用于压电驻极体柔性薄膜电子琴的触键信号多通道处理电路及其方法与流程

本发明涉及电声乐器技术领域，尤其涉及一种用于电子琴的触键信号多通道处理方法及其电路。

背景技术：

电子琴又称作电子键盘，发音音量可以自由调节，具有音域较宽、和声丰富、可模仿多种音色、可配备类似打击乐音响的节拍伴奏和加装效果器等优点，在现代音乐演奏中应用十分广泛。传统的电子琴无法将琴键触键深度和触键速度与电子琴音相关联，在演奏过程中，电子琴的旋律与和声过于单一，缺乏音量变化。而采用压电驻极体材料作为传感器的压电驻极体柔性薄膜电子琴则克服了传统电子琴的缺陷，极大地丰富了电子琴的音乐表现力。但是，因为压电驻极体材料具有较大的内阻，所以压电驻极体柔性薄膜电子琴容易受外部环境震动影响，难以提取有效琴音信号。另外，目前的电子琴多通道处理设计也无法准确提取琴音信号，精确控制琴音的音量和音色。

如中国专利申请号为03273498.0，公开了一种可通过按键压力控制音量的电子琴，该电子琴的音乐键中采用的导电胶条中包括多个交错排列的垂直绝缘层和垂直导电层，并在其顶部设有用于将各垂直导电层相互短接的短接导电层；所述导电胶条的底部部分地支撑于电路板上，在导电胶条底部所面对的电路板上设有输入信号线和多条输出信号线；该导电胶条受压后其底部产生变形，使其底部与电路板之间的支撑面积随压力的增加而逐渐增大，从而可依次接通第一、第二、直至最后一条输出信号线；根据其中被接通的第一条输出信号线可合成音符信号，根据被接通的输出信号线条数则可合成相应的音量信号。该结构通过导电胶条底部与输出信号线的接触导通进而感应按键的轻重，制作复杂，容易判断不准，造成琴音不准确或杂音的情况。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是一种用于压电驻极体柔性薄膜电子琴，并能快速准确提取琴音信号，降低环境影响，控制琴音变化的多通道处理电路及其方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：

用于压电驻极体柔性薄膜电子琴的触键信号多通道处理电路，所述触键信号多通道处理电路包括多个分别连接至单片机电路的分组电路，每组所述分组电路包括信号判别通道电路、信号选择处理通道电路和设于电子琴琴键上的与琴键个数对应的压电驻极体传感器，所述信号选择处理通道电路包括依次串联的通道选择开关电路和信号处理电路；每组所述分组电路上的所述压电驻极体传感器的输出端均分别连接至所述信号判别通道电路和所述通道选择开关电路的输入端，所述信号判别通道电路的输出端与所述单片机电路连接，所述通道选择开关电路的输出端经所述信号处理电路连接至所述单片机电路，所述通道选择开关电路还与所述单片机电路的控制信号输出端连接；所述通道选择电路包括多路通道控制开关，所述压电驻极体传感器的输出端与所述多路通道控制开关的输入端分别一一对应连接，所述压电驻极体传感器在对应琴键按下时产生触键信号。

优选地，所述信号判别通道电路包括积分电容、第一电阻、第二电阻、可调电阻、比较器和逻辑运算器，所述压电驻极体传感器与所述积分电容连接后接地；所述比较器的正相输入端连接在所述压电驻极体传感器上，所述比较器的反相输入端经串联的所述第二电阻和所述可调电阻后接地，所述比较器的输出端与所述逻辑运算器的输入端连接，所述比较器电源端和输出端之间串联有所述第一电阻。

优选地，所述信号处理电路包括依次串联的电荷放大电路、低通滤波电路、高通滤波电路、50Hz陷波电路、多级放大电路电路、电平抬升电路电路和限幅电路。

如所述用于压电驻极体柔性薄膜电子琴的触键信号多通道处理电路结构的处理方法，包括下述步骤：1)将电子琴琴键平均分为若干分组，每组对应一个所述分组电路；2)通过所述单片机检测是否有触键信号发生；3)通过所述单片机检测发生的触键信号的所属分组；4)通过相应分组的所述多路通道控制开关开启相应琴键通道，检测产生触键信号的琴键；5)通过所述信号处理电路将触键信号处理后送入所述单片机；6)通过所述单片机进行触键信号的频率和幅度的计算。

为了降低单片机的负荷，步骤2)中，每组琴键中的触键信号发生时产生相应的外部中断信号，通过所述单片机检测所述外部中断信号判断是否有触键信号发生。

为了使触键信号之间互不影响，加快单片机处理速度，步骤3)中，所述单片机通过外部中断信号确定发生触键信号的分组，并且在步骤4)中通过该分组的所述多路通道控制开关进行琴键扫描以检测产生触键信号的琴键。

