CN101789238B

CN101789238B - 一种基于mcu硬件平台的音乐节奏提取系统及其方法

Info

Publication number: CN101789238B
Application number: CN2010100228467A
Authority: CN
Inventors: 杨鹏; 曾培峰; 金明; 程裕强
Original assignee: Donghua University
Current assignee: Donghua University
Priority date: 2010-01-15
Filing date: 2010-01-15
Publication date: 2012-11-07
Anticipated expiration: 2030-01-15
Also published as: CN101789238A

Abstract

本发明涉及一种基于MCU硬件平台的音乐节奏提取系统及其方法。本发明的系统包括程控增益模块、通信模块和依次连接的缓冲放大模块、模数转换模块和MCU控制模块，所述的程控增益模块和通信模块分别与所述的MCU控制模块相连。通过信号测频、节奏提取和程控增益等算法采集CD机、收音机等音响系统的音频信号，提取出音乐的节奏信号和输出音乐的能量，同时该系统具有和外界设备通信的接口，方便控制外界设备。本发明可应用于音乐玩具或家庭型音乐喷泉等微小型的音乐系统中。本发明具有系统体积小，便携性高，成本低，接口简单，控制方便等优点。

Description

一种基于MCU硬件平台的音乐节奏提取系统及其方法

技术领域

本发明涉及智能音乐情感分析领域，特别是涉及一种基于MCU硬件平台的音乐节奏提取系统及其方法。

背景技术

音乐节奏提取广泛应用于各种音乐系统中，小到市场常见的玩具，大到目前流行的音乐喷泉都用到音乐的节奏提取技术。播放音乐时，把音乐的节奏提取出来，去控制外围机械设备，使整个音乐系统的动作和播放的音乐节奏相呼应，即行为和声音同步，给人们视觉和听觉的享受。

近年来，随着计算机技术、通信技术以及多媒体技术的交互发展日趋成熟，计算机作为一种强大的计算分析工具不断渗透到社会的各个领域和生活的各个层面。人们也越来越期望能借助计算机来模拟、分析和表达人类的各种主观智能活动，比如人的思维、情感等等，来更好理解和复现作为社会主体的人的内心世界。随着计算机技术在多媒体领域充分的研究与应用，多媒体业务也因而取得了飞速的发展，并成为21世纪发展最快、规模最大的产业之一。而音乐作为多媒体音频数据中最重要的一种表达方式，它通过计算机把音乐各种基本要素进行巧妙组合，从而展现出一个丰富的情感世界，是一种表现人类情感的优雅艺术。悦耳的音乐不仅可以是人心情舒畅，还可以提高人的工作效率，甚至改善人们对生活的信念。因此，作为一种最贴近于人类思维的音乐领域，受到越来越多的计算机研究者们的关注。目前，在美国、西欧和日本的不少科研院所和大学相继成立了专门研究计算机音乐的机构。基于节奏在音乐表达中的重要地位和在多媒体应用的广泛性，节奏提取成为计算机音乐分析中一个重要的热点，在计算机多媒体及其他领域有着广阔的应用空间。

目前的节奏提取方案都基于个人计算机或大型计算机，这些机器具有丰富的硬件资源，处理大量数据复杂运算的能力，都有较高的检测精度。但是，在小型的音乐控制系统中，用户希望通过MCU系统实现音乐节奏提取和能量输出，以较低的成本获取较理想的控制效果。大规模，高成本的计算机控制系统就无法满足这样的需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于MCU硬件平台的音乐节奏提取系统及其方法，应用于音乐玩具或家庭型音乐喷泉等微小型的音乐系统中。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于MCU硬件平台的音乐节奏提取系统，包括程控增益模块、通信模块和依次连接的缓冲放大模块、模数转换模块和MCU控制模块，所述的程控增益模块和通信模块分别与所述的MCU控制模块相连；所述的缓冲放大模块用于接收音频信号并将其放大，去噪和整流；所述的模数转换模块用于将所述的缓冲放大模块输出的模拟信号转换为数字信号；所述的MCU控制模块用于控制系统运转并输出表示音乐节奏和音频能量的控制信号；所述的程控增益模块用于调节控制信号的音频能量的大小；所述的通信模块用于实现远程实时监控、提高系统的可扩展性和软件版本的升级。

所述的基于MCU硬件平台的音乐节奏提取系统的缓冲放大模块采用二级阻容耦合方式。

所述的基于MCU硬件平台的音乐节奏提取系统的模数转换模块为V/F转换器。

所述的基于MCU硬件平台的音乐节奏提取系统的通信模块采用串行通信方式与MCU控制模块相连。

所述的基于MCU硬件平台的音乐节奏提取系统的程控增益模块采用方便用户控制的旋钮接口与MCU控制模块相连。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：还提供一种基于MCU硬件平台的音乐节奏提取方法，包括以下步骤：

