一种基于新里曼理论的可触摸交互电子式乐器的制作方法

本实用新型涉及电子式乐器技术领域，具体的说是一种基于新里曼理论的可触摸交互电子式乐器。

背景技术：

目前，触摸感应技术已广泛应用于我们的日常生活中，并且在工业、家庭和移动应用等领域中的需求也是持续不断的。并随着计算机科学技术和电子技术领域的不断发展和进步，也同时为了人们如今各种各样的需求，越来越多的具有交互功能的新设备和新产品不断出现，也涌现了许多具有创意性的新奇想法。

而选择将触摸感应技术与音乐相结合的触摸交互式电子乐器就是其中之一。如今较为常见的电子触摸乐器大多都是利用电容测量模块或压力传感器实现的，而电子乐器的发音体是由若干电子元件组成的振荡器，通过电压放大，不同的频率变化产生出不同的音频信号，再进行功率放大，由扬声器传送出特定的声音。大多数的电子式乐器一般具MIDI功能，它既可用来单独演奏，也可以同计算机联接，构成电脑音乐系统的一个部分，较于传统乐器，操作更加方便，成本也更为低廉，但这类电子触摸乐器存在着玩法较为单一，可玩性不强的缺陷。另外，这些电子乐器往往在音乐理论上都没有较深的考究，仅是通过相关感应模块检测触摸区域是否已被触摸，从而决定是否播放对应频率的声音。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述不足之处，本实用新型要解决的技术问题是提供一种基于新里曼理论的可触摸交互电子式乐器。

本实用新型为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于新里曼理论的可触摸交互电子式乐器，所述乐器的外部包括由若干个感应区域构成的顶面和围绕所述顶面的各个边的矩形侧面，所述侧面的每个矩形对应一个感应区域；所述乐器的内部包括数字功放模块、存储卡接口模块、直流电源、微控制器和扬声器，所述微控制器连接所述侧面和顶面中的所有感应区域，所述微控制器还连接所述数字功放模块、存储卡接口模块和直流电源，所述数字功放模块连接所述扬声器，所述存储卡接口模块用于连接存储有对应音源文件的存储卡。

所述顶面包括底板和7个感应区域，其中一个感应区域为正六边形，其余六个感应区域为正梯形，整体构成一个正六边形结构。

所述侧面为六个相同的矩形结构，每个矩形结构包括底层、中间层和外层，所述底层为瓦楞纸，所述中间层为铜箔纸，所述外层为卡纸，所述各个矩形结构的外层颜色不同。

所述侧面所围绕的区域内设有与所述顶面平行的第一夹层和第二夹层，并在相对所述顶面的另一端设有与所述顶面平行的底面。

所述第一夹层的上端固定所述微控制器，背端固定所述存储卡接口模块和和扬声器。

所述第二夹层的背端固定所述数字功放模块。

所述底面上固定所述直流电源。

所述微控制器为Arduino Mega 2560。

所述数字功放模块为PAM8403。

所述扬声器为4Ω/3W的扬声器。

本实用新型具有以下优点及有益效果：

1、本实用新型具有操作方便，成本低廉的优点，并且与如今大多数同类电子触摸乐器相比，本实用新型将电容式触摸感应原理和接近式电容触摸感应原理相结合，使其玩法多样，能让使用者拥有更好的用户体验；

2、本实用新型在音乐原理上也更为严谨，我们结合新里曼理论，从调性网络中选取了7个相近并具有代表性的音调，使得当在这7个音调之间或者在由它们组成的不同三和弦之间切换的时候声音更加平滑，而不显突兀。

附图说明

图1为本实用新型的外形结构图；

图2为本实用新型的顶面结构图；

图3为本实用新型的侧面展开图；

图4为调性网络图；

图5为本实用新型一个实施例中所选取的部分调性网络图；

图6为本实用新型的内部系统构成图；

图7为本实用新型的整体硬件结构图；

图8为本实用新型实施例的内部结构图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步的详细说明。

如图1所示。其外型为一个正六棱柱，侧面1用于播放特定音乐，顶面2用于单音播放并可以进行演奏。

如图2所示，在六棱柱的顶面有7块由铜箔制作而成的感应区域，瓦楞纸作为底板。使用者可以通过手指直接触摸该电子乐器顶面上感应区域的方式完成如下功能：

1.单点触摸任意一块感应区域，可以播放出调性网络(Tonnetz)中所截选区域(见图5)里相对应的音调。

2.同时触摸特定两块感应区域，可以播放出对应中国古代五音，即宫、商、角、徵、羽，使用者可以通过该五音演奏出如《茉莉花》《春江花月夜》《高山流水》等许多中国传统乐曲。

