基于FPGA的3D电箫设计

莫蔚靖,马牧燕，栗兴良

（北京信息科技大学仪器科学与光电工程学院，北京 100192）

基于FPGA的3D电箫设计

莫蔚靖,马牧燕，栗兴良

（北京信息科技大学仪器科学与光电工程学院，北京 100192）

箫作为延续2000多年的乐器，一直有其独特的魅力，因其历史悠久而闻名于世。但横向比较其他电子乐器，基本没有任何突破性发展。现对如何设计一款基于电子电路为基础的、基于3D打印的箫进行研究，论述一个以FPGA为核心、可以根据使用者进行各种DIY的电箫系统，介绍相关编程、电路等问题的设计思路和具体的实现方案。

电子乐器；FPGA；3D打印；电箫

0 引言

箫，又名洞箫，吹奏乐器。这种单管竖吹的箫，早在汉代陶俑中已出现。其后的壁画、石刻中多有所见。汉代以前，横吹、竖吹的单管乐器统称为笛或篴，所称箫者是排箫。唐宋时期的尺八、箫管和竖篴，则是明清时期以至现代箫的前身。为区别横吹之笛，明代将竖吹之篴称为箫[1]。

传统乐器虽然有其独特的效果，如箫声动听迷人、婉转悦耳等，但随着各种国外新型电子乐器的兴起，传统乐器受到一定程度的影响，因此如果想提高中国传统乐器的竞争力，势必要与现代电子等高新科技结合，这样才能让民族乐器焕发出新的活力。

1 系统整体设计

本系统设计以的FPGA最小开发板作为电箫的控制单元，再加上对其的代码编程、外围硬件的搭建以及外壳的3D打印，从而构成电箫系统。

该系统由如下的模块构成：

外观模型：利用3D打印的便利技术，根据真实箫的外观进行1：0.75的比例进行外观设计，减少直接使用原材料（竹子）的制作难度。

控制系统：EP2C5T144最小系统有丰富的资源配置，4，608个逻辑单元， 最多有 142个可用管脚，119，808Bits的RAM，2个锁相环，并且最小系统配置了EPCS4的EPROM芯片（大小为4Mbit），板载50MHz有源晶振，完全能够满足系统的编程。

按键模块：音乐一般有8个可分辨的音色，为了使乐器发出8个音色以上，因此设置了8个按键，每个按键能够控制芯片发出8个不同频率的声音。

红外探测模块：为了简化电箫的吹奏难度，将红外感应替代演奏者吹奏，即演奏者的嘴贴近箫口触发电箫的使能端，才能按键发声。

音乐播放模块：通过搭建音乐播放芯片的外围电路，从而驱动喇叭播放不同频率的音乐。

系统的总体框图见图1。

2 外观设计

传统箫的外观形状已经传承了许久，因此其长度、重量、按口的间距非常适合人手的握持。为使用者能更容易把持，因此根据多次测试，将参考箫的原大小并最终确定设计的大小为原来的75%。箫孔的大小仅制作成按键按钮的大小，其中最后一个箫孔相对于原位置向右偏离2mm左右。

通过使用AutoCAD 2008设计电箫3D打印的外观，因打印机的打印尺度问题，最后考虑将整体的外观切分成4份，每份分开打印。电箫局部图如图2所示。

图1 系统总体框图

图2 3D电箫模型局部图

设计完电箫后，通过Maker Bot的3D打印机进行打印，在打印之前转换到机器适应的格式（.x3g），由于3D打印基于工艺熔融沉积制造（FDM）[2]，打印由下往上，因此尽量避免成型物体的打印内容下方比上方多。格式转换软件由Market Bot官方提供的MakerWare Bundle of Awesome，2.4.1.27版本。局部打印预览图如图3所示。

图3 局部打印预览图

3 系统硬件设计

硬件系统设计主要分为电源设计、按键设计以及音乐播放系统设计等几部分。

（1）3.3V电源电路

FPGA系统主要由3.3V电源电压供电，采用LM1117-3.3芯片主要具有价格便宜，线性电压稳定，具有1%的误差精度，温度范围在-40℃～125℃，有限流、过热切断等特点。电路如图3所示，通过两个22uf的电容，可以使两端电压更加平稳，增加系统稳定性。

图3 电源电路

（2）按键电路

为了能够独立发出8种不同的频率的声音，有两种方案可以选择，一种是独立按键，另一种是矩阵按键，但两种方式并没有多大的区别，FPGA芯片的端口丰富，因此选择使用第一种方案，使用独立的8个按键。电路图如图4所示。

