较大力按下该键，如果只有一个发光二极管4点亮，则表示以较小力按下该键。琴键3被按下后，其内部的开关接通，使微处理器的相应的I/O管脚的电平发生改变，微处理器不断轮询其各个I/O管脚的电平状态，一旦某个I/O管脚的电平发生改变，马上经USB接口报告给计算机1，计算机1由此知道是哪个琴键在什么时候被按下，立即产生与MIDI标准对应的Note On命令，控制电子声音合成装置发出相应的音符。当该键被释放时，则产生Note Off命令，控制电子声音合成装置结束相应音符的发音。计算机1根据乐谱数据不停地点亮各个琴键3上的发光二极管4，指示演奏者进行操纵，这样就能演奏出完整的乐曲。同时计算机1还能把所有根据演奏者操作动所产生的Note On、Note Off等命令全部以MIDI文件格式存储下来，用于回放、编辑和与乐谱中正确数据相比较，评估演奏演奏的正确性。在一首合奏曲中，演奏者通过计算机1上的操作软件选择演奏哪种乐器，同时选择在他自己演奏时，其他乐器的演奏是关闭，还是由计算机1把MIDI格式文件中对应其他乐器的Note On、Note Off等命令直接发出，控制电子声音合成器发声，从而与演奏者的实际演奏融合为一体。
根据图2可知，中央控制器6由PC计算机1和80C51微处理器7组成，微处理器7通过电缆连接到PC计算机1。在空间位置上微处理器7位于触发装置2内，这里画出的电路方框示意图。触发装置2由琴键3组成，每个琴键3内包含一个发光二极管4和一个开关8，图中只画出了4个琴键，它们接在80C51微处理器7的四个I/O端口中的第一个端口上，即管脚编号为PAD0至PAD7的8个管脚上。更多的琴键在图中以省略号表示。演奏中，当需要按下某个琴键以演奏某个音符时，例如需按下图中最上的琴键3时，计算机1首先通知微处理器7，使其PAD0管脚电平变为高电平，这样发光二极管4点亮，演奏者在该提示光点的提示下，按下琴键，接通开关8，使微处理器7的PAD1管脚上的电平变为低电平。由于微处理器7在不断周期性地，例如每隔1毫秒一次，轮询其I/O管脚的状态，这样当开关8被演奏者按下后，最多1毫秒以内，微处理器7通过PAD1管脚上的电平变化马上就能知道，然后立即通知PC计算机1，说明是在什么时候、哪个琴键被按下，PC计算机1接到该触发数据信号后，马上产生Note On命令，控制计算机1内部的电子声音合成装置发出相应的音符。从演奏者按下琴键到电子声音合成器发出声音，这中间的时间间隔一般不超过2毫秒，这样演奏者基本感觉不到时间延迟。
在图3中，与图2不同的是，中央控制器6由微处理器7、存储器9组成，存储器9和电子声音合成装置15分别通过导线连接到微处理器7。触发装置2由模块10和模块11两个模块组成，这两个模块各包含4个琴键3，每个琴键内有一个发光二极管4和一个开关8，二极管4和开关8通过具有缓冲、锁存功能的芯片PCF8574连接到微处理器7，在连接时采用了I2C(Inter-Integrated Circuit)技术。I2C是IC芯片之间沟通连接的一种总线架构。在具有I2C总线功能的芯片中，由于其地址已内建在芯片中，因此只需要SDA和SCL两条导线。在图3中，芯片PCF8574到微处理器7的连接使用了4根导线，除了SDA和SCL，还有电源VDD和地Vss两根导线。VDD、Vss、SDA和SCL首先连接到模块10中的芯片PCF8574，再进一步通过模块10上的插头14和模块11上的插座13连接到模块11中的芯片PCF8574。这样当两个模块拼接起来时，它们不仅在机械上连成一个整体，同时在电学上也连成一个整体。MIDI格式音乐文件直接或经处理、压缩后，存储在存储器9中，演奏时，微处理器7从存储器9取出数据，控制琴键3中的发光二极管4点亮，提示演奏者按下相应的琴键，当琴键被按下后，开关8把芯片PCF8574相应管脚的电平拉低，由于微处理器7通过SDA和SCL不断周期性地轮询两个模块中的PCF8574芯片相应管脚的电平，这样微处理器7很快知道哪个按键在什么时候被按下，然后马上产生Note On命令，控制电子声音合成器15发出相应音符。同样微处理器7还能把所有根据演奏者操作动所产生的Note On、NoteOff等命令全部存储到存储器9中，用于回放和与乐谱中正确数据相比较，评估演奏演奏的正确性。
在图4中，中央控制器的演奏控制软件流程分为a-k等11个步骤，下面一一进行说明。第a步，准备包括对系统进行初始化设置，例如把读取存储器的文件指针设为文件开始处、确定文件中所包含的MIDI事件总数等；第b步，读取演奏参数设置读取演奏者设定的演奏参数，例如演奏速度，在一首合奏曲中演奏者准备演奏哪种乐器，其他乐器的演奏是否关闭，是否记录演奏过程等；第c步，读取下一MIDI事件从目前文件指针位置读取一个MIDI事件的数据；第d步，判断第c步读取的MIDI事件是否为需要演奏者演奏的音符，如果是，则进入第e步，如果不是，则进入第h步(如果设置其他乐器的演奏同步播放)，不管是进入第e步还是进入第h步，执行完后马上进入第f步；第e步，点亮发光二极管在目前MIDI事件规定的时刻点亮相应琴键中的发光二极管，提示演奏者按下该琴键；第f步，轮询I/O端口不断轮询读取I/O端口的状态，然后进入第g步；第g步，有琴键按下根据第f步读取的I/O端口的状态判断是否有哪个按键的状态发生改变，如被按下，或按键上的压力有改变，或已按下的按键被释放等，如果是，则进入第h步和/或第i步，在执行完第h步和/或第i步后，马上进入第j步；第h步，控制电子声音合成装置发声根据第d步和第g步的指令，控制电子声音合成器发声，如启动或停止某一音符的发音，或改变正在发音的音符的强弱等；如果演奏者在设置演奏参数时选择记录功能，则在第h步后马上进入第i步；第i步保存MIDI事件数据记录保存第d步中直接来自MIDI文件的和第g中由演奏者按键触发的MIDI事件数据；第j步，已处理所有MIDI事件根据第a步中的初始化信息，判断文件中的所有MIDI事件是否已读取、执行完毕，如果不是，则把读取存储器的文件指针指向下一MIDI事件，并回到第c步，如果是，则进入第k步；第k步演奏结束。以上是在演奏一首乐曲时，中央控制软件的主要流程，其他流程如MIDI事件的显示、编辑等，这里没有包括。