3.同时触摸特定三块感应区域，可以播放出对应调性网络图中所对应的由对应三个音符所组成的大三和弦或小三和弦。

如图3所示，周边的六个矩形为六棱柱的侧面，瓦楞纸作为底层，铜箔纸作为中间层，外层由六色卡纸制作而成。当使用者用手掌靠近某一面时，该乐器就会播放一段特定的旋律，每个面所对应的旋律都是由顶面对应的和弦分解旋律编制而成，音乐风格多种多样。相较于其他现有产品，本实用新型的玩法更加多样，趣味性更强，并且在整个乐器表面没有任何的导线和按钮(如图1所示)，不会给人带来一种冰冷的科技感，取而代之的是极佳的感官体验。

另外，为了让本实用新型更具科学性，在音乐原理方面我们选择并使用了现代音乐理论中的新里曼理论，同时采用了由现代音乐理论学家们利用十二平均律和音高集合所构造出的调性网络(Tonnetz)，它是在律学与和声学中一种用于表示调性空间的、概念性的音乐格子图(如图4所示)。我们选用的调性网络是一个平面阵列，沿着三个轴，对应于三个辅音的间隔。平铺在网格图中的多个黑白三角形对应着由相邻三个音符所构成的小三和弦或大三和弦，而边缘相邻的三角形所对应的三和弦拥有者同样的音高。简单来说，若按照调性网络的规律排布，所发出的音调与三和弦会显得更为平滑而细腻，我们正是选取了调性网络中一些相近且具有代表性的音调来使用(如图5所示)，并让顶面的7个感应区域如网格中那样排布，才使得使用者在不同单音或和弦之间进行来回切换的时所发出的声音不会显得突兀，反而更为自然。

本实用新型的系统构成图如图6所示，乐器内部包括微控制器，一张Micro SD卡，Micro SD卡接口模块(即存储卡接口模块)，扬声器，数字功放模块和一个为微控制器供电的电源，其中微控制器用于连接和使用其他功能模块，并利用已有算法(音频转换算法，触摸感应算法和悬浮感应算法)将数据进行分析处理；Micro SD卡用于存储电子乐器所需音源文件，以保证音源的质量和稳定；Micro SD卡接口模块用于读取卡中的音频文件；数字功放模块实现对音频信号的放大，并可以通过调节其放大倍数以调节扬声器播放音频时的音量大小。在本实用新型的一个实施例中，所述微控制器为Arduino Mega 2560，所述Micro SD卡是已经存储有对应音源文件的存储卡，所述数字功放模块为PAM8403，所述扬声器为4Ω/3W的扬声器，所述电源为5V直流电源。

通过将Micro SD卡接口模块、触摸感应模块、悬浮感应模块与微控制器进行连接，从而达到由Micro SD中获取音频数据和获取外界感应信息的目的，在获取输入数据后，再经过音频转换算法，触摸感应算法和悬浮感应算法对原始输入数据进行分析与处理，若检测到被触摸或被靠近的信号，则读取Micro SD卡中与感应区域相对应的音频文件，经由数字功放模块对音频信号进行放大，最后由扬声器模块进行输出播放。

触摸感应模块和悬浮感应模块是由不同形状大小的铜箔纸组成的感应区域，并通过导线与微控制器相连。至于Micro SD卡接口模块则是用于接入Micro SD卡，并将接口转化为易于操作的SPI硬件接口，包括MOSI管脚，MISO管脚，SCLK管脚，CS管脚以及用来提供电源的VCC管脚和GND管脚。MOSI管脚用于从设备数据输入，主设备数据输出，MISO管脚用于从设备数据输出，主设备数据输入，SCLK管脚由主设备提供时钟信号，最大频率为fPCLK/2，从模式频率最大为fCPU/2，而CS管脚由主设备控制，提供从设备使能信号。

本实用新型采用的算法均为现有技术，下面仅介绍一下各个算法在本实用新型的具体应用情况。

音频转换算法主要基于Micro SD卡读取算法，读出卡里面的音频文件列表，对选定的音频文件进行解码，得到音频的波形数据，最后利用PCM编码原理输出PWM波模拟音频的波形(将输出引脚接到扬声器上即可播放声音)。以下主要详细解释Micro SD卡读取算法。微控制器首先将CS管脚置为高电平，发送至少74个CLK周期来使Micro SD卡达到正常工作电压和进行同步，然后将CS管脚置为低电平，通过管脚MOSI发送CMD55并等待来自管脚MISO的接收成功信号0x01，接收成功后发送ACMD41并等待接收成功信号0x00，这样就完成了对Micro SD卡的复位和初始化。当需要读取Micro SD卡中的单个扇区时，先发送CMD17，并等待接收成功信号0x00，之后连续读取字节数据直到读到开始字节0xFE，接着读取512个字节扇区数据，最后读两个CRC校验字节完成读取。