(1)用累计的方法测量信号周期；

(2)在K个信号周期内，比较出采样点频率的极大值，并作为节奏的可能点，其中，K＞1；

(3)通过对可能节奏点之间时间间隔的分析，去除干扰节奏点，以确定一个极大值作为节奏点输出。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：系统体积小，便携性高，应用场合较目前的节奏提取方案更加灵活；成本低，组成系统的元器件都是最常见的、性价格较高的芯片；接口简单，控制方便；与音乐文件格式无关，对节奏强的乐曲有较好的提取效果。

附图说明

图1是本发明基于MCU硬件平台的音乐节奏提取系统结构示意图；

图2是本发明的缓冲放大模块电路图；

图3是本发明的V/F转换器电路图；

图4是本发明的程控增益模块电路图；

图5是本发明的通信模块电路图；

图6是本发明的AT89C52单片机电路图；

图7是本发明的EEPROM电路图；

图8是本发明音频能量控制喷泉示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种基于MCU硬件平台的音乐节奏提取系统，如图1所示，包括程控增益模块、通信模块和依次连接的缓冲放大模块、模数转换模块和MCU控制模块，所述的程控增益模块和通信模块分别与所述的MCU控制模块相连；所述的缓冲放大模块用于接收音频信号并将其放大，去噪和整流；所述的模数转换模块用于将所述的缓冲放大模块输出的模拟信号转换为数字信号；所述的MCU控制模块用于控制系统运转并输出表示音乐节奏和音频能量的控制信号；所述的程控增益模块用于调节控制信号的音频能量的大小；所述的通信模块用于实现远程实时监控、提高系统的可扩展性和软件版本的升级。

所述的基于MCU硬件平台的音乐节奏提取系统的缓冲放大模块采用二级阻容耦合方式。如图2所示的缓冲放大模块电路图，第一级输入缓冲采用共射极跟随电路，利用电路的高输入阻抗能有效地提取信号，而低输出电阻能很好地匹配第二级的输入电阻。第二级采用共射极放大电路，通过合理调整其工作状态，综合实现信号放大、去噪以及整流功能。

所述的基于MCU硬件平台的音乐节奏提取系统的模数转换模块为V/F转换器。由于常规的A/D转换器，是对信号某一时刻的能量进行转换，且处理的数据量大。同时常规A/D转换器需要较多控制线和数据线，控制操作复杂，且大部分A/D转换器价格相对昂贵。考虑到本系统，是一个便携式的小系统，尽量要求各个模块通信线路简单，且芯片性价比要高，系统对信号转换不追求高速度，因此模数转换模块采用V/F转换器，图3所示的是V/F转换器电路图。

图4所示的是程控增益模块电路图，它采用方便用户控制的旋钮接口与MCU控制模块相连。由于不同风格的音乐，音频能量所处的水平不同，如舒缓的音乐能量水平低，激昂的音乐能量水平高。为了满足外界控制，需要人为的调整能量输出到一个适中的程度。通过对程控增益模块参数的修改，能够对能量输出有效地进行控制。其基本思想是通过判断当前控制旋钮的档位值与之前档位值的大小，决定对音频输出的能量是做放大处理或减小处理。也就是说，判断音频能量所处的水平是否大于预先设置的阈值，如果大于该阈值，则对音频输出的能量做放大处理；否则对音频输出的能量做减小处理。

所述的基于MCU硬件平台的音乐节奏提取系统的通信模块采用串行通信方式与MCU控制模块相连，如图5所示，本发明可通过RS485通信模块可以实现多计算机系统，构成音乐控制监控系统，实现远程实时监控。此外，通过该模块，能够直接对控制系统进行软件升级；进一步提高系统的可扩展性(如与连接存储器相连，扩大MCU硬件平台的存储容量)使其既可以作为独立的系统使用，又可以通过总线并入集散控制系统，成为集散控制系统中的子控制系统。

本系统MCU控制模块选用ATMEL公司的AT89C52单片机，其电路图如图6所示。所有软件算法需要烧写到AT89C52单片机中，由AT89C52单片机作为控制核心，控制整个系统的运转。

本发明的实施方式还涉及一种基于MCU硬件平台的音乐节奏提取方法，包括以下步骤：(1)用累计的方法测量信号周期；(2)在K个信号周期内，比较出采样点频率的极大值，并作为节奏的可能点，其中，K＞1；(3)通过对可能节奏点之间时间间隔的分析，去除干扰节奏点，以确定一个极大值作为节奏点输出。