在图5中，琴键3由发光二极管4和由导电弹片16、导线18、铜片20构成的机械开关组成，导线18连接在导电弹片16上，导电弹片16安装固定在琴键活动键体19内，铜片20安装在触发装置的底座17上。当琴键3处于释放自由状态时，导电弹片16与铜片20不接触。当琴键3被按下时，导电弹片16接触铜片20，导线18也随之与铜片20接通，如果导线18接微处理器的某一I/O管脚，铜片20接地，则该I/O管脚的电平被拉低，微处理器通过轮询知道琴键3已被按下。
在图6中，琴键3由发光二极管4和由激光二极管21、挡板23、硅光电池22构成的光学模拟开关组成，激光二极管21和硅光电池22安装固定在触发装置的底座17上，挡板23安装固定在琴键活动键体19内。当琴键3处于释放自由状态时，激光二极管21发出的光可以直接到达硅光电池22，硅光电池22产生一个较大光伏电压。当琴键3被按下时，带动挡板23向下运动，逐步切断由激光二极管21发出的射向硅光电池22的光，硅光电池22产生的光伏电压逐步减小。因此硅光电池产生的光伏电压的大小就反应了演奏者施加在琴键3上的力的大小，因为琴键3下还有一个弹簧(未画出)，该弹簧被压缩的程度越大，所需要的压力也越大。硅光电池22产生的光伏电压送给A/D转换器转换成数字信号，然后送到微处理器的I/O端口，微处理器不断轮询其I/O端口，从而知道什么时候，作用在什么键上的压力为多少。如果压力增加到超过零或某一阈值，则中央控制器产生一个Note On命令，如果压力降低到零或某一阈值以下，则产生一个Note Off命令，如果琴键已被按下，Note On命令也已经发出，但施加在琴键3上的压力仍在不断变化，例如演奏者以此来表达某种感情，则产生After Touch命令，控制电子声音合成器发出的声音强度也相应改变。因此通过采用光学模拟开关，琴键3具有力反馈特性，可以更细腻地表达演奏者的感情，也更接近钢琴演奏效果。由于在MIDI中压力分为128个等级，因此采用8位A/D转换器已经可以获得足够精度。一般硅光电池22产生的光伏电压与施加在琴键3上的压力不会严格成线性关系，但这可以由中央控制器通过软件进行补偿、修正。
在图7中，琴键3由发光二极管4和由激光二极管21、光电二极管24构成的反射调制式光电开光组成，激光二极管21和光电二极管24安装固定在触发装置的底座上。激光二极管21发出的光通过琴键活动键体19的下表面的反射到达光电二极管24。当琴键3被按下时，反射到光电二极管24的光发生变化，它产生的光电流也随之变化。因此从光电二极管24产生的光电流的变化同样可以知道琴键3被按下的状态。
在图8中，琴键3由发光二极管4和由红外发光二极管26、光电二极管24、挡片23、弹簧28、外套27、内套29、电缆30和25构成的模拟光学开光组成，外套27可以相对于内套29滑动，挡片23固定在外套27上，红外发光二极管26和光电二极管24固定在内套29上，电缆25连接在红外发光二极管26上，用于给红外发光二极管26供电，电缆25连接到光电二极管24上，用于引出光电二极管24产生的光电流。当外套27相对于内套29向上运动时，挡片23逐步切断红外发光二极管26发出的射向光电二极管24的红外光，光电二极管24产生的光电流也逐步减小。与此同时外套27相对于内套29向上运动的移动量越大，弹簧28压缩越厉害，需要的压力也越大。因此从光电二极管24产生的光电流的变化可以知道琴键3被按下的状态。尽管图中外套27和内套29被画成方形，实际上它们可以被做成环形套在手指上。相对于钢琴键盘，这种戴在手指上的微型化触发装置给演奏者带来非常大的自由度，因为他不必象演奏钢琴那样在指定的地方弹奏指定的键，此时演奏者在任何地方敲击有一定硬度的任何东西使外套27相对于内套29运动，都能发出正确的音符，只要他是用特定的手指敲击，因为现在开关装在手指上，每个手指对应特定音符。当然通过切换键，每个手指所对应的音符还可实时改变，进一步扩大能够演奏的音符音程范围。电缆30、25可直接接到微处理器的I/O端口，或通过无线收、发装置或红外收、发装置等把琴键3的状态发送给微处理器。
在图9中，两个触发装置32、33分别通过电缆31、34接到计算机1的两个USB口，由计算机1统一控制，这一方面节省了一台计算机，另一方面便于演奏者利用两台触发装置合奏同一乐曲。理论上一台计算机可以接127个USB设备，当然要增加一些USB HUB以提供更多的USB接口，而且每个触发装置最好自备电源。
在图10中，触发装置2直接采用计算机键盘35，它包括键盘按钮3和发光二极管4，每个按钮3上至少集成有一个发光二极管4。触发装置2通过电缆5连接到计算机主机36，显示器37通过电缆38连接到计算机主机36。采用本设计方案的好处是避免添加额外的触发装置，因为每个计算机都有一个键盘。
权利要求
1.一种智能电子乐器，其特征在于它由灯泡或激光二极管或发光二级管(4)、触发装置(2)、电子声音合成装置(15)和中央控制器(6)组成；灯泡或激光二极管或发光二级管(40集成在触发装置(2)上，触发装置(2)通过导线与中央控制器(6)相连。