通过Micro SD卡使用音频转换算法，可以读取数据的不同分区：MBR区、DBR区、FAT区、DIR区和DATA区。DIR(Directory)是根目录区,紧接着第二FAT表(即备份的FAT表)之后,记录着根目录下每个文件(目录)的起始单元,文件的属性等。读取文件时，首先需要获取DIR区中的根目录信息，通过根目录信息找到下一层目录所在簇位置，通过下一层目录信息递归找到文件所在目录，读取文件信息属性，得到文件的起始簇位置和文件大小，通过FAT表递归查找到文件的全部簇地址，最终以FF结尾；根据文件大小判断文件的结束位置，最后读取整个文件。

触摸感应和悬浮感应算法的基本原理相同，首先，微控制器先将与要测量的感应区域相连的引脚置为低电平，然后逐渐打开内部的上拉电阻，直到该引脚得到高电平，测量引脚从低电平到高电平转化所需的时间，这个时间会随着周围的电导环境变化而变化。为了操作方便，将时间设置为1到17的相对数值。在没有触摸该引脚时，返回的时间是一个固定的常值，将引脚外接到铜箔纸，当手指直接触摸时，测量到的时间会增加，利用这个原理可以有效的检测手指的触摸行为。当增大铜箔纸的面积到某种程度时，即使手指没有直接触碰到铜箔纸，也可在一定距离内影响数值的变化。有效范围内，手指离铜箔纸的垂直高度不同，测得的时间也会随之发生变化，根据这个原理可以判断手指的大致触摸高度。通过添加一个具有阈值的比较，便可以为高度判断设置层级，从而调整触摸感应的灵敏度，实现悬浮触摸的功能。

如图7所示，本实用新型所用硬件材料包括若干根杜邦线，一张用于存储音源的Micro SD卡与Micro SD卡接口模块4，扬声器7，数字功放模块3、Arduino Mega 2560微控制器6，以及为该微控制器供电的5V外接电源5，顶面2的7块感应区域1与侧面的6块感应区域。其中Micro SD卡接口模块4的SCK，MOSI，SD_CS，MISO四个管脚分别连接于微控制器6的Digital 52号引脚，51号引脚，4号引脚，50号引脚，数字功放模块3的信号引脚连接在微控制器6的Digital 44号引脚，扬声器7的正负极连接到数字功放模块3的右声道(也可以选用左声道)的两个引脚上，而Micro SD卡接口模块4和数字功放模块3的正负极引脚都与微控制器6的5V引脚和GND引脚直接相连；7块顶面2的感应区域分别与微控制器6的Digital 45号引脚，43号引脚，41号引脚，39号引脚，37号引脚，35号引脚，33号引脚相连；6块侧面感应区域7分别连接在Digital 9号引脚，10号引脚，22号引脚，6号引脚，11号引脚，3号引脚。在使用前，用需要5V的外接电源5通过电源线接入微控制器的B型USB供电口为微控制器6供电，等微控制器6正常启动后，它会先将一些必要的变量进行初始化，并对其他模块进行检测，若发现其他模块工作异常，则会在串口监视器返回对应错误消息。若工作环境正常，微控制器6便会调用触摸检测算法和悬浮检测算法，先将与感应区域1和2所对应引脚置为低电平，然后通过操作微控制器6内部的上拉电阻，使得这些引脚逐渐拉高到高电平的状态，并通过算法返回该过程用时的相对时间，作为电容大小参考值(若引脚被触摸，该过程用时会明显上升)。然后对每一个对应引脚进行检测，一旦检测到某一个或几个特定引脚的电容大小参考值达到了预先设定的电容检测阀值，微控制器6便开始调用音频转换算法，利用Micro SD卡接口模块4读取Micro SD卡，并根据之前检测算法所返回的特征值通过散列算法在卡内音频文件中找到与之相对应的文件进行读取，最后通过数字功放模块3和扬声器7实现音频的播放。另外，我们使用了标志位数组对触摸和悬浮感应功能进行了优化，当使用者将手或其他导体一直提留在某一触摸区域时，微控制器6通过对应检测算法可以检测到这一行为，因而不会由于使用者在某一触摸区域时间停留太久而影响使用体验。

如图8所示，主体材料为瓦楞纸，顶面2是7块由铜箔组成的感应区域(如图3所示)，六棱柱的6个侧面1外层为六色卡纸，内部有表面积较大的铜箔纸固定于在瓦楞纸和卡纸之间。该六棱柱模型为中空结构，内部有两个：第一夹层8和第二夹层9，之所以增加两个夹层，一方面是为了六棱柱更加稳定，起到一定的内部支撑作用，而另一方面是为了减少其他模块工作时对微控制器6的电容检测产生的干扰，以避免产生误判的情况。微控制器6固定于第一夹层8的上端，通过若干根20cm的杜邦线与顶面2和侧面1上所有的感应区域直接相连，并为第一夹层8与第二夹层9的背面的Micro SD卡接口模块4、扬声器7和数字功放模块3供电以及传输信号；数字功放模块3置于第二夹层9的底部，便于使用者通过调节旋钮的方式改变输出音量大小；而处于最下端的是外置5V直流电源5，通过电源线连接的方式为微控制器6供电。