（计算机应用技术专业论文）新型键盘电子乐器的研究与设计实现.pdf

新型等盘电子乐器的研究与设奠誊7 i 中文摘要 计算机音乐在我们的生活中是随处i i 丁见的，当今很多音乐的制作便脱离了真 键盘电子乐器经历了从传统键盘乐器到电子键盘乐器的成功转型，它无论从音色、 计目标。 置是固定的，演奏者不需要变换指法，每个键上可以标记有简谱的音名。调性的 关键字：电子琴，新型键盘，单片机，m i d i 技术 t h er e s e a r c ha n dd e s i g nim p l e m e n t a t i o no f l a t e - m o d e lk e y b o a r de l e c t r o n i cm u s i c a l in s t r u m e n t a b s t r a c t c o m p u t e rm u s i cc a nb ps e e ne v e r y w h e r ei no u rl i f e ，t h ec r e a t i o no fm a n yk i n d so f m u s i ch a sb e e ns e p a r a t e df r o mm u s i c a lp e r f o r m a n c ea tp r e s e n t i tw a sr e p l a c e db y c o m p u t e rm u s i c ，w h i c hw a sc r e a t e db yc o m p u t e r k e y b o a r d e l e c t r o n i cm u s i c a l i n s t r u m e n th a st r a n s f o r m e ds u c c e s s f u l l yf r o mt r a d i t i o n a lk e y b o a r dt oe l e c t r o n i c k e y b o a r d i tw i l lb e c o m eap r e f e r r e da n dm a i n s t r e a mi n s t r u m e n tb e c a u s eo fi t st i m b r e ， m e l o d ya n dp e r f o r m a n c e f r o mt h er e s e a r c ho ft h i st e c h n o l o g ya th o m ea n da b r o a d ， t h es t u d ya n dr e a l i z a t i o no fk e y b o a r de l e c t r o n i cm u s i c a li m m a n e n tw i l lb e c o m ea d e s i g ng o a l ，w h i c hi st h em o s tf a v o r i t e f o rt h ed e s i g n e r s 。t h eg e n e r a lk e y b o a r de l e c t r o n i cm u s i c a li n s t r u m e n to f t e na d o p t sp i a n ok e y b o a r d ， t h e r ei s12k e y si ne v e r y8r a n g ec o m p a s s a m o n go ft h e m ，i tc o n c l u d e s7w h i t ek e y a n d5b l a c kk e y t h ep i t c hi n t e r v a li sm i n o rs e c o n do fe q u a lt e m p e r a m e n tb e t w e e n e v e r ya d j a c e n tk e y b o a r d t h i sl 【i n do fk e y b o a r dm a k ee l e c t r o n i ck e y b o a r dp l a yt h e m u s i cw i t ha r b i t r a r yt o n a l i t y , a l t h o u g hi th a sap l e n t yo fo b v i o u ss h o r t c o m i n g s - - p l a y i n g i ss od i f f i c u l ta n ds p e c i a l i z e dr e q u i r e m e n ti ss os t r i c t i i nm yd e s i g niu s et h