2.根据权利要求1所述的一种智能电子乐器，其特征在于触发装置(2)由一组琴键(3)组成，每个琴键(3)由机械开光或光电开关和灯泡或激光二极管或发光二级管(4)组成；每个机械开光或光电开关的其中一端直接或通过具有缓冲、锁存功能的电子芯片或电阻连接到微处理器的I/O管脚，另外一端直接或通过电阻接地或电源。
3.根据权利要求1所述的一种智能电子乐器，其特征在于触发装置由一组琴键(3)组成，每个琴键(3)由模拟光学开光和灯泡或激光二极管或发光二级管(4)组成；模拟光学开光由光源(21)、光探测器(22)、挡板(23)或反射面组成，光源(21)和光探测器(22)固定在触发装置的底座(17)上，光探测器(22)直接或通过多路转换开关连接到D/A转换器，挡板(23)或反射面安装在琴键的活动键体(19)内，且它们的位置使得它们能够对光源(21)投射到光探测器(22)上的光强度进行调制。
4.根据权利要求1所述的一种智能电子乐器，其特征在于触发装置(2)采用模块化积木结构，每个模块包含一个或不少于两个个琴键(3)，模块之间在空间位置上互相独立或通过锁紧、定位装置连成一个整体，并通过插头(14)和插座(13)或导线实现电连接。
5.根据权利要求1所述的一种智能电子乐器，其特征在于中央控制器(6)由计算机(1)和微处理器(7)组成，微处理器(7)通过串行或并行方式连接到计算机(1)。
6.根据权利要求1所述的一种智能电子乐器，其特征在于中央控制器(6)由微处理器(7)、内部和/或外部存储器(9)组成，内部和/或外部存储器(9)通过导线连接到微处理器(7)。
7.根据权利要求1所述的一种智能电子乐器，其特征在于触发装置(2)通过光纤或无线通信接收、发送装置或微波通信接收、发送装置或红外通信接收、发送装置与中央控制器(6)进行联系。
8.根据权利要求1所述的一种智能电子乐器，其特征在于不少于两台的智能电子乐器连接到同一计算机(1)，或通过电缆或光纤或无线通接收、发送装置或微波通信接收、发送装置或红外通信接收、发送装置彼此进行联系，实现同步协调演奏或独立演奏。
全文摘要
本发明公开了一种智能电子乐器，它由触发装置、电子声音合成装置、中央控制器和集成在触发装置的琴键上的灯泡或激光二极管或发光二级管组成。中央控制器根据所需演奏的乐谱数据控制灯泡或激光二极管或发光二级管发光，产生提示光点，提示演奏者按下相应琴键，琴键中的开关随之产生触发信号，中央控制器根据该触发信号控制电子声音合成装置发出相应音符。本发明最大的特点是增加了提示功能，使得没有经过任何乐器演奏训练的人和不熟悉乐谱的人也能正确演奏完整的复杂曲目。同时它结构简单，功能完备，充分利用了现代计算机的丰富的软件和硬件资源，可以以成本低制作高品质乐器。
文档编号G10H1/32GK1664918SQ20041001281
公开日2005年9月7日 申请日期2004年3月4日 优先权日2004年3月4日
发明者李志扬 申请人:李志扬
技术领域：
本发明涉及一种智能电子乐器，属于电子乐器领域，特别适用于不熟悉音乐的人演奏乐曲，可制作成各种室内、室外、大型和小型儿童音乐玩具，也可用于专业演员练习、演奏各种复杂乐曲，辅助作曲家谱曲。
背景技术：
音乐是人类文明的象征，对陶冶性情、丰富人们生活有非常大的帮助。但是音乐也是一门复杂艺术，除了乐理学习，要熟练掌握各种乐器演奏技巧也需要长时间的练习，这是一个非常艰苦、枯燥的过程，这使得许多人对乐器学习望而生畏。对于不识谱的人要摆弄好一种乐器，更是难上加难。另外钢琴等乐器还相当昂贵，这些因数在很大程度上限制了音乐的广泛普及。
随着集成电路和计算机技术的发展，电子学在音乐领域的应用越来越广。电子吉他、电子琴等安装有电子装置的乐器已非常普遍，特别是80年代建立的MIDI(Musical Instrument Digital Interface)标准，更是给音乐的创作、记录、演奏带来了很大变化，现在电子音乐已经发展到较高的水平。MIDI是音乐信号在电子乐器之间传输的标准，包括硬件接口标准以及电子音乐信号在不同硬件之间的异步串行传输协议。MIDI格式的音乐文件与其他格式的声音文件不同，它记录的不是音频信号，而是音乐的全部乐谱和演奏的全过程。利用计算机技术，通过软音源和时序发生器，MIDI格式的音乐文件可以用软件合成模拟的方式在计算机上重新播放出来。现在用计算机来产生音乐已经是一件很普通的事，特别是随着采用物理建模技术、波表合成技术、FM调频技术等的实时软音源的出现，用计算机产生的音乐的质量已非常高。用计算机软件合成音乐的优点是可以极大地降低乐器成本，因为用计算机进行演奏，只需要添加一套简单的触发装置，该装置在演奏人员的操纵下连续发出电信号，告诉计算机在什么时候演奏什么音符，计算机随之用软件合成出来。由于触发装置不直接发音，传统乐器制作中许多复杂技术、工艺都可省去，也不必采用一些特殊的材质来增强音色。
