基于matlab的数字电子琴的完全指导手册.docx
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1. 概述
随着计算机软硬件技术的发展,越来越多现实物品的功能能够由计算机实现。
信号发生器原本是模拟电子技术发展的产物,到后来的数字信号发生器也是通过硬件实现的,本文将给出的则是通过计算机软件实现的数字信号发生器。
目前有许多功能强仿真软件(如LabView、EWB)提功了各种模拟信号发生器的功能,从而并没有多少人专门去开发数字信号发生器软件,即使是特殊功能的信号发生器也是基于仿真软件完成的,但是数字信号发生器的软件模块可以用来开发一些别的软件,如数字电子琴。
数字电子琴的编程实现已经有许多人已经做过了(例如基于BASIC的模拟电子琴[1]),也出现了很多功能较强大的模拟电子琴软件,如HappyEO、MidiPiano等。
2. 软件设计
2.1. 软件的功能
软件的功能由数字信号发生器和数字电子琴两部分组成。
(1)数字信号发生器的功能
能够产生正弦波、方波、三角波等常见的波形的数字信号,并且提供了图形界面用于选择波形、频率、幅值与相位。
能够根据用户指定的波形和参数产生相应的数字信号,然后将数字信号写入声卡的缓冲区,最后由声卡播放出相应的声音。
(2)数字电子琴的功能
数字电子琴的功能是基于数字信号发生器的,通过调用数字信号发生器产生一系列指定的频率的声音,从而达到虚拟的电子琴的功能,界面中包含A、B、…、O共15个琴键,鼠标按下时即发声,松开时发声停止。
2.2. 设计原理
数字信号发生器的功能就是将数字信号通过D/A转换变成所需要的模拟信号。
由于声卡本身具有D/A转换的功能,从而可以利用声卡在计算机了模拟信号发生器。
声卡的D/A转换机理是定时将声卡缓冲区中的内容转换成模拟信号并输出,所以软件所做的即是向声卡缓冲区中写数据。
以正弦信号为例,其模拟信号计算公式如下
为了实现数字信号的发生,在程序中先根据式
(2)计算出需要存放到缓冲区的数据,以数组的形式存放,然后将数据放入声卡的缓冲区。
对于其它波形,可以用类似方法实现。
对于方波,
式(3)
对于三角波,
式(4)
式中,x=fn/Fs+φ/2π。
软件的流程如图 1所示。
图 1 数字电子琴的流程图
2.3. 模块划分
模块化就是把程序划分成独立命名且可独立访问的模块,每个模块完成一个子功能,把这些模块集成起来构成一个整体,可以完成指定的功能满足用户需求。
根据人类解决一般问题的经验,如果一个问题由两个问题组合而成,那么它的复杂程度大于分别考虑每个问题时的复杂程度之和,也就是说把复杂的问题分解成许多容易解决的小问题,原来的问题也就容易解决了。
这就是模块化的根据。
在模块划分时应遵循如下规则[2]:
改进软件结构提高模块独立性;模块规模应该适中;深度、宽度、扇出和扇入都应适当;模块的作用域应该在控制域之内;力争降低模块接口的复杂程度;设计单入口单出口的模块;模块功能应该可以预测。
本着上述的启发式规则,对软件进行如图 2所示的模块划分。
图 2 数字电子琴的模块划分
各模块的实现将结合具体语言进行介绍。
3. VC编程实现
在VC中,MFC为界面设计提供了方便,本文采用MFC进行软件的实现。
3.1. 界面设计
根据软件的功能需求,可以设计如图 3所示的主操作界面。
图 3 数字电子琴的界面
主要包括三个部分:
第一个是琴键区,包含从A到O共15的音键,为了使程序易于扩充,音键应做成动态按钮;第二个是参数设置区,用于选择波形、频率、幅值和相位;第三个是图形显示区,用于显示波形。
3.2. 类的设计
在VC中新建一个基于对话框的MFC应用程序(工程名为DigitPiano)时,VC会自动生成三个类:
CAboutDlg,CDigitPianoApp,CDigitPianoDlg。
为了功能的实现,本文添加了三个类:
CSound,CPlayButton,CSoundButton。
下面分别介绍添加的三个类。
3.2.1.CSound类
声卡有一个声音缓冲区,这里面的内容就是要输出波形信息。
声卡每隔一定时间就把缓冲区的数据通过D/A转换器变成模拟的音频信号输出。
在windows下,访问这个缓冲区的标准方法就是通过directX的directSound,在这里你即可以直接向缓冲区写数据,也可以先写到directsound的声音缓冲区,在由操作系统将其送到声卡的缓冲区播放。
directsoound的缓冲区是环形的,所以,你只要向其中填写一次数据,系统就会不断地将其反复送到声卡的缓冲区中。
由于访问声卡的缓冲区是比较底层的操作,而且有许多参数需要设置,为了使发声操作变得容易,需要设计一个CSound类,将与发声有关的操作封装起来。
该类的定义如下:
#include
#pragmacomment(lib,"Winmm.lib")
#defineSAMPLE_RATE11025
#defineOUT_BUFFER_SIZE80000