en e wk e y b o a r de l e c t r o n i ci n s t r u m e n t ，w h i c hi sa sf o l l o w s ：i t c a n c e l l e da l lb l a c kk e y s ，t h a ti s ，t h e r ea r eo n l y7k e y b o a r d si ne v e r y8r a n g ec o m p a s s t h i sm e t h o dr e d u c e st h en u m b e ro fk e y b o a r d ss h a r p l y t h ep l a c eo fk e y n o t e 1 i s f i x e do nt h i sk e y b o a r d ，t h ep l a y e rd o n tr e q u i r ec h a n g i n gf i n g e r i n ga n ym o r e ，a n do n e v e r yk e y b o a r dw cc a nm a r kn u m e r a ln o t a t i o n sp i t c hn a m e t h ec h o i c eo ft o n a l i t y c o n s i s t so fag r o u po fi n t e r l o c ks w i t c h i nt h i sd e s i g n ，w ec a nc h o o s e8t o n a l i t i e st ou s e ， s u c ha sc 、d 、撑e 、e 、f 、g 、a 、b t h ew h o l es y s t e mc i r c u i ti sc o m p r i s e do f t h em a s t e r c h i pa t 8 9 c 51 ，t h eu a r t i n t e r f a c ec i r c u i t ，m i d is o u r c eo fs o u n da n dt h ek e y b o a r d s c a n n i n gm a t r i xm o d u l e a f t e rt h ed e s i g na n df a b r i c a t i o no fh a r d w a r ec i r c u i t , t h e s i m u l a t i o na n dp r o g r a m m i n go fs o f t w a r e ，i ta c h i e v e st h ed e s i g n sa i m - - p l a y i n gt h e m u s i co nt h en e wk e y b o a r de l e c t r o n i ci n s t r u m e n t b a s e do nt h es p e c u l a t i o nk n o w l e d g eo fc o m p u t e rm u s i ca n dm i d it e c h n o l o g y , i n - a d d i t i o n ，t h e r ei sau n i q u ek e y b o a r dd e s i g na n das i m u l a t o rc a l l e dw e i f ud e v i s e d f u n c t i o np r o g r a m ，t h i sd e s i g nh a sa c h i e v e di n h e r e n tf u n c t i o no fe l e c t r o n i co r g a n a n di e x p l o r e dp r e l i m i n a r yi nt h ee l e c t r o n i co r g a nf i e l d f r o mh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，t h e r e s u l ti sr e f l e c t e di n3a s p e c t s f i r s t ，t h i sd e s i g nr e g a r d e da t 8 9 c 5 1a sm a s t e rc o n t r o lc h i p ，w h i c hc a nb ec o n t r o l t h ep e r i p h e r yc i r c u i t a n diu s e d27 4 l s 14 8c h i p si no r d e rt oe x p a