但同时也应该看到，尽管目前已有很多电子乐器，但这些乐器，其演奏方式与传统乐器没有实质性差异，只是添加了一些辅助功能，如自动伴奏，自动产生和声等。对演奏者而言，他仍然需要熟记乐谱，并用大脑根据每个音符控制手指熟练地操纵乐器。如果不熟悉乐谱就无法进行演奏。同时事先没有进行长期训练，对乐器不熟悉，手指就不灵活，不知道该按哪个键，按多长时间，演奏起来也就不成调。中国专利申请号为200410012708.5的发明专利中提出了一种乐器演奏提示器，它由光点移动器和电子控制器组成。电子控制器控制光点移动器根据所需演奏音符在乐器上相应的地方产生提示光点，该提示光点的持续时间与音符时值一致，其亮度或形状大小或颜色与音符强弱相一致，提示演奏者在提示光点所指示的地方以一定的力度对乐器进行操作。乐曲的音符、音符时值和音符强弱等数据，从MIDI格式文件中提取或从输入键盘输入。电子控制器根据乐谱数据使光点移动器产生的提示光点顺序连续移动，这样使得没有经过任何乐器演奏训练的人和不熟悉乐谱的人也能正确地演奏完整的复杂曲目。该发明所提出的乐器演奏提示器可简单地放置在现有乐器上，也可与现有乐器集成为一体，但从使用方便性出发，最好把乐器演奏提示器与现有乐器集成为一个整体。这种结合不是简单地机械拼凑，而应该是有机地融合。但具体的融合方式在上述发明中没有完整地给出，而且在设计一种新的具有提示功能的乐器时，如何充分吸收电子、计算机软、硬件技术的最新发展，使得新的乐器智能性更强，功能更齐全，使用更方便，而成本更低廉，这也是上述现有技术没有全面、详细给出的。
发明内容
本发明的目的在于提出一种智能电子乐器，它充分利用了现代计算机软、硬件技术资源，音质优美，结构简单，使用方便，成本低廉，功能齐全，演奏效果好，特别是具有提示功能，即能够帮助没有经过任何乐器演奏训练的人和不熟悉乐谱的人正确地演奏完整乐曲。
为达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种智能电子乐器，它由灯泡或激光二极管或发光二级管4、触发装 2、电子声音合成装置15和中央控制器6组成；灯泡或激光二极管或发光二级管4集成在触发装置2上，触发装置2通过导线与中央控制器6相连。
所述的智能电子乐器，触发装置2由一组琴键3组成，每个琴键3由机械开光或光电开关和灯泡或激光二极管或发光二级管4组成；每个机械开光或光电开关的其中一端直接或通过具有缓冲、锁存功能的电子芯片或电阻连接到微处理器的I/O管脚，另外一端直接或通过电阻接地或电源。
所述的智能电子乐器，触发装置由一组琴键3组成，每个琴键3由模拟光学开光和灯泡或激光二极管或发光二级管4组成；模拟光学开光由光源21、光探测器22、挡板23或反射面组成，光源21和光探测器22固定在触发装置的底座17上，光探测器22直接或通过多路转换开关连接到D/A转换器，挡板23或反射面安装在琴键的活动键体内，且它们的位置使得它们能够对光源21投射到光探测器22上的光强度进行调制。
所述的智能电子乐器，触发装置2采用模块化积木结构，每个模块包含一个或不少于两个个琴键3，模块之间在空间位置上互相独立或通过锁紧、定位装置连成一个整体，并通过插头14和插座13或导线实现电连接。
所述的智能电子乐器，中央控制器6由计算机1和微处理器7组成，微处理器7通过串行或并行方式连接到计算机1。
所述的智能电子乐器，中央控制器6由微处理器7、内部和/或外部存储器9组成，内部和/或外部存储器9通过导线连接到微处理器7。
所述的智能电子乐器，触发装置2通过光纤或无线通信接收、发送装置或微波通信接收、发送装置或红外通信接收、发送装置与中央控制器6进行联系。
所述的智能电子乐器，不少于两台的智能电子乐器连接到同一计算机1，或通过电缆或光纤或无线通接收、发送装置或微波通信接收、发送装置或红外通信接收、发送装置彼此进行联系，实现同步协调演奏或独立演奏。
本发明的基本原理是通过触发装置产生触发信号，由中央控制器根据该信号控制电子声音合成装置发出声音，这样构成一个低成本的电子乐器；同时在触发装置中的每个琴键上集成一个或多个灯泡或激光二极管或发光二级管，由中央控制器控制这些灯泡或激光二极管或发光二级管在适当的时候点亮产生提示光点，提示演奏者按下该琴键，而点亮的时刻、停留时间、亮度或形状大小或颜色变化完全依据乐谱数据，并充分地反映出乐曲演奏信息。这样演奏者可以不必背诵或知晓乐谱，只要用眼睛根据光点的变化及时按下触发装置上的琴键即可正确地演奏出复杂的完整曲目。
根据以上原理，智能电子乐器是乐器演奏提示器与现有电子乐器相结合的产物。为了使两者有机地融合、集成为一体，基本原则是把乐器演奏提示器中的光点移动器和电子控制器分别组合到电子乐器的触发装置和电子控制器中，即把乐器演奏提示器中的光点移动器与电子乐器的触发装置集成为一体，把乐器演奏提示器中的电子控制器和电子乐器的电子控制器组合为一个新的中央控制器。下面对智能电子乐器的完整结构从触发装置和中央控制器两个方面进行详细讨论。
首先在上述智能电子乐器中，采用小灯泡或发光二极管或激光二极管来产生提示光点，由于这些发光器一般体积很小，可方便地集成制作到触发装置上的每个琴键中，因此对触发装置的设计不会提出额外苛刻要求。这样触发装置的外观和内部结构可以根据实际使用需要，如形状、大小和性能要求和制作成本进行设计。以外观设计为例，如果需要小巧，便于携带，可选择模块化积木式结构，16或24或32等数目的琴键组成一个模块，两个或更多个模块可拼接为一个整体，例如三个24键的模块可以拼接成一个72键的电子乐器。为了实现模块化结构，方便拼接，触发装置的机械结构和电学结构需要做专门设计。另外，一个模块也可以只包含一个键，并经微型化设计后戴在手指上，演奏时用手指按压、敲击桌面或其他任何有一定硬度的表面，戴在手指上的触发装置就会产生触发信号，这样演奏者可随时、随地演奏音乐。为了方便，也可直接在计算机键盘的每个按键上集成小灯泡或激光二极管或发光二级管来产生提升光点，并建立一个按键与音符的对应关系表格，从而把计算机键盘改造成触发装置。如果是制作室外大型音乐娱乐装置，触发装置可做得较大，可制作成脚踏式，或内嵌在其他活动造型内部等，并针对露天环境，做好潮湿、水雾、阳光等方面的保护设计。进一步触发装置可以通过光纤或装上收、发装置，通过无线通信或微波通信或红外通信等方式与中央控制器7进行通信联系，这样省掉它们之间的连接导线，便于移动。
