基于FPGA的3D電簫設計

莫蔚靖,馬牧燕，栗興良

（北京信息科技大學儀器科學與光電工程學院，北京 100192）

基于FPGA的3D電簫設計

莫蔚靖,馬牧燕，栗興良

（北京信息科技大學儀器科學與光電工程學院，北京 100192）

簫作為延續(xù)2000多年的樂器，一直有其獨特的魅力，因其歷史悠久而聞名于世。但橫向比較其他電子樂器，基本沒有任何突破性發(fā)展?，F(xiàn)對如何設計一款基于電子電路為基礎的、基于3D打印的簫進行研究，論述一個以FPGA為核心、可以根據(jù)使用者進行各種DIY的電簫系統(tǒng)，介紹相關編程、電路等問題的設計思路和具體的實現(xiàn)方案。

電子樂器；FPGA；3D打印；電簫

0 引言

簫，又名洞簫，吹奏樂器。這種單管豎吹的簫，早在漢代陶俑中已出現(xiàn)。其后的壁畫、石刻中多有所見。漢代以前，橫吹、豎吹的單管樂器統(tǒng)稱為笛或篴，所稱簫者是排簫。唐宋時期的尺八、簫管和豎篴，則是明清時期以至現(xiàn)代簫的前身。為區(qū)別橫吹之笛，明代將豎吹之篴稱為簫[1]。

傳統(tǒng)樂器雖然有其獨特的效果，如簫聲動聽迷人、婉轉悅耳等，但隨著各種國外新型電子樂器的興起，傳統(tǒng)樂器受到一定程度的影響，因此如果想提高中國傳統(tǒng)樂器的競爭力，勢必要與現(xiàn)代電子等高新科技結合，這樣才能讓民族樂器煥發(fā)出新的活力。

1 系統(tǒng)整體設計

本系統(tǒng)設計以的FPGA最小開發(fā)板作為電簫的控制單元，再加上對其的代碼編程、外圍硬件的搭建以及外殼的3D打印，從而構成電簫系統(tǒng)。

該系統(tǒng)由如下的模塊構成：

外觀模型：利用3D打印的便利技術，根據(jù)真實簫的外觀進行1：0.75的比例進行外觀設計，減少直接使用原材料（竹子）的制作難度。

控制系統(tǒng)：EP2C5T144最小系統(tǒng)有豐富的資源配置，4，608個邏輯單元， 最多有 142個可用管腳，119，808Bits的RAM，2個鎖相環(huán)，并且最小系統(tǒng)配置了EPCS4的EPROM芯片（大小為4Mbit），板載50MHz有源晶振，完全能夠滿足系統(tǒng)的編程。

按鍵模塊：音樂一般有8個可分辨的音色，為了使樂器發(fā)出8個音色以上，因此設置了8個按鍵，每個按鍵能夠控制芯片發(fā)出8個不同頻率的聲音。

紅外探測模塊：為了簡化電簫的吹奏難度，將紅外感應替代演奏者吹奏，即演奏者的嘴貼近簫口觸發(fā)電簫的使能端，才能按鍵發(fā)聲。

音樂播放模塊：通過搭建音樂播放芯片的外圍電路，從而驅動喇叭播放不同頻率的音樂。

系統(tǒng)的總體框圖見圖1。

2 外觀設計

傳統(tǒng)簫的外觀形狀已經(jīng)傳承了許久，因此其長度、重量、按口的間距非常適合人手的握持。為使用者能更容易把持，因此根據(jù)多次測試，將參考簫的原大小并最終確定設計的大小為原來的75%。簫孔的大小僅制作成按鍵按鈕的大小，其中最后一個簫孔相對于原位置向右偏離2mm左右。

通過使用AutoCAD 2008設計電簫3D打印的外觀，因打印機的打印尺度問題，最后考慮將整體的外觀切分成4份，每份分開打印。電簫局部圖如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

圖2 3D電簫模型局部圖

設計完電簫后，通過Maker Bot的3D打印機進行打印，在打印之前轉換到機器適應的格式（.x3g），由于3D打印基于工藝熔融沉積制造（FDM）[2]，打印由下往上，因此盡量避免成型物體的打印內容下方比上方多。格式轉換軟件由Market Bot官方提供的MakerWare Bundle of Awesome，2.4.1.27版本。局部打印預覽圖如圖3所示。

圖3 局部打印預覽圖

3 系統(tǒng)硬件設計

硬件系統(tǒng)設計主要分為電源設計、按鍵設計以及音樂播放系統(tǒng)設計等幾部分。

（1）3.3V電源電路

FPGA系統(tǒng)主要由3.3V電源電壓供電，采用LM1117-3.3芯片主要具有價格便宜，線性電壓穩(wěn)定，具有1%的誤差精度，溫度范圍在-40℃～125℃，有限流、過熱切斷等特點。電路如圖3所示，通過兩個22uf的電容，可以使兩端電壓更加平穩(wěn)，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。