n d14e x t e r n a l i n t e r r u p ts o u r c e s f i n a l l y , i ta c h i e v e se l e c t r o n i co r g a n sd e s i g ni n d i v i d u a l i t y s e c o n d a f t e rp r o c e s s i n ga n de d i t i n g ，w eu s e d t h en e wm i d ik e y b o 盯d c a n c e l l i n g5b l a c kk e y b o a r d s it o o kag r o u po fi n t e r l o c ks w i t c ha st o n a l i t ys e l e c t i o n k e y , w h i c hi su n p r e c e d e n t e di nt h ed e s i g nh i s t o r yo f e l e c t r o n i co r g a n t h i r d ，i nt h ea t a g eo fs o f t w a r ed e s i g n ，w ec a l ls e em a i np r o g r a mi ss i m p l i f ya n d b a n t a m t h e r ea r es om a n yi n t e r r u p tp r o g r a m s ，a l t h o u g hi ti sm o r et r o u b l e s o m e ，i t m a k et h ew h o l es y s t e mf i tt h ep e o p l e so p e r a t i o nh a b i t 。 k e y w o r d s ： e l e c t r o n i co r g a n , mid it e c h n o l o g y 第二章 2 1 2 2 第三章 3 1 3 2 目录 键盘电子乐器原理与应用：3 键盘电子乐器基本原理3 2 1 1 早期的电子琴：4 2 1 2 现代电子琴5 电子琴的应用6 计算机音乐基本原理一7 计算机音乐的内涵及历史网顾8 3 1 1 计算机音乐的内涵。8 3 1 2 计算机音乐的历史同顾：8 3 1 3 本次设计中用到的基本乐音知识9 m i d i 相关知识9 3 2 1 卢音信号数字化9 3 2 2m i d i 简介1 0 3 2 3m i d i 硬件规范1 1 3 3m i d i 消息标准：1 2 3 3 1 通道m i d i 的音色1 2 3 3 2m i d i 指令格式1 2 3 4 本设计中涉及到的m i d i 指令1 4 第四章系统硬件设计与仿真1 5 4 1 系统硬件实现原理1 5 4 2a t 8 9 c 5 1 单片机+ 1 6 4 2 1 单片机a t 8 9 c 5 1 的特点：1 6 4 2 2 单片机a t 8 9 c 5 l 的引脚及其功能介绍1 7 4 3v s l l 0 3 芯片简介o 。1 9 4 3 1v s l l 0 3 主要性能1 9 4 3 2v s l l 0 3 内部结构图1 9 4 3 3v s l l 0 3 引脚及其功能2 0 4 47 4 l s l 4 8 芯片简介i 2 2 4 4 1 7 4 l s l 4 8 主要性能一2 2 4 4 27 4 l s l 4 8 引脚及其功能2 2 4 4 37 4 l s l 4 8 的硬件电路。2 3 4 5 系统硬件的制作2 4 第五章系统主要软件模块的设计实现2 6 5 1 系统主程序流程2 6 5 2 中断及其中断系统2 8 5 2 1 中断控制2 8 1 2 2 3 5 2 2 单片机外部中断源的扩展3 0 5 3 键盘扫描的软件实现_ ：3 3 5 3 1 读取键值的方法3 3 5 3 2 键值的计算方法3 3 5 3 3 键盘扫描中断程序3 4 5 3 4 键盘扫描中断源程序3 5 第六章系统的测试与总结3 9 6 1 系统的软硬件测试3 9 6 2 总结与展望4 0 参考文献：+ 4 2 附录一4 3 附录二4 7 新璎键盘电子乐器的研究与设计实现 第一章绪论 1 1 传统键盘乐器 随着电子乐器在现代社会中越来越多的应用，国内外很多企业与机构开始关 注这一行业。键盘乐器在其发展历程中经历了从传统键盘乐器到电子键盘乐器的 成功转型。随着技术的发展，现在的电钢琴已经不是5 年前的电钢琴了，电钢琴 已经进入了成熟期，在国外，电钢琴的销售量已经远远超过了传统钢琴。其手感 好，音准好，各键的音色也一致。因此，键盘电子乐器无论从音色、音律及其性 能各方面都会成为未来键盘乐器市场首选和主流的乐器。