在触发装置的内部结构设计上，可以根据是否需要力反馈等因素确定结构方案。如果不需要力反馈，可以选择简单的机械开关或光电开关，每个开关的其中一端直接或通过具有缓冲、锁存功能的芯片或电阻接微处理器的I/O管脚，另外一端直接或通过电阻接地或电源，当然对光电开关还需给发光管供电。当开关导通时，与之相连的I/O管脚电平变低或增高。微处理器对每个I/O管脚进行周期性轮询，检查I/O管脚电平的高低，例如每一毫秒轮询一次，这样，微处理器就知道在每一时刻某个开光导通或断开状态，并告诉中央控制器，中央控制器据此就可发出与MIDI标准对应的Note On和Note Off信号以及其他控制命令。如果需要力反馈，可以选择模拟光学开光，其中每个模拟光学开光可以由光源、光探测器、挡板或反射面和D/A转换器组成。其中挡板或反射面随琴键一起运动，对光源投射到光探测器上的光强度进行调制，使得光探测器产生的光电信号发生变化，通过8位D/A转换成数字信号后，该信号通过并行线或串行线连接到微处理器的I/O端口。通过一个多路转换开关，如常见的16路多路转换开关，16个模拟光学开光可以共用一个A/D转换器，以降低制作成本。微处理器周期性地读取I/O端口数据，并把数据的大小变化及时告诉中央控制器，中央控制器据此就可发出与MIDI标准对应的Note On、NoteOff和After Touch信号。例如信号在某一时刻超过某一阈值，则表示开关按下，这时中央控制器产生一个Note On信号；随后随着演奏者按键力度的变化，开关上下起伏，这时信号大小可用After Touch信号表示；如果信号在某一时刻降低到低于某一阈值，则表示琴键释放，这时中央控制器产生一个Note Off信号。由于开关内设有弹簧，琴键按下的幅度越大，需要的力也越大，因此用模拟光学开光可以很好地模拟再现钢琴琴键的力度手感。
在上述智能电子乐器中，中央控制器可由计算机和微处理器共同组成，微处理器通过串行或并行方式，如通过USB、RS-232、IEEE-488、IEEE-1394、PS-485等接口与计算机相连。演奏时，计算机从MIDI格式文件中提取数据，传给微处理器，微处理器控制灯泡或激光二极管或发光二级管4点亮产生提示光点，微处理器同时负责对其I/O端口进行周期性轮询，收集和缓存触发装置产生的触发数字信号，然后送给计算机；计算机根据收到的触发数字信号产生MIDI命令，控制电子声音合成器发出声音，同时把这些命令记录存储下来，用于回放和对演奏者演奏的正确性进行评估。当然中央控制器也可仅由微处理器组成，此时所有功能全部由微处理器承当，因此这时还应增加内部或外部存储器、显示屏和按键等必要的辅助部件。仅采用微处理器的好处是可以不依赖于计算机而工作，结构独立，便于携带。
下面以一个具体例子来进一步说明智能电子乐器的运行过程。MIDI标准规定了16个通道，在一定时刻一个通道对应一种乐器或音色，每个通道具体对应的乐器和音色可以随时用Program Change命令设置、改变。MIDI标准的详细内容可参看有关文件。在演奏一首合奏曲时，演奏者首先通过计算机上的控制软件，选择在合奏乐曲中担当哪种乐器的演奏。假设MIDI格式乐谱数据文件中有62 93 4C 46这样一组十六进制数据需要演奏，这组数据表示在与上一MIDI事件相隔62(十六进制)个MIDI时钟的时刻，第3通道的4C键以46(十六进制)的相对速度按下，9即表示Note On。如果演奏者正好选择演奏与第3通道对应的乐器，则计算机把数据4C 46发送给微处理器，微处理器控制与4C键相对应的灯泡或激光二极管或发光二级管点亮，灯泡或激光二极管或发光二级管点亮的亮度或个数一方面可以根据相对速度46来确定，因为一般速度越快，按键力度往往也越大；另一方面也可以根据After Touch命令中的参数来确定，因为After Touch中的参数反映了琴键按下后，后续施加的力度的大小。演奏者根据提示光点的提示，以一定速度或力度按下提示光点所对应的琴键，这时琴键内的开关接通，使微处理器的相应I/O管脚的电平发生改变，由于微处理器不停地周期性地查询其I/O管脚的电平大小，因此在很短的时间内就可知道这种改变，并马上报告计算机，计算机由此知道了演奏者实际演奏的音符，并把它转换成与MIDI标准相对应的Note On、NoteOff和After Touch等命令，控制电子声音合成装置发出声音。与此同时，计算机把其他通道的与其他乐器相对应的MIDI演奏指令直接送电子声音合成装置，这样演奏者的实际演奏与MIDI格式文件中其他乐器的演奏自然地合成为一个整体。当然演奏者也可关闭其他乐器的演奏，只听自己的独奏。如果几个人共同演奏一首乐曲，每个演奏者应该拥有一个触发装置，即键盘，但所有键盘应该连接到同一计算机，以便协调演奏。如果没有计算机，可以通过电缆或光纤或无线通信或微波通信或红外通信技术彼此进行通信联系，实现同步协调演奏或独立演奏。
除了硬件，控制软件也是影响智能电子乐器的性能和使用方便性的一个关键。因为仅仅通过软件就可额外增加许多功能。例如，可以设置演奏速度，当演奏者首次演奏一首不熟悉的乐曲时，可以设置以较慢速度练习；再如可以把一首乐曲中所有MIDI事件在显示屏上列出来供演奏者参考、修改，同时可把记录保存的与演奏者实际演奏对应的MIDI事件也在显示屏上列出来，这将对作曲家非常有用，因为作曲家实际演奏过程就是一个乐谱输入过程，如果他对某些部分不满意，可以马上在屏幕上修改，再让计算机自动演奏修改后的乐曲，试听效果，如果还不满意，继续修改，直到满意为止。对多个乐器的合奏曲，可以设置选项卡，让演奏者选择想要演奏的乐器。当然还应该提供播放启动、暂停、快进、快退、循环播放起止位置定义、播放速度控制、录音、回放等一些快捷键。如果没有计算机，由于普通微处理器的人机交换界面功能有限，应该在中央控制器的机箱上或触发装置的面板上通过硬件提供上述控制键和选择键。