#definePI3.141592653589793
enumSOUNDTYPE{ST_SIN,ST_SQUARE,ST_TRIANGLE};
classCSound
{public:
UINTStartAudio(intAudioDuration,intfreq,charamp=127,floatphase=0.0);
UINTStopGen(void);
voidFillBuf(SOUNDTYPEsoundtype,intfreq,charamp,floatphase);
UINTGenFreq(void);
UINTPrepareDevice(UINTuDeviceID);
UINTCloseDevice(void);
CSound();
virtual~CSound();
char*buf;
protected:
MMRESULTmmres;
HWAVEOUTghwo;
WAVEFORMATEX*pwfx;
WAVEHDRpwh;
};
可以看出,该类包含有5个成员变量,其中一个是缓冲区指针buf,另外四个用于初始化设备与关闭设备。
对声卡的初始化工作主要包括:
(1)向WAVEFORMATEX与WAVEHDR结构体中加入相关参数;
(2)执行waveOutOpen函数以指定参数打开音频设备,获得音频输出设备资源;(3)为buf分配动态内存空间;(4)执行waveOutPrepareHeader函数为第2步获得的资源配缓冲区。
具体操作很复杂,CSound类将其封装为一个初始化函数PrepareDevice。
对buf的操作,CSound类将其封装为FillBuf函数,功能是将指定波形、频率、幅值和相位的数字信号写入buf中。
以下是该函数的源码。
可以看出,该函数主要由三部分组成,分别用于实现正弦波、方波、三角波,具体算法在2.2中已经给出。
voidCSound:
:
FillBuf(SOUNDTYPEsoundtype,intfreq,charamp,floatphase)
{ doublefAngle=0.0;
inti;
if(amp>127)amp=127;
if(amp<0)amp=0;
switch(soundtype){
caseST_SIN:
//生成正弦波
for(i=0;i { buf[i]=(char)(amp*sin(fAngle+phase)); fAngle+=2*PI*freq/SAMPLE_RATE; if(fAngle>2*PI)fAngle-=2*PI; } break; caseST_SQUARE: //生成方波 for(i=0;i { buf[i]=(char)(amp*sin(fAngle+phase)); if(buf[i]>0)buf[i]=amp; elsebuf[i]=-amp; fAngle+=2*PI*freq/SAMPLE_RATE; if(fAngle>2*PI)fAngle-=2*PI; } break; caseST_TRIANGLE: //生成三角波 doublex=phase/2/PI; x=x-(int)x; for(i=0;i { if(x>=0&&x<=0.5) buf[i]=(char)(amp*(1-4*x)); else buf[i]=(char)(amp*(4*x-3)); x+=(double)freq/SAMPLE_RATE; if(x>1)x-=1; } break; } } 另外还有几个主要成员函数是GenFreq、StopGen、CloseDevice,分别用于开始发声、停止发声、关闭音频设备以释放资源。 其中CloseDevice在析构函数中被调用。 3.2.2.CPlayButton类 设计CPlayButton类的目的是响应鼠标按下与鼠标松开两个消息,因为MFC中直接使用CButton类是不能单独响应鼠标按下与鼠标松开两个消息的。 因此在该类中添加了两个消息响应函数OnLButtonDown和OnLButtonUp。 由于该类的对象都被初始化为CDigitPianoDlg的子窗口,故在两个新的成员函数中用GetParent获得父类对象指针。 另外,在CDigitPianoDlg类中,定义了一个CSound类型的成员变量m_sound,所以可以两个新的成员函数可以访问m_sound。 下面给出代码。 在OnLButtonDown中加入以下代码。 CDigitPianoDlg*pParent=(CDigitPianoDlg*)GetParent(); pParent->m_sound.FillBuf(pParent->m_soundtype,pParent->m_frequency, pParent->m_amp,(float)pParent->m_phase); pParent->m_sou
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