一种激光竖琴电路的设计

2011-08-16张丽华

电气电子教学学报 2011年5期

陈新，张丽华

(合肥工业大学计算机与信息学院，安徽合肥 230009)

0 引言

科技馆的激光竖琴，是一种利用激光信号有无(遮挡和无遮挡)作为输入信号，控制音乐芯片发出各种音符，来模拟竖琴的设备。

激光竖琴可以通过MP3模块播放竖琴音阶进行设计，但这种方式反应缓慢，很难奏出快速音符。激光竖琴还可以采用继电器控制音乐芯片进行设计，而这种方式的缺点是继电器的噪音很大。本文应用单片机直接控制电子琴音乐芯片进行发音，快速有效，既可以弹奏电子竖琴，也可以自动演奏电子竖琴音乐，如图1所示。图中激光传感器采用了M658D200激光器作为光发射器，IS486/485作为光接收器。控制器用32位单片机LM3S615，音乐芯片用YM-6100，功放采用KA2206芯片配两只3W/8Ω扬声器。其中IS486/485和KA2206芯片的外围电路采用相关的数据手册电路即可。

图1 激光竖琴电路方框图

1 单片机和音乐芯片的接口电路设计

YM-6100音乐芯片采用8行8列扫描按键方式发出64个音，这64个音符对应电子琴键盘按键的排列如图2所示。每个音阶黑、白键共12个，5组音阶另加4个音符，共64个按键。每个按键排列值在图的最下面一行。

图2 64键音乐芯片YM－6100的键盘编码

本设计的难点是:音乐芯片YM-6100内部也含有MCU，它的输入是8×8的行列按键矩阵，每行依次输出扫描信号，读取对应每行的8个列按键信号［1］，如图3所示。应注意，不能用TTL电平直接输给YM-6100的行列按键矩阵，YM-6100只能接收干触点信号［2］。这就牵涉到如何用单片机去完成一个行列按键矩阵的功能。我们把音乐芯片YM-6100的行扫描脉冲 AB0～AB7作为单片机LM3S615的中断输入，当 YM-6100扫描某行时，LM3S615发生中断并在中断服务程序中读取激光传感器信号［3］，译码后由PD口输出给YM-6100，控制其发什么音和不发音，如图4所示。(注:不发音时输给YM-6100的信号为0。)

图3 音乐片YM－6100的行列按键矩阵

图4 音乐芯片YM－6100和LM3S615连接

激光传感器信号也可以用硬件直接译码，如图5所示，用8片74HC373把 64个激光传感器TTL电平信号Y1～Y64译码为YM-6100的行列按键矩阵。其中AB0～AB7是YM-6100的第0～7行对应扫描脉冲，Y1输入对应第0行第0列按键输入D0，Y2对应第0行第1列按键输入D1，……Y8对应第0行第7列按键输入D7。当AutoPlay=1且扫描脉冲为AB0=1时，Y1～Y7被允许输出给YM-6100的D0～D7按键输入端，可以发出最低音阶12个音符的前8个音符。其它74HC373输入和发音原理类似。而来自单片机的信号AutoPlay是用来控制自动播放音乐还是手工弹奏，当AutoPlay=0时，D0～D7输出为高阻态，这时扫描脉冲 AB0～AB7使LM3S615中断，在中断服务程序中LM3S615只需按照预存的简谱音符，译码并通过PD口直接输出按键信号，进行单片机自动播放音乐。

图5 64个TTL电平输入译码为行列按键矩阵

2 自动播放音乐功能实现

我们可以通过编程让LM3S615自动播放音乐。音乐用简谱存储，用0.25秒定时器做一个最小时隙，表示1/4拍。简谱编码用十进制整型数(2字节)表示。对一个音符用:“－”表示升半调，“+”表示原调;对音符整数取绝对值后，个位为1、2、3、4、5、6、7表示音符，个位为其它值译为休止符;十位为0、1、2、3、4、5 分别表示该音符处在的音阶:低 2 音阶、低1音阶、中音阶、高1音阶、高2音阶、高3音阶，十位为其它值译为休止符;百千万位组合表示该音符时隙长度(即1/4拍得整倍数)，如图6所示。为了译码方便百千万位组合超过255，截取为255，即一个音符的时长最大为256*1/4=64拍(秒);超过范围的音符全部译为休止符，常数30000表示歌曲结束。例如:整数1237表示(高1阶)7，时长为12;－10247表示(高2阶)7#，时长为102;整数2299、整数2219、整数2219都表示休止符，时长为22等。

图6 简谱音符编码方式

如图7所示为《东方红》乐曲，其简谱可以编码为:int JP［］={425，225，226，822，421，221，216，822，425，425，226，231，226，225，421，221，216，822，30000};其中30000表示歌曲简谱数组结束。为了方便，译码后保存为2个数组:音符的行列扫描值数组HL［］、时隙长度数组Slots［］。行列扫描值为2字节无符号整型数，高字节为行扫描值，低字节为列按键输入值。时隙长度为无符号字符型数，是1/4拍的整倍数。

图7 《东方红》简谱

下面我们介绍译码函数的译码步骤。在函数decode()中:①先把单个简谱音符值Yinfu分解为原音和升半音、音符、音阶、音符时长;②计算音符对应的键盘按键排列值，公式为音符小于等于3时，为音阶*12+(音符－1)*2+升半调值;音符大于3时，为音阶*12+(音符－1)*2+升半调值－1;③将其译为音符时长和音符的行列扫描信号组合成的long型数，作为返回值，时长占D31～D16，行扫描占D15～D8，列扫描占D7～D0;④如果是休止符，则long型返回值为:时长占 D31～D16，行列为0xFFFF。

接着在另一个函数decodeSZ()中，译码一首曲子的音符数组，先判断JP［i］是否为30000，是则简谱译码结束，否则调用decode()函数进行简谱译码。用这种方式还可以对多声部的乐曲，多次这样做，最后把各个声部进行组合，就可以构成多声部乐曲。LM3S615单片机在自动播放音乐的时，依次读取各个音符的时长和行列扫描值，把行列扫描值输给YM-6100音乐片进行播放，当时长递减到零时，再读取下一音符同样进行播放。

在湖南科技馆钢琴喷泉项目设备中，我们使用了自动播放功能，还可以同时准确的控制喷泉和指示灯的开关，效果很好。