本发明与现有技术相比具有以下优点和效果本发明所涉及的智能电子乐器，与现有电子乐器相比，最大的特点是增加了提示功能，使得没有经过任何乐器演奏训练的人和不熟悉乐谱的人也能正确演奏完整的复杂曲目。同时它结构简单，功能完备，充分利用了现代计算机的丰富的软件和硬件资源，以成本低实现了高品质乐器。
图1为一种智能电子乐器的结构组成示意图。
图2为中央控制器采用计算机和微处理器时，智能电子乐器的电路结构示意图。
图3为中央控制器采用微处理器，且触发装置由两个模块组成时，智能电子乐器的电路结构示意图。
图4为中央控制器的演奏控制软件流程示意图。
图5为采用机械开关时，智能电子乐器的琴键结构示意图。
图6为采用遮挡调制式模拟光学开关时，智能电子乐器的琴键结构示意图。
图7为采用反射调制式模拟光学开关时，智能电子乐器的琴键结构示意图。
图8为采用微型按压式光电开关时，智能电子乐器的琴键结构示意图。
图9为采用两个触发装置时，智能电子乐器的结构组成示意图。
图10为采用计算机键盘作为触发装置时，智能电子乐器的结构组成示意图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步描述根据图1，智能电子乐器由发光二极管4、触发装置2、电子声音合成装置和中央控制器组成，这里电子声音合成装置采用计算机1内部的声音合成器，未画出。中央控制器由计算机1和微处理器组成，而微处理器位于触发装置2内部，也未画出。触发装置2由12个琴键3组成，每个琴键3内集成有一个光电开关(未画出)，每个琴键3上集成有3个发光二极管4，触发装置2通过电缆5连接到计算机1的USB口。演奏时，首先计算机1从MIDI格式文件中读取数据，根据演奏者预先选择的演奏乐器设置，把其中需要演奏的数据发送给微处理器，微处理器控制与需要演奏的音符对应的发光二极管4点亮，产生提示光点，提示演奏者以一定力度按下该键，如果琴键3上的3个发光二极管4全亮，则表示需以较大力按下该键，如果只有一个发光二极管4点亮，则表示以较小力按下该键。琴键3被按下后，其内部的开关接通，使微处理器的相应的I/O管脚的电平发生改变，微处理器不断轮询其各个I/O管脚的电平状态，一旦某个I/O管脚的电平发生改变，马上经USB接口报告给计算机1，计算机1由此知道是哪个琴键在什么时候被按下，立即产生与MIDI标准对应的Note On命令，控制电子声音合成装置发出相应的音符。当该键被释放时，则产生Note Off命令，控制电子声音合成装置结束相应音符的发音。计算机1根据乐谱数据不停地点亮各个琴键3上的发光二极管4，指示演奏者进行操纵，这样就能演奏出完整的乐曲。同时计算机1还能把所有根据演奏者操作动所产生的Note On、Note Off等命令全部以MIDI文件格式存储下来，用于回放、编辑和与乐谱中正确数据相比较，评估演奏演奏的正确性。在一首合奏曲中，演奏者通过计算机1上的操作软件选择演奏哪种乐器，同时选择在他自己演奏时，其他乐器的演奏是关闭，还是由计算机1把MIDI格式文件中对应其他乐器的Note On、Note Off等命令直接发出，控制电子声音合成器发声，从而与演奏者的实际演奏融合为一体。
根据图2可知，中央控制器6由PC计算机1和80C51微处理器7组成，微处理器7通过电缆连接到PC计算机1。在空间位置上微处理器7位于触发装置2内，这里画出的电路方框示意图。触发装置2由琴键3组成，每个琴键3内包含一个发光二极管4和一个开关8，图中只画出了4个琴键，它们接在80C51微处理器7的四个I/O端口中的第一个端口上，即管脚编号为PAD0至PAD7的8个管脚上。更多的琴键在图中以省略号表示。演奏中，当需要按下某个琴键以演奏某个音符时，例如需按下图中最上的琴键3时，计算机1首先通知微处理器7，使其PAD0管脚电平变为高电平，这样发光二极管4点亮，演奏者在该提示光点的提示下，按下琴键，接通开关8，使微处理器7的PAD1管脚上的电平变为低电平。由于微处理器7在不断周期性地，例如每隔1毫秒一次，轮询其I/O管脚的状态，这样当开关8被演奏者按下后，最多1毫秒以内，微处理器7通过PAD1管脚上的电平变化马上就能知道，然后立即通知PC计算机1，说明是在什么时候、哪个琴键被按下，PC计算机1接到该触发数据信号后，马上产生Note On命令，控制计算机1内部的电子声音合成装置发出相应的音符。从演奏者按下琴键到电子声音合成器发出声音，这中间的时间间隔一般不超过2毫秒，这样演奏者基本感觉不到时间延迟。
在图3中，与图2不同的是，中央控制器6由微处理器7、存储器9组成，存储器9和电子声音合成装置15分别通过导线连接到微处理器7。触发装置2由模块10和模块11两个模块组成，这两个模块各包含4个琴键3，每个琴键内有一个发光二极管4和一个开关8，二极管4和开关8通过具有缓冲、锁存功能的芯片PCF8574连接到微处理器7，在连接时采用了I2C(Inter-Integrated Circuit)技术。I2C是IC芯片之间沟通连接的一种总线架构。在具有I2C总线功能的芯片中，由于其地址已内建在芯片中，因此只需要SDA和SCL两条导线。在图3中，芯片PCF8574到微处理器7的连接使用了4根导线，除了SDA和SCL，还有电源VDD和地Vss两根导线。VDD、Vss、SDA和SCL首先连接到模块10中的芯片PCF8574，再进一步通过模块10上的插头14和模块11上的插座13连接到模块11中的芯片PCF8574。