为了降低环境震动影响，步骤6)中，单片机计算时设置有用于排除低电压波动所产生的干扰的免干扰电压阈值，当检测到触键信号电压超过所述免干扰电压阈值时，则记下第一时间；当信号电压上升，并再次下降到所述免干扰电压阈值时，则记下第二时间，通过两次时间的时间差计算出触键信号的频率，并且根据触键信号峰峰值电压，得出触键信号的幅度。

为了精确控制琴音音色和音量，步骤6)中，所述触键信号的频率控制琴音音调的输出，琴音音调随着所述频率的加快而增高；所述触键信号的幅度控制琴音音量的输出，琴音音量随着所述幅度增高而增大；所述琴音音调的变化和所述音量的变化共同影响琴音变化。

与现有技术相比，本发明的优点在于通过信号判别电路和通道选择开关的设置，快速检测触键信号发生的相应分组和琴键，避免了其他琴键的触键信号干扰，提高输出琴音的精确性。本发明还通过设置免干扰阈值电压，降低环境对于琴音的影响，进一步提高琴音表现力。

附图说明

图1是本发明实施例的用于压电驻极体柔性薄膜电子琴的触键信号多通道处理电路中的其中一组分组电路的功能方框示意图。

图2是本发明实施例的用于压电驻极体柔性薄膜电子琴的触键信号多通道处理电路中的信号判别通道电路的电路示意图。

图3是本发明实施例的用于压电驻极体柔性薄膜电子琴的触键信号多通道处理电路中的信号处理电路的功能方框示意图。

图4是本发明实施例的用于压电驻极体柔性薄膜电子琴的触键信号多通道处理方法中触键时传感器输出信号的示意图。

图5是本发明实施例的用于压电驻极体柔性薄膜电子琴的触键信号多通道处理方法的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1-3所示，本发明提供了用于压电驻极体柔性薄膜电子琴的触键信号多通道处理电路，该触键信号多通道处理电路包括多个分别连接至单片机电路5的分组电路，每组分组电路包括信号判别通道电路1、信号选择处理通道电路2和设于电子琴琴键上的与琴键个数对应的压电驻极体传感器，信号选择处理通道电路2包括依次串联的通道选择开关电路3和信号处理电路4。

每组分组电路上的压电驻极体传感器的输出端均分别连接至信号判别通道电路1和通道选择开关电路3的输入端，并且信号判别通道电路1的输出端与所述单片机电路5连接，通道选择开关电路3的输出端经所述信号处理电路4连接至所述单片机电路5，通道选择开关电路3还与单片机电路5的控制信号输出端连接。通道选择电路2包括多路通道控制开关，压电驻极体传感器的输出端与该多路通道控制开关的输入端分别一一对应连接。

用于压电驻极体柔性薄膜电子琴多采用88键或61键，本实施例以88路琴键电子琴为例。通过将88路琴键平均分为11组，形成11组并联的分组电路，每组分组电路包括8个琴键，琴键上的传感器都能在相应琴键按下时产生触键信号。当琴键按下时，传感器能够产生触键信号，信号判别通道电路1在触键信号发生时产生外部中断信号，启动单片机电路5，使单片机电路5控制通道选择开关电路3进行琴键扫描，打开产生相应触键信号的琴键通道，并且通过信号处理电路4将触键信号处理后送至单片机电路5进行计算。

如图2所示，信号判别通道电路1包括积分电容C1、第一电阻R1、第二电阻R2、可调电阻RP、比较器U1A和逻辑运算器U2。琴键传感器与积分电容C1连接后接地，用于将压电驻极体传感器上的电荷量进行积分，转换为电压量，使比较器U1A能够进行采集。比较器U1A的正相输入端连接在传感器上，比较器U1A的反相输入端经串联的第二电阻R2和可调电阻RP后接地，比较器U1A的输出端与逻辑运算器U2的采集引脚P2.0连接，比较器U1A电源端和输出端之间串联有第一电阻R1。其中，第一电阻R1能够将比较器U1A的输出口进行上拉，使逻辑运算器U2能够采集比较器U1A输出的信号，第二电阻R2和可调电阻RP用于调节比较器U1A的参考电压。为了保护逻辑运算器U2和比较器U1A，两者电源端均设有去耦滤波电路，该去耦滤波电路分别由去耦电容C2和C3构成。比较器U1A用于将同相和反相输入的电压做比较，输出0或者VCC的电压。本实施例采用四比较器LM2901和八输入通道与非门的逻辑运算器74HC30。

其中，每一组中有琴键按下时，触键信号产生，并且依次使相应分组的比较器U1A和逻辑运算器U2的输出电压由低电压变为高电压，进而使单片机输入电压也变为高电压，产生外部中断信号。