从国内外对该技术的研 究与探索来看，对电子键盘乐器的研究与创新也将成为很多设计人员青睐的设计 目标。 7 键盘乐器是有排列如钢琴键盘的琴键之乐器总称。在键盘乐器家族中，所 、 有的乐器均有一个共同的特点，那就是键盘。但是它们的发声方式却有着微妙的 不同，如钢琴是属于击弦打击乐器类乜1 ，而管风琴则属于簧鸣乐器类，而电子合 成器，则利用了现代的电声技术，等等。键盘乐器相对于其他乐器家族而言，有 其不可比拟的优势，那就是其宽广的音域和可以同时发出多个乐音的能力。正因 如此，键盘乐器即使是作为独奏乐器，也具有丰富的和声效果和管弦乐的色彩。 键盘乐器上每个琴键都有固定的音高口1 ，因此可用以演奏任何符合其音域范 围的乐曲。琴键下常有共鸣管或其它可供共鸣的装置。演奏家在使用键盘乐器时 不是直接打击乐器的弦来产生震荡，而是使用琴键，通过乐器内的机械机构或电 子组件来产生音响。 传统的键盘类电子音乐装置如电子琴、m i d i 键盘控制器等，除了键的宽度和 键数可能有所不同外，无一例外地采用了钢琴的琴键排列方式，在每个8 度音内 有1 2 个琴键，其中7 个白键，5 个黑键，每个相邻琴键之问的音程为十二平均律 的d - 度，这样就使得键盘式电子琴能够演奏任意调性的乐曲。 所以，从古至今，键盘乐器倍受作曲家们和音乐爱好者们的关注和喜爱。 1 2 本课题研究的意义 虽然传统的键盘类乐器技术已经非常的先进和成熟，但它们也有着明显的缺 点：演奏的难度很大，对专业的要求很高。因为对于不同的调性，主音“1 在键 盘上的位置都不同，有可能在白键上，也有可能在黑键上，这样导致的结果是： 能够真正学会电子琴演奏的人很少，往往是从儿童起经过若干年的专业训练才会 青海师范大学硕士学位论文 具有一定的演奏技能，这样无形中就将很多非专业人士拒之门外了。这也是电子 琴很难真证普及发展的原因之一。在电子琴的发展领域，也有很多知名的企业已 经生产了很多成熟的电子琴设备，但是本设计课题的研究还是有其独特的意义的。 首先，其意义在于它的“新 ，所谓新型，是指就一般通用的1 2 琴键键盘来 说，新的键盘上取消了5 个黑键，每个8 度音内只有7 个琴键，大大减少了琴键 的数量。这种键盘上主音“l ”的位置是固定的，演奏者不再需要变换指法，每个 键上标记有简谱的音名，如l234567 等等，这样只要是知道简谱的人就可 以方便地使用这种键盘，经过相对简单的联系就可以演奏一般的乐曲了。为了使 键盘能够在不同的调性下使用，这里增加了一组互锁开关，开关的每一位都与一 个确定的调对应，确保了键盘上的主音“1 为该调的主音。 其次，它的设计意义在于当前各大公司只是将他们的乐器作为市场上的商品 来卖，但是它里面含有的技术知识是从不外漏的。本次设计从现有电子琴的功能 出发，设计各种电路实现了它的基本功能，这在一定程度上来说，便是一种自我 创造了。 1 3 论文章节安排 ， 本论文以电子键盘为出发点，通过键盘扫描码的识别及音色、节奏的选择， 实现系统功能。章节安排如下： 第一章绪论 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 键盘电子乐器原理与应用 计算机音乐基本原理 系统硬件设计与仿真 系统主要软件模块的设计实现 系统的调试与测评 总结与展望。 2 新型键盘电子乐器的研究与设计实现 第二章键盘电子乐器原理与应用 2 1键盘电子乐器基本原理 2 1 1 早期的电子琴 传统乐器的声音是通过机械的方法产生的，电子琴的声音是用“电”产生的。 如图2 1 是早期电子琴结构原理的方框图。 扬 毒 器 图2 一l 早期电子琴结构原理图 振荡器是根据需要产生一定频率的振荡信号f 2 】【引，振荡信号通过分频器分解 成不同频率的信号输送到放大器，放大器将信号放大，推动扬声器发出声音。键 盘实际是一些开关，如果没有键盘，许多种频率的信号一齐进到放大器里，通过 扬声器发出的声音就会乱七八糟，不成音乐。按下键盘的一支键，就等于接通一 只开关，只允许某一种频率的信号通过到放大器里去，扬声器就发出一个音来。 这样，按照一定的演奏规律来按键，就能奏出美妙的音乐来。 振荡器一般用晶体振荡电路产生振荡，通过必要的分频获得音阶信号。电子 琴使用二分频电路是音阶规律的需要。音乐中的基本音阶的频率是按照。定规律 排列的，以c 调为例，音阶中各音之间的频率( 单位为赫兹) 关系是： 1 = 2 6 4 2 = 2 6 4 x ( 垣) 23 = 2 6 4 ( 呃) 4 。4 = 2 6 4 ( 呃) 55 = 2 6 4 ( 呃) 7 6 = 2 6 4 ( 呃) 97 = 2 6 4 ( 呃) i = 2 6 4 ( 呃) 1 2 式中( 呃) ：1 0 5 9 。、 ， 可以看出，i = 2 6 4 ( 呃) 1 2 = 2 6 4 x 2 ，说明一个音的频率刚好是比它低八度音的 频率的两倍。所以，只要把一个音的频率除以2 就得到比它低八度的一个音的频率。 