这样当两个模块拼接起来时，它们不仅在机械上连成一个整体，同时在电学上也连成一个整体。MIDI格式音乐文件直接或经处理、压缩后，存储在存储器9中，演奏时，微处理器7从存储器9取出数据，控制琴键3中的发光二极管4点亮，提示演奏者按下相应的琴键，当琴键被按下后，开关8把芯片PCF8574相应管脚的电平拉低，由于微处理器7通过SDA和SCL不断周期性地轮询两个模块中的PCF8574芯片相应管脚的电平，这样微处理器7很快知道哪个按键在什么时候被按下，然后马上产生Note On命令，控制电子声音合成器15发出相应音符。同样微处理器7还能把所有根据演奏者操作动所产生的Note On、NoteOff等命令全部存储到存储器9中，用于回放和与乐谱中正确数据相比较，评估演奏演奏的正确性。
在图4中，中央控制器的演奏控制软件流程分为a-k等11个步骤，下面一一进行说明。第a步，准备包括对系统进行初始化设置，例如把读取存储器的文件指针设为文件开始处、确定文件中所包含的MIDI事件总数等；第b步，读取演奏参数设置读取演奏者设定的演奏参数，例如演奏速度，在一首合奏曲中演奏者准备演奏哪种乐器，其他乐器的演奏是否关闭，是否记录演奏过程等；第c步，读取下一MIDI事件从目前文件指针位置读取一个MIDI事件的数据；第d步，判断第c步读取的MIDI事件是否为需要演奏者演奏的音符，如果是，则进入第e步，如果不是，则进入第h步(如果设置其他乐器的演奏同步播放)，不管是进入第e步还是进入第h步，执行完后马上进入第f步；第e步，点亮发光二极管在目前MIDI事件规定的时刻点亮相应琴键中的发光二极管，提示演奏者按下该琴键；第f步，轮询I/O端口不断轮询读取I/O端口的状态，然后进入第g步；第g步，有琴键按下根据第f步读取的I/O端口的状态判断是否有哪个按键的状态发生改变，如被按下，或按键上的压力有改变，或已按下的按键被释放等，如果是，则进入第h步和/或第i步，在执行完第h步和/或第i步后，马上进入第j步；第h步，控制电子声音合成装置发声根据第d步和第g步的指令，控制电子声音合成器发声，如启动或停止某一音符的发音，或改变正在发音的音符的强弱等；如果演奏者在设置演奏参数时选择记录功能，则在第h步后马上进入第i步；第i步保存MIDI事件数据记录保存第d步中直接来自MIDI文件的和第g中由演奏者按键触发的MIDI事件数据；第j步，已处理所有MIDI事件根据第a步中的初始化信息，判断文件中的所有MIDI事件是否已读取、执行完毕，如果不是，则把读取存储器的文件指针指向下一MIDI事件，并回到第c步，如果是，则进入第k步；第k步演奏结束。以上是在演奏一首乐曲时，中央控制软件的主要流程，其他流程如MIDI事件的显示、编辑等，这里没有包括。
在图5中，琴键3由发光二极管4和由导电弹片16、导线18、铜片20构成的机械开关组成，导线18连接在导电弹片16上，导电弹片16安装固定在琴键活动键体19内，铜片20安装在触发装置的底座17上。当琴键3处于释放自由状态时，导电弹片16与铜片20不接触。当琴键3被按下时，导电弹片16接触铜片20，导线18也随之与铜片20接通，如果导线18接微处理器的某一I/O管脚，铜片20接地，则该I/O管脚的电平被拉低，微处理器通过轮询知道琴键3已被按下。
在图6中，琴键3由发光二极管4和由激光二极管21、挡板23、硅光电池22构成的光学模拟开关组成，激光二极管21和硅光电池22安装固定在触发装置的底座17上，挡板23安装固定在琴键活动键体19内。当琴键3处于释放自由状态时，激光二极管21发出的光可以直接到达硅光电池22，硅光电池22产生一个较大光伏电压。当琴键3被按下时，带动挡板23向下运动，逐步切断由激光二极管21发出的射向硅光电池22的光，硅光电池22产生的光伏电压逐步减小。因此硅光电池产生的光伏电压的大小就反应了演奏者施加在琴键3上的力的大小，因为琴键3下还有一个弹簧(未画出)，该弹簧被压缩的程度越大，所需要的压力也越大。硅光电池22产生的光伏电压送给A/D转换器转换成数字信号，然后送到微处理器的I/O端口，微处理器不断轮询其I/O端口，从而知道什么时候，作用在什么键上的压力为多少。如果压力增加到超过零或某一阈值，则中央控制器产生一个Note On命令，如果压力降低到零或某一阈值以下，则产生一个Note Off命令，如果琴键已被按下，Note On命令也已经发出，但施加在琴键3上的压力仍在不断变化，例如演奏者以此来表达某种感情，则产生After Touch命令，控制电子声音合成器发出的声音强度也相应改变。因此通过采用光学模拟开关，琴键3具有力反馈特性，可以更细腻地表达演奏者的感情，也更接近钢琴演奏效果。由于在MIDI中压力分为128个等级，因此采用8位A/D转换器已经可以获得足够精度。一般硅光电池22产生的光伏电压与施加在琴键3上的压力不会严格成线性关系，但这可以由中央控制器通过软件进行补偿、修正。
在图7中，琴键3由发光二极管4和由激光二极管21、光电二极管24构成的反射调制式光电开光组成，激光二极管21和光电二极管24安装固定在触发装置的底座上。激光二极管21发出的光通过琴键活动键体19的下表面的反射到达光电二极管24。当琴键3被按下时，反射到光电二极管24的光发生变化，它产生的光电流也随之变化。因此从光电二极管24产生的光电流的变化同样可以知道琴键3被按下的状态。