具体地说，本发明的音乐节奏提取方法基于MCU硬件平台，利用硬件系统提供的资源，对经过硬件系统处理的音频信号进行算法处理。其主要功能是对经过硬件处理得到的音频信号进行音乐元素的识别和提取，并把提取的结果作为控制信号输出。算法包括信号测频、节奏提取。

信号测频算法：本系统采用累计的方法测量信号周期，如记录200ms内脉冲的个数以及第一个和最后一个脉冲的到来时间，计算出该段时间内信号的平均周期。利用计算结果，高速、低负载地计算音乐的速度。采用这种方法，每次发生硬件中断，MCU只要计数脉冲数，每隔200ms才处理一次周期计算，减轻了MCU的负担。

节奏提取算法：通常音乐信号的节奏点时刻即为出现能量极大值时刻。基于上述特点，本系统节奏提取算法原理为：在一段时间内(如若干个信号周期)，比较出采样点频率的极大值，作为节奏的可能点，然后通过对可能节奏点之间时间间隔的分析，去除干扰节奏点。如根据音乐节奏一秒钟左右出现一个节奏点的特点，将一秒钟内检测出的一个极大值作为节奏点输出。

下面结合具体的实施例对本发明作进一步地说明。

音乐的节奏输出控制喷泉花型。每个花型保持一定数量n个节奏点数，当n个节奏过后，根据花型的配置文件，执行下一个花型的动作。花型配置文件需要预先定义存放在通过通信模块与MCU控制模块连接的EEPROM中，图7所示的是EEPROM的电路图。当音乐喷泉启动后，系统调用花型配置文件，根据配置文件中的设置控制喷泉花型。每个花型配置都需要预设该花型包含的节奏数，MCU控制模块内部设有计数器，检测到一个节奏点，计数器值增加一，当计数器值与EEPROM中存储的花型包含的节奏数相等时，在下一个节奏点到来时调用下一个花型的配置文件，计数器重新开始计数。这样，不仅实现花型的变换，增加喷泉的娱乐性；而且实现了花型的变换是和音乐节奏点同步发生，使得音乐的节奏情感和喷泉动作协调一致。

音乐的音频能量控制喷泉各个喷头的水柱高度。音乐能量大，控制喷头水泵使水柱喷高；音乐能量小，控制喷头水泵减小扬程，其控制示意图如图8所示。图中，P₀-P_n为系统的I/O输出，根据花型配置文件控制喷头的开启和关闭；O₀-O₃为音频能量的数字输出端；D₀-D₃为变频器的数字输入端，根据输入的数字量控制输出的电压和频率；V_o为变频器的输出电压，去控制水泵的流量和扬程。

Claims

1.一种基于MCU硬件平台的音乐节奏提取系统，包括程控增益模块、通信模块和依次连接的缓冲放大模块、模数转换模块和MCU控制模块，其特征在于，所述的程控增益模块和通信模块分别与所述的MCU控制模块相连；所述的缓冲放大模块用于接收音频信号并将其放大、去噪和整流；所述的模数转换模块用于将所述的缓冲放大模块输出的模拟信号转换为数字信号；所述的MCU控制模块用于控制系统运转并输出表示音乐节奏和音频能量的控制信号；所述的程控增益模块用于调节控制信号的音频能量的大小；所述的通信模块用于实现远程实时监控、提高系统的可扩展性和软件版本的升级；所述MCU控制模块采用AT89C52单片机。

2.根据权利要求1所述的基于MCU硬件平台的音乐节奏提取系统，其特征在于，所述的缓冲放大模块采用二级阻容耦合方式。

3.根据权利要求1所述的基于MCU硬件平台的音乐节奏提取系统，其特征在于，所述的模数转换模块为V/F转换器。

4.根据权利要求1所述的基于MCU硬件平台的音乐节奏提取系统，其特征在于，所述的通信模块采用串行通信方式与MCU控制模块相连。

5.根据权利要求1所述的基于MCU硬件平台的音乐节奏提取系统，其特征在于，所述的程控增益模块采用方便用户控制的旋钮接口与MCU控制模块相连。

6.一种基于MCU硬件平台的音乐节奏提取方法，其特征在于，采用AT89C52单片机作为MCU控制模块，包括以下步骤：

（1）用累计的方法测量信号周期；

（2）在K个信号周期内，比较出采样点频率的极大值，并作为节奏的可能点，其中，K>1；

（3）通过对可能节奏点之间时间间隔的分析，去除干扰节奏点，以确定一个极大值作为节奏点输出。