图4 独立按键

（3）红外探测电路

通过红外二极管LED1发射的红外光，经过一段距离后，若是遇到相对粗糙的阻碍物，则会漫反射回去，被红外三极管Q1接收。Q1接收到的信号转换成电信号，再经由LM393对电信号进行比较，若Q1的电压比VR1滑动变阻器的电压值要高，则LM393输出高电平，反之，则输出低电平。调节滑动变阻器VR1，改变与电信号的电平比较，即在相对范围内改变系统的灵敏度。利用电平比较，达到以下效果：当接收到强的发射信号，系统输出低电平，没接受到信号，系统输出高电平[3]。LED0为电源指示灯，C1为滤波电容，R4作为上拉电阻使LM393处于工作状态。电路图如图5所示。

图5 红外探测电路

（4）音乐播放系统

音乐播放系统直接使用现成的音箱即可，在输出频率的FPGA板与音箱之间加一级电压跟随器，加强带负载能力。

4 程序设计

FPGA控制器的程序设计使用Verilog HDL语言，该语言来源于C语言，编程灵活，易学易用。编程的方向是让每个按键对应着不同的频率，当使能端使能，即红外探测器有信号输出，EP2C5T144接收到低电平信号，按键使能。程序设计流程如图6所示。

图6 程序流程图

以发出100Hz的音频为例，利用T=1/F（F为频率，T为周期），求得T=0.01s。

一个完整的周期中，高电平占总周期的50%，因此每经过0.005s，电平输出反转一次。

主要程序框架如下：

5 改进与发展

进一步改进的电箫将通过电子芯片的处理，使其现场表现能力更进一步，再利用多音效的叠加，减少音涩等箫声问题，提高观众对箫声的欣赏程度。当前的按键控制FPGA发出不同频率声音，音色单一、干涩，但为研发音色百变、玩法多样的电箫提供了基础的实践经验。在音色改进方向，可以提前录制箫声并将其记录在芯片中，然后利用FPGA控制播放，这需要利用录音棚等场地要求，此外，可以增加固态存储功能，把演奏者演奏的曲目或自编的节奏花样实时存贮起来并立即复放出来[4]。有形按键仍然有缺陷，考虑到寿命、手感等因素，可以利用红外检测取代，即将无形的控制代替有形按键。最后在总体体积上进行压缩，把外设电路都集成进电箫中，配以蓝牙传输数据，使用独立电源供电等。这样稍微增加了电箫重量，但实用性将大大增长。

[1]袁静芳.中国传统音乐文化中的洞箫艺术[J].音乐研究，2000（1）：22

[2]李小丽，马剑雄，李萍，陈琪，周伟民.3D打印技术及应用趋势[J].自动化仪表，2014，35（1）：1-2

[3]仇国庆，红外控制装置的应用[J].仪器仪表用户.2009，15（6）：119-120

[4]电子乐器基础知识讲座[J].电声技术.1988（4）：69-70

Electronic Instruments;FPGA;3D Printing;Electric Vertical Bamboo Flute

Design of 3D Vertical Bamboo Flute Based on FPGA

MO Wei-jing，MA Mu-yan，LI Xin-liang
（School of Instrument Science and Opto Electronic Engineering,Beijing Information Science and Technology University，Beijing 100192）

As a music instrument,vertical bamboo flute has 2000 years history,because of its unique fascination.The vertical bamboo flute is famous for its long history in the world.According to compare with other electronic musical instruments,there is no breakthrough in the development.Introduces the design of electric vertical bamboo flute,which is based on the electronic circuit,3D printing and the core of FPGA.Discusses the method in details,which users can DIY a variety of electric vertical bamboo flute systems,the design of programming and circuit ideas.

1007-1423（2016）19-0046-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2016.19.012

北京信息科技大学本科生培养-大学生科研训练项目（No.71C1510822）、课程建设-现代电子技术课程建设项目（No. 2014KG18）、北京信息科技大学课程建设项目“基于任务驱动机制的学教互动教学模式改革与实践（No.2014KG18）

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莫蔚靖（1994-），男，北京人，本科，研究方向为光信息科学与技术专业

马牧燕（1961-），女，北京人，研究生，副教授，研究方向为信号与信息处理

栗兴良（1986-），男，山东临沂人，硕士研究生，研究方向为光电检测技术

2015-12-10

2016-06-25