实现这一点就需要使用二分频电路。这样，只要振荡器产生一个标准音的频率信 号，如高音“l ”的信号，通过二分频就产生中音“2 ”的频率，再一次二分频就产生 3 青海师范大学硕士学位论文 低音“l ”的频率了。如果按照键盘上最高音组的频率制作七个振荡器，并将得到的 七个音阶信号分别二分频，便可得到低八度的一组音阶信号；再次二分频，就可 得到再低八度的一组音阶信号。依此类推，最后，就能得到键盘上所有的音阶信 号了。 2 1 2 现代电子琴 现代电子琴1 2 6 1 的工作原理如下所述：它是基于m i d i 技术，由同一个键盘发 不同的音符，然后发送该音符的m i d i 命令，然后经过声音合成器后发音。这与 早期的电子琴通过振荡、分频、再发出声音在本质上不同的。 m i d i 键盘【3 】，意思是能输出m i d i 信号的键盘，这种键盘自带了很多m i d i 信号控制功能。但是自己不带任何音色。可以外接硬件音源或者下载软件音源用 m i d i 键盘弹奏。其实物图如图2 1 所示。 图2 2 般的m i d i 键盘， m i d i 键盘主要用于音乐制作，因为它简洁的功能，可以随意扩展，一方面还 能节省很多资金，相对于合成器很多不实用或者不够专业的功能来说，m i d i 键盘 确实在扩展方面很实惠，而且现在很多m i d i 键盘自带了m i d i 控制器，比如a u d i ok e y s t a ti o np r 0 8 8 ，有了它，在m i d i 控制的环节甚至比很多高档合成器还要强 大。 由于虚拟乐器的存在，音乐人从此可以不需要那些昂贵的硬件合成器或电子 ：。鼓来获得声音了，只需要用一个设备来对虚拟乐器进行触发或演奏即可，因此m i d i 控制器诞生了m i d i 键盘本身并不能够发出声音，只是专门用来控制虚拟乐器 或是通过串接指令控制其它电子乐器来发出声音。而m i d i 控制器则可以使演奏呈 现多样化和人性化，如控制滤波器产生音色的明暗实时变化，或模拟一件吹奏乐 器的演奏气息变化。实际上，m i d i 键盘控制器就是一个去掉了硬件音源部分的合 成器。除此之外，这类m i d i 输入设备还有以吉他，吹管，提琴等形式存在，是诸 多音乐人和电子乐器演奏家的首选设备。 专业的双排键电子琴h 1 学名为电子管风琴，因演奏方式与管风琴相似而得名。 它的演奏方式使其具有了多声部用不同音色同时演奏的可能，从而可以模仿庞大 乐队的演奏效果。听上去丰富复杂的音乐，每一个音符却都是演奏者现场弹奏出 来的。它有强大的节奏编辑功能，可以自由编辑制作乐曲的打击乐部分。它的键 盘十分敏感，有触前感应，触后感应和水平触键感应等多种参数。这为表现乐曲 提供了更大空间，同时也提高了演奏者控制的难度。 4 新掣键盘电子乐器的研究与设计实现 的电子琴属中低端的“编曲键盘 ，中高端的编曲键盘在现代的流行乐队 要作用。而侧重于音乐制作的电子琴类成员叫做“电子合成器”。对于好 盘和电子合成器来说，人们可以自己编辑修改音色和节奏风格，甚至可 脑罩通过网络和别人分享这些音色节奏。运用了电子技术做成的手感像 的乐器叫“电钢琴”或“数码钢琴 。 电子琴的应用 电子琴( e l e c t r o n i ck e y b o a r d ) 是电声乐队的中坚力量，常用于独奏主旋律 并伴以丰富的和声，还常作为独奏乐器出现，具有鲜明时代特色。 常见的电子琴是普及型的，或业余型的。还有专业型的电子琴：立式，上面 两排手键盘，下面一排大号的双脚掌或和脚跟弹的键盘，还有一两个踏板和一个 膝盖靠挚。学名电子管风琴，在亚洲常称为双排键电子琴。这种琴才是电子琴诞 生是本来的样子。+ 起源于管风琴。电子管风琴的音乐节奏非常好，以至于可以自 由编辑制作。它的触键除了人们常知道的力度键之外( 触前) ，还有触后感应( 弹 下去之后再压键盘音量变大) 和水平触键感应( 像“揉弦 ) 。它不很强调自动 和弦，而提倡每一个乐音音符都是演奏者现场弹奏，难度非常大。它的效果很震 撼，大部分人们，甚至包括不少电子管风琴学习者，都可能听不出一首乐曲到底 是乐队演奏还是一架电子琴演奏。但是它存在的价值并不在于要取代传统乐器， 而是有自己的方向，为了让人们更好地驾驭音乐、享受艺术、陶冶情操、丰富生 活。这也是一切乐器的一个目的。 它属于电子乐器，发音音量可以自由调节。音域较宽，和声丰富，甚至可以 演奏出一个管弦乐队的效果，表现力极其丰富。它还可模仿多种音色，甚至可以 奏出常规乐器所无法发出的声音( 如合唱声，风雨声，宇宙声等) 。另外，电子琴 在独奏时，还可随意配上类似打击乐音响的节拍伴奏，适合于演奏节奏性较强的 现代音乐。另外，电子琴还安装有混响、回声、延长音、震音和颤音等多项功能 装置，表达各种情绪时运用自如。 电子琴的自动节奏部分，为老师给学生进行节奏感的教学提供了有利条件。 老师可让学生合着自动节奏反复打拍子，甚至可以运动身体，比如合着节奏踏步、。 