多路通道控制开关的输出端经信号处理电路4连接至单片机电路5的输入端。单片机电路5的控制信号输出端与多路通道控制开关连接，用于启动多路通道控制开关进行琴键扫描。

如图3所示，信号处理电路4包括依次串联的电荷放大电路、低通滤波电路、高通滤波电路、50Hz陷波电路、多级放大电路电路、电平抬升电路电路和限幅电路。其中：

通道选择开关电路，包括多路通道控制开关器，在单片机控制下切换琴键通道，用于琴键扫描，开启相应触键信号的琴键开关；

电荷放大电路，将电子琴的压电驻极体传感器上因机电转换产生的微弱电荷量变换为电压量，以供后级电路处理；

低通滤波电路，是包括集成运算放大器和外围阻容元件的多路增益反馈式四阶低通滤波电路，截止频率为30Hz，阻带内衰减大于40dB，用于滤除无用的杂波信号和电路中耦合的50Hz工频；

高通滤波电路，是包括集成运算放大器外围阻容元件的多路增益反馈式四阶高通滤波电路，截止频率为0.5Hz，阻带内衰减大于15dB，用于滤除低于0.5Hz的慢变化干扰信号以及阻碍直流信号；

50Hz陷波电路，是包括集成运算放大器和外围阻容元件的双T网络陷波电路，中心频率为50.02Hz，带宽为1Hz，进一步滤除电路中耦合的50Hz工频；

多级放大电路，是包括集成运算放大器LM358何外围阻容元件的多级反向比例放大电路，放大增益为20-1000，用于将微弱的触键信号进行放大至V级电压水平；

电平抬升电路，包括集成运算放大器和外围阻容元件，用于提升放大后信号的直流点位值，使后期的单片机能够采集；

限幅电路，进行电压限幅，避免信号峰峰值较大而超过单片机容许的电压值，对单片机采集输入引脚进行保护。

当按下琴键时，触键信号经过比较器U1A比较输出VCC的电平，进而依次改变逻辑运算器U2的输出电压和单片机的输入电压，产生外部中断信号，触发单片机启动。同时，单片机也通过外部中断信号判断出触键信号所属分组，启动该组的多路通道控制开关，通过该多路通道控制开关开启琴键通道检测是否有触键信号，直至切换到产生相应触键信号的琴键通道。触键信号通过琴键通道后，经电荷放大电路，将电荷量转换为电压量，进而送至低通滤波电路、高通滤波电路和50Hz陷波电路以滤除掉0.5-30Hz以外的干扰信号，再经多级放大电路和电平抬升电路后输出信号峰峰值为1-2V的触键信号，该触键信号经过限幅电路后送入单片机。

如图5所示，本发明还提供了的应用上述用于压电驻极体柔性薄膜电子琴的触键信号多通道处理电路结构的处理方法，首先将电子琴琴键平均分为多个分组，每组对应一个上述的分组电路；其次通过单片机检测是否有触键信号发生；然后通过单片机检测发生触键信号的所属分组；并且通过相应分组的多路通道控制开关开启相应琴键通道，检测产生触键信号的琴键；然后通过信号处理电路4将触键信号处理后送入单片机；最后通过单片机进行触键信号的频率和幅度的计算。

所述触键信号多通道处理方法具体步骤如下：

1)、分组。本实施例中将88路电子琴的琴键平均分为11组，每组包含8个琴键。每个琴键都具有一个压电驻极体传感器，当琴键按下时，传感器能够产生相对应的触键信号。

2)、判断是否有触键信号发生。当有琴键按下时，传感器产生触键信号，该触键信号通过相应分组的信号判别通道电路1产生外部中断信号，单片机通过采集该外部中断信号以确定触键信号是否产生，从而启动单片机进行琴键扫描，进行下一步骤。若无触键信号发生，单片机则不行动。

3)、检测具体分组。单片机通过外部中断信号确定发生触键信号的分组，从而启动相应分组的通道选择开关电路3中的多路通道控制开关进行琴键扫描，以检测产生触键信号的琴键。

4)、检测具体琴键。多路通道控制开关开启琴键通道，采集相应的通道内的信号，若该通道无触键信号，则切换琴键通道，直至检测出相应触键信号使触键信号通过进入下一步骤。

5)、采集触键信号。触键信号经过信号处理电路4处理后送入单片机。

6)、计算触键信号的幅度和频率。计算示意图如图4，横坐标表示电子琴工作时间，纵坐标表示琴键传感器的输出电压，A峰为按压琴键时传感器输出电压随时间的变化的波形图，B峰为释放琴键时传感器输出电压随时间变化的波形图，Vth为用于排除低电压波动所产生的干扰的免干扰电压阈值。当检测到触键信号电压超过Vth时，则记下此时的时间，为第一时间t1；当信号电压上升，并再次下降到Vth时，则记下此时的时间，为第二时间t2。通过t2-t1即可计算出触键信号的频率，即频率＝1/(t2-t1)。同时，根据触键信号峰峰值电压V0，即可得出触键信号的幅度，即幅度＝V0。

其中，触键信号的频率控制琴音音调的输出，琴音音调随着触键信号频率的加快而增高。幅度控制琴音音量的输出，琴音音量随着触键信号幅度增高而增大。琴音音调的变化和音量的变化共同影响琴音变化。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。