圖3 電源電路

（2）按鍵電路

為了能夠獨立發(fā)出8種不同的頻率的聲音，有兩種方案可以選擇，一種是獨立按鍵，另一種是矩陣按鍵，但兩種方式并沒有多大的區(qū)別，F(xiàn)PGA芯片的端口豐富，因此選擇使用第一種方案，使用獨立的8個按鍵。電路圖如圖4所示。

圖4 獨立按鍵

（3）紅外探測電路

通過紅外二極管LED1發(fā)射的紅外光，經(jīng)過一段距離后，若是遇到相對粗糙的阻礙物，則會漫反射回去，被紅外三極管Q1接收。Q1接收到的信號轉換成電信號，再經(jīng)由LM393對電信號進行比較，若Q1的電壓比VR1滑動變阻器的電壓值要高，則LM393輸出高電平，反之，則輸出低電平。調節(jié)滑動變阻器VR1，改變與電信號的電平比較，即在相對范圍內改變系統(tǒng)的靈敏度。利用電平比較，達到以下效果：當接收到強的發(fā)射信號，系統(tǒng)輸出低電平，沒接受到信號，系統(tǒng)輸出高電平[3]。LED0為電源指示燈，C1為濾波電容，R4作為上拉電阻使LM393處于工作狀態(tài)。電路圖如圖5所示。

圖5 紅外探測電路

（4）音樂播放系統(tǒng)

音樂播放系統(tǒng)直接使用現(xiàn)成的音箱即可，在輸出頻率的FPGA板與音箱之間加一級電壓跟隨器，加強帶負載能力。

4 程序設計

FPGA控制器的程序設計使用Verilog HDL語言，該語言來源于C語言，編程靈活，易學易用。編程的方向是讓每個按鍵對應著不同的頻率，當使能端使能，即紅外探測器有信號輸出，EP2C5T144接收到低電平信號，按鍵使能。程序設計流程如圖6所示。

圖6 程序流程圖

以發(fā)出100Hz的音頻為例，利用T=1/F（F為頻率，T為周期），求得T=0.01s。

一個完整的周期中，高電平占總周期的50%，因此每經(jīng)過0.005s，電平輸出反轉一次。

主要程序框架如下：

5 改進與發(fā)展

進一步改進的電簫將通過電子芯片的處理，使其現(xiàn)場表現(xiàn)能力更進一步，再利用多音效的疊加，減少音澀等簫聲問題，提高觀眾對簫聲的欣賞程度。當前的按鍵控制FPGA發(fā)出不同頻率聲音，音色單一、干澀，但為研發(fā)音色百變、玩法多樣的電簫提供了基礎的實踐經(jīng)驗。在音色改進方向，可以提前錄制簫聲并將其記錄在芯片中，然后利用FPGA控制播放，這需要利用錄音棚等場地要求，此外，可以增加固態(tài)存儲功能，把演奏者演奏的曲目或自編的節(jié)奏花樣實時存貯起來并立即復放出來[4]。有形按鍵仍然有缺陷，考慮到壽命、手感等因素，可以利用紅外檢測取代，即將無形的控制代替有形按鍵。最后在總體體積上進行壓縮，把外設電路都集成進電簫中，配以藍牙傳輸數(shù)據(jù)，使用獨立電源供電等。這樣稍微增加了電簫重量，但實用性將大大增長。

[1]袁靜芳.中國傳統(tǒng)音樂文化中的洞簫藝術[J].音樂研究，2000（1）：22

[2]李小麗，馬劍雄，李萍，陳琪，周偉民.3D打印技術及應用趨勢[J].自動化儀表，2014，35（1）：1-2

[3]仇國慶，紅外控制裝置的應用[J].儀器儀表用戶.2009，15（6）：119-120

[4]電子樂器基礎知識講座[J].電聲技術.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

北京信息科技大學本科生培養(yǎng)-大學生科研訓練項目（No.71C1510822）、課程建設-現(xiàn)代電子技術課程建設項目（No. 2014KG18）、北京信息科技大學課程建設項目“基于任務驅動機制的學教互動教學模式改革與實踐（No.2014KG18）

book=47,ebook=50

莫蔚靖（1994-），男，北京人，本科，研究方向為光信息科學與技術專業(yè)

馬牧燕（1961-），女，北京人，研究生，副教授，研究方向為信號與信息處理

栗興良（1986-），男，山東臨沂人，碩士研究生，研究方向為光電檢測技術

2015-12-10

2016-06-25