走步，做操等，从中用心和身体去领略各种节奏的律动。 电子琴的演奏有较大一部分是通过自动和弦伴奏来配合完成的，在音乐中和 弦的连接推动了旋律地进行，不同的和声连接，形成了不同的音乐色彩。 电子琴有电子管风琴、编曲键盘、电子钢琴和电子合成器等四大分支。如图 2 3 所示。 5 青海师范大学硕士学位论文 图2 3 电子琴四大分支图 键盘式电子琴声音丰富、优美，有变音装置，能发出多种不同的音色，可以 作为独特的乐器进行演奏，还能代替传统的风琴、钢琴供音乐课教学。但电子琴 的局限性也十分明显：旋律与和声缺乏音量变化，过于协和、单一；在模仿各类 管、弦乐器时，音色还不够逼真，模仿提琴类乐器的音色时，失真度更大，还需 要不断改进。 虽然双排键在中国发展起步较晚，但它以卓越的演奏效果以及丰富的音乐表 现力正被越来越多的人们熟知并喜爱。 6 新犁键 ；| = 电子乐器的研究与设计实现 第三章计算机音乐基本原理 电子琴还存在着一些不可避免的不足，使得它的发展局限性很大， 业要求高，一般人都要从小学起，这会花费大量的时l 日j ，因此有必 进。在介绍新型电子琴的制作方法和使用之前，简要回顾一下计算 知识。 机音乐，人们一定不会感到陌生，因为无论是对于普通大众，还是 的人来说，它都已经深入到了社会生活的许多方面，是近代科学技 术带给人类的又一个惊喜和宝贵的财富。本章将简要介绍计算机音乐的概念、其 起源与历史、m i d i 的相关知识等，并简要介绍本次设计中用到的相关音乐知识。 3 1 计算机音乐的内涵及历史回顾 3 1 1计算机音乐的内涵 。 对于计算机音乐的概念【1 1 ，目前没有一个十分明确的定义。顾名思义，计算 机音乐就是将那些由计算机产生的，或与计算机技术有重要关联的音乐的统称。 这样，计算机音乐大体可以包括以下两方面的内容：一个是把模拟的音乐信号数 字化，由计算机进行加工、处理的数字化音乐，各种格式数字声频文件的产生、 编辑、播放都属于此类，如w a y 、m p 3 、w ma ，及m p e g x 中其他的声频层等； 另一个是借助计算机来进行音乐曲谱的创作、编辑以及统一格式音乐文件的制作， 由此而产生和传播的计算机m i d i 音乐，人们采用这种m i d i 音乐技术可以方便 的制作出m i d 音乐文件并在与计算机有关的设备中播放，或将其转换成数字声频 文件在更多的媒体中使用。 3 1 2 计算机音乐的历史回顾 计算机音乐1 2 4 儿2 5 】诞生的年代说起来并不很久远。世界上第一台计算机 “a l t a i r 8 8 0 0 于1 9 7 5 年问世，距今也只有3 0 多年，在这之前的2 0 多年虽然出 现了使用电子管和晶体管的计算机，但并没能普及应用到音乐领域，因为它们是 在是太过笨重和价格昂股。那时的计算机音乐几乎是热衷于探索和创新的音乐家 和计算机专家们用于研究的科学事业。2 0 世纪7 0 年代以后随着低价微处理器和 集成电路的出现，计算机音乐合成器逐步取代了模拟电子合成器，随着计算机技 术的不断成熟和p c 机的广泛使用，计算机音乐爿真正的发展起来。现在讲束， 计算机音乐是音乐完全被电脑创造出来的一种普遍种类。电脑供给，就如一个乐 7 青海师范大学硕士学位论文 器的功能或是一个作曲家，并且很明确干脆的修补音乐。膝上电脑正在越来越流 行和实用，大体上来看，电脑已经帮助计算机音乐比原来更流行了。 目i i i 认为，计算机音乐【l 】【3 l j ( 特别指m i d i 音乐) 与电子乐器的发展有着极大 的关联，是随着电予乐器中使用数字技术的需求而促成的。这罩不妨回顾一下电 子乐器的发展历程。最早的有实用价值的电子乐器可以说是2 0 世纪3 0 年代出现 的，在此之前，世界各地教会普遍使用管风琴演奏乐，这种管风琴靠风箱的风压 产生宏亮的声音，缸【它的体积如三层楼房般巨大。2 0 世纪3 0 年代后，美国、德 国、英国的发明家先后研究出利用电能的琴，由美国人l 哈蒙德【4 j 推出的机电式 风琴等到了推广和应用，被称为电子管风琴。而此时，日本也在进行该方面的模 仿研究，凭借新器件技术的发展，日本y a m a h a 公司于1 9 5 9 年制造出了世界上 第一台双排键电子琴。后随着电子琴市场的发展，继双排键之后，各种单排键的 电子琴也大量被研制开发出来，至此，电子琴技术和市场走上了一条先高端、再 普及化的道路。2 0 世纪6 0 年代后，数字技术进入电子乐器领域，引起了电子乐 器在演奏技术i 表现能力及方法以至于乐器观念等方面的重大变化。2 0 世纪7 0 年代末，电子乐器走出了价格昂贵、普及化不高的窘地，逐渐进入了小型化、市 场化、家庭化乃至个人化的境况，迅速渗透到了社会音乐生活的各个方面。后来， 由于日本具有全球最发达的电子乐器制造业，日本的y a m a h a 、c a s i o 等公司 成为了世界上电子琴领域的霸王。电子乐器的长足发展和普及应用，为当代计算 机音乐的诞生和发展奠定了基础。 