在图8中，琴键3由发光二极管4和由红外发光二极管26、光电二极管24、挡片23、弹簧28、外套27、内套29、电缆30和25构成的模拟光学开光组成，外套27可以相对于内套29滑动，挡片23固定在外套27上，红外发光二极管26和光电二极管24固定在内套29上，电缆25连接在红外发光二极管26上，用于给红外发光二极管26供电，电缆25连接到光电二极管24上，用于引出光电二极管24产生的光电流。当外套27相对于内套29向上运动时，挡片23逐步切断红外发光二极管26发出的射向光电二极管24的红外光，光电二极管24产生的光电流也逐步减小。与此同时外套27相对于内套29向上运动的移动量越大，弹簧28压缩越厉害，需要的压力也越大。因此从光电二极管24产生的光电流的变化可以知道琴键3被按下的状态。尽管图中外套27和内套29被画成方形，实际上它们可以被做成环形套在手指上。相对于钢琴键盘，这种戴在手指上的微型化触发装置给演奏者带来非常大的自由度，因为他不必象演奏钢琴那样在指定的地方弹奏指定的键，此时演奏者在任何地方敲击有一定硬度的任何东西使外套27相对于内套29运动，都能发出正确的音符，只要他是用特定的手指敲击，因为现在开关装在手指上，每个手指对应特定音符。当然通过切换键，每个手指所对应的音符还可实时改变，进一步扩大能够演奏的音符音程范围。电缆30、25可直接接到微处理器的I/O端口，或通过无线收、发装置或红外收、发装置等把琴键3的状态发送给微处理器。
在图9中，两个触发装置32、33分别通过电缆31、34接到计算机1的两个USB口，由计算机1统一控制，这一方面节省了一台计算机，另一方面便于演奏者利用两台触发装置合奏同一乐曲。理论上一台计算机可以接127个USB设备，当然要增加一些USB HUB以提供更多的USB接口，而且每个触发装置最好自备电源。
在图10中，触发装置2直接采用计算机键盘35，它包括键盘按钮3和发光二极管4，每个按钮3上至少集成有一个发光二极管4。触发装置2通过电缆5连接到计算机主机36，显示器37通过电缆38连接到计算机主机36。采用本设计方案的好处是避免添加额外的触发装置，因为每个计算机都有一个键盘。
权利要求
1.一种智能电子乐器，其特征在于它由灯泡或激光二极管或发光二级管(4)、触发装置(2)、电子声音合成装置(15)和中央控制器(6)组成；灯泡或激光二极管或发光二级管(40集成在触发装置(2)上，触发装置(2)通过导线与中央控制器(6)相连。
2.根据权利要求1所述的一种智能电子乐器，其特征在于触发装置(2)由一组琴键(3)组成，每个琴键(3)由机械开光或光电开关和灯泡或激光二极管或发光二级管(4)组成；每个机械开光或光电开关的其中一端直接或通过具有缓冲、锁存功能的电子芯片或电阻连接到微处理器的I/O管脚，另外一端直接或通过电阻接地或电源。
3.根据权利要求1所述的一种智能电子乐器，其特征在于触发装置由一组琴键(3)组成，每个琴键(3)由模拟光学开光和灯泡或激光二极管或发光二级管(4)组成；模拟光学开光由光源(21)、光探测器(22)、挡板(23)或反射面组成，光源(21)和光探测器(22)固定在触发装置的底座(17)上，光探测器(22)直接或通过多路转换开关连接到D/A转换器，挡板(23)或反射面安装在琴键的活动键体(19)内，且它们的位置使得它们能够对光源(21)投射到光探测器(22)上的光强度进行调制。
4.根据权利要求1所述的一种智能电子乐器，其特征在于触发装置(2)采用模块化积木结构，每个模块包含一个或不少于两个个琴键(3)，模块之间在空间位置上互相独立或通过锁紧、定位装置连成一个整体，并通过插头(14)和插座(13)或导线实现电连接。
5.根据权利要求1所述的一种智能电子乐器，其特征在于中央控制器(6)由计算机(1)和微处理器(7)组成，微处理器(7)通过串行或并行方式连接到计算机(1)。
6.根据权利要求1所述的一种智能电子乐器，其特征在于中央控制器(6)由微处理器(7)、内部和/或外部存储器(9)组成，内部和/或外部存储器(9)通过导线连接到微处理器(7)。
7.根据权利要求1所述的一种智能电子乐器，其特征在于触发装置(2)通过光纤或无线通信接收、发送装置或微波通信接收、发送装置或红外通信接收、发送装置与中央控制器(6)进行联系。
8.根据权利要求1所述的一种智能电子乐器，其特征在于不少于两台的智能电子乐器连接到同一计算机(1)，或通过电缆或光纤或无线通接收、发送装置或微波通信接收、发送装置或红外通信接收、发送装置彼此进行联系，实现同步协调演奏或独立演奏。
全文摘要
本发明公开了一种智能电子乐器，它由触发装置、电子声音合成装置、中央控制器和集成在触发装置的琴键上的灯泡或激光二极管或发光二级管组成。中央控制器根据所需演奏的乐谱数据控制灯泡或激光二极管或发光二级管发光，产生提示光点，提示演奏者按下相应琴键，琴键中的开关随之产生触发信号，中央控制器根据该触发信号控制电子声音合成装置发出相应音符。本发明最大的特点是增加了提示功能，使得没有经过任何乐器演奏训练的人和不熟悉乐谱的人也能正确演奏完整的复杂曲目。同时它结构简单，功能完备，充分利用了现代计算机的丰富的软件和硬件资源，可以以成本低制作高品质乐器。
文档编号G10H1/32GK1664918SQ20041001281
公开日2005年9月7日 申请日期2004年3月4日 优先权日2004年3月4日
发明者李志扬 申请人:李志扬
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0访客 来自[未知地区] 2020年02月06日 08:49有制造的电子琴键上显示某调的1234567版的电子琴吗？
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