随着电子乐器的数字化和小型化技术的不断成熟，p c 机的出现和个人化以 及m i d i 的诞生，才有了计算机音乐今天的发展和普及。 3 1 3 本次设计中用到的基本乐音知识 l 、十二音平均律( t w e l v e - n o t et e c h n o l o g y ) 把八度音程均匀地分成1 2 个相等倍频程间距，相邻音的频率比为2 “1 2 。平均 律音程是音律测定与计算中的数学框架。 2 、调号( k e ys i g n a t u r e ) 、 意指音阶具有一定的高度时，第。音( 主音) 的位置，固定在某一音名上， 如c 大调就是以c 音当做主音的大音阶调子。 3 、升降记号 如果某个音临时升、降，只要在音符左上角标记升记号“ ”或降记号“b 就 可以了。 4 j 节奏型，在歌曲中反复出现的有一定特征的节奏叫做“节奏型”。节奏型在 音乐表现中具有很重要的意义。本次设计中运用了如华尔兹、进行曲、迪斯科、 8 频率问隔、不断地获取 果采样频率足够高，恢 量化( q u a n t i z a t i o n ) ：将连续的信号幅度离散化。如果幅度的划分是等间隔的， 称为线性量化，否则为非线性量化。如图3 2 所示。 声音的数字化实际上就是声音的采样和量化。 3 名 强 1 7 i 3 暑 强 1 7 l oi2 3l 567 8 o l23 5678 图3 - 1 声音数字化采样过程图3 - 2 声音数字化量化过程 3 2 2midi 简介 m i d i t 7 】1 8 i ( m u s i ci n s t r u m e n td i g i t a li n t e r f a c e ，电子乐器数字接口) 是用于在 各种电子乐器、音乐合成器( m u s i cs y n t h e s i z e r s ) 之间以及乐器与计算机之间交 换音乐信息的标准。是2 0 世纪8 0 年代初为解决电声乐器之间的通信问题而提出 的自问世至今，m i d i 经历了长时间的发展，现已成为电脑音乐的代名词。 m i d i 仅仅是一个通信标准，它是由电子乐器制造商们建立起来的，用以确 定电脑音乐程序、合成器和其他电子音响的设备互相交换信息与控制信号的方法。 m i d i 传输的不是声音信号，而是音符、控制参数等指令，它指示m i d i 设备要做 什么、怎么做( 如演奏某个音符、加大音量、生成音响效果) 等。m i d i 不是声 音信号，在m i d i 电缆上传送的不是声音，而是动作指令。它们被统一表示成m i d i 消息( m i d im e s s a g e ) 。传输时采用异步串行通信，标准通信波特率为 3 1 2 5 x ( 1 士0 0 1 ) k b a u d 。m i d i 设备通过m i d i 接口发送数字编码来互通信息，这 些编码相当于音乐中的乐谱，他们包含音符、节拍、乐器种类及音量等各种音乐 9 青海9 币范大学硕士学位论文 要素的信息，相关设备的合成器接收到这些数字编码后，通过解码即可生成指定 的音乐。m i d i 协议于1 9 8 2 年由多家电子乐器制造商共同协商而指定施行，并于 次年推出1 0 版本，1 9 9 1 年有了g e n e r a lm i d i ，凡符合该协议的乐器和接口设备 都可称为标准m i d i 设备，通常印有g e n e r a lm i d i 标志。 通常一个标准的m i d i 有1 6 个通道，分别用旺1 5 表示通道号，各通道之间 是相互独立的。每个通道可使用一种音色，共有1 2 8 中种音色可供选择。m i d i 还舰定了打击乐使用通道1 0 ，共可选择4 7 种打击乐器，而其他通道的音色可以 通过m i d i 命令进行设置或改变，各通道可以使用相同或不同的音色。合成器根 据m i d i 信息产生乐音，其方法主要有两个：一种是f m 合成法，另一种是乐音 样本合成法，也称为波形表合成法，这种方法目前是主流。 m i d i 技术的主要优点是它生产的音乐文件尺寸很小，因而易于存储、流通 和加工，这是因为由m i d i 标准产生的数字编码文件，其内容仅仅是音乐命令而 声音波形。但是，随着现在很多存储和加工技术的发展，m i d i 的这一优点也慢 慢的在减弱。 3 2 3 di 硬件规范 m i d i 协议【8 1 提供了一种标准的和有效的方法【1 】【4 】，用来把演奏信息转换成电 子数据在m i d i 设备问传送。国际m i d i 协议出版的m i d i1 0 规范对m i d i 协议 作了完整的说明。 协议规定m i d i 数据流是单向异步的数据位流( b i ts t r e a m ) ，其速率为 3 1 2 5 k b s ，每个字节为1 0 位( 1 位开始位，8 位数据位和1 位停止位) ，脉冲周期 为3 2 0 u s 。m i d i 乐器上的m i d i 接口通常包含3 种不同的m i d i 连接器，用烈( 输 入) ，o u t ( 输出) 和t h r u ( 穿越) 。m i d i 数据流通常由m i d i 控制器( m i d i c o n t r o l l e r ) 产生，如乐器键盘、吉他或其他形式的控制器等；也常由m i d i 音序 器( m i d is e q u e n c e r ) 产生。m i d i 控制器是当作乐器使用的一种设备，它能把演 奏转换成实时的m i d i 数据流；m i d i 音序器则是一种允许m i d i 数据被捕获、存 储、编辑、组合和重奏的装置。来自m i d i 控制器或者音序器的m i d i 数据输出 通过该装置的m i d i o u t 连接器传送出去。 通常，m i d i 数据流的接收设备是m i d i 音源( 一种没有键盘的音乐合成器) ， 而在本系统中，该音源用了两种形式，一种是内置音源，另一种是外接音源。该 音源在m i d ii n 端e l1 9 】接收m i d i 信息( m i d im e s s a g e s ) ，m i d i 信息可以被认为 是告诉声音发生器如何演奏音乐韵指令，音源按照该指令把接收到的数据转换成 声音播放出来。 m i d i 硬件规范要求采用5 针d i n 连接器，用于m i d ii n 、m i d io u t 和 1 0 、 m i d i i n 乐 心ji m i d i 筱胃 合成器 i 智上厅心 i i i , 1 1 iu u i j 严f k v m i d i 装置 图3 - 4m i d i 装置间的连接图 3 3m idi 消息标准 3 3 1 通道di 的音色 1 9 9 1 年g m 标准最重要的作用就是制定了一份标准m i d i 乐器应当遵从的音 色排序表【l 】，共有1 2 8 种音色，包含了常用的乐器及一定音效，并规定了4 7 种打 击乐器在键盘上的对应位置。乐器音色的排序是按乐器的种类分为1 6 个组，每组 定义了8 种乐器音色，如附录一所示。当m i d i 合成器接收到乐器音色编号的m i d i 消息时，就会产生相应音色的乐音。乐音音高与音符值的对应如表3 1 所列。 表3 - 1音符值和音阶对应表 cc 撑dd 群ef钟 g秽 a耐b 0ol23 4 56 7 89l o i l l1 21 31 41 51 61 71 81 92 02 l2 2 2 3 22 42 52 62 72 82 93 03 l3 2 3 33 43 5 33 6 3 7 3 83 94 04 l4 24 34 44 54 64 7 44 84 95 05 l5 25 35 45 55 65 75 85 9 5 6 06 l6 26 3 6 4 6 56 66 7 6 8 6 97 07 l 67 27 37 47 57 67 77 87 98 08 l8 28 3 78 48 58 6 8 7 8 88 99 09 l9 2 9 39 49 5 89 69 79 89 91 1 0 11 0 21 0 31 0 41 0 51 0 61 0 7 9 1 0 81 0 9 l l o1 1l 11 21 1 31 1 4 1 1 511 6 1 1 7 1 1 81 1 9 1 01 2 01 2 l1 2 21 2 31 2 41 2 51 2 61 2 7 g m 标准还规定了打击乐器使用第1 0 通道，而旋律乐器使用第l 呻通道和 青海师范大学硕士学位论文 第ll 一1 6 通道，这是使用的时候要特别注意的。第l o 通道打击乐器的按键编号 如附录二所示。 3 3 2mld l 指令格式 按照m i d i 标准的规定1 7 1 1 引，所有m i d i 谁被均使用预先定义好的一系列m i d i 符号1 5 1 17 1 ，这些符号告诉音乐合成器如何动作指令，而不是实际的音乐声音，因 此这些m i d i 指令又被称为m i d i 消息( m i d im e s s a g e s ) ，或称为m i d i 事件。 m i d i 文件有很多信息构成的指令。一些信息，只由l 字节构成，有些有2 个字节，还有一些有3 个字节。有一类的m i d i 信息，甚至可以包含无限的字节 数。所有的信息有一点是共同的，那就是第一个字节的信息是状态。即一个m i d i 消息由1 个8 位的状态字节并通常跟着2 个数据字节组成。在状态字节中，最高 有效位设置成“1 ”，低4 位用来表示这个m i d i 消息时属于哪个通道，这4 位共可 表示1 6 个可能的通道，而其余3 位的8 种可能取值，用来表示这个m i d i 消息 是什么类型的消息。 m i d i 消息可分为通道消息( c h a n n e lm e s s a g e s ) 和系统消息( s y s t e mm e s s a g e