CN105372505A - 基于电容值测量距离的装置、方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于电容值测量距离的装置、方法及其应用，包括：形成电容器的金属板；测量金属板上电容的电容测量模块；根据电容值来判断演奏工具与金属板距离的距离数据转换模块。实时获取电容值，当前电容值大于最大阈值时，演奏工具与金属板直接接触；当前电容值小于最小阈值时，演奏工具超出设定测量范围；当前电容值介于最大阈值和最小阈值之间时，电容值越大，演奏工具与金属板之间的距离数值越小。本发明有效检测演奏工具与电子乐器之间的距离，以此通过演奏工具与电子乐器之间的距离来控制声音特征，进而丰富乐器的可控性及乐手的表现力。

Description

基于电容值测量距离的装置、方法及其应用

技术领域

本发明涉及电子乐器领域，特别是涉及一种基于电容值测量距离的装置、方法及其应用。

背景技术

随着人民文化生活的不断丰富，人们对音乐的要求也越来越高，相对地，对于乐器的要求也越来越高，其中不乏一些专业的音乐人士不惜重金求购高质量的乐器，在电子乐器逐步取代传统乐器的今天，人们对于电子乐器的质量和表现力的要求也越来越高。

电子乐器所指的是乐手通过特定手段触发电子信号，使其利用电子合成技术或是采样技术来通过电声设备发出声音的乐器，如电子琴、电钢琴、电子合成器、电子鼓等。

目前大多电子乐器通过演奏工具与电子乐器接触产生的振动判断演奏的力度，以此来控制声音特征，但是仅仅通过振动的频率和幅度作为控制声音特征的依据，这种形式本身比较单一，输出的乐音表现力也不够。如何提供各种不同的控制声音特征的依据，或对各依据进行结合以丰富电子乐器的表现力，已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。

为此本发明提供了一种新的控制声音特征的依据，通过对演奏工具与电子乐器之间的距离来判断乐手所表现的力度和情绪，以此控制声音特征，进而使听众从声音中感受乐手所要的心情；同时也可以通过多种依据的结合，进一步丰富电子乐器的表现力。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于电容值测量距离的装置、方法及其应用，用于通过测量演奏工具与电子乐器的距离来调整声音特征。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于电容值测量距离的装置，所述基于电容值测量距离的装置至少包括：

金属板，与演奏工具形成电容；

电容测量模块，连接于所述金属板，用于对所述演奏工具与所述金属板形成的电容进行测量；

距离数据转换模块，连接于所述电容测量模块，用于根据所述电容测量模块测量到的电容值来判断所述演奏工具与所述金属板之间的距离。

优选地，所述电容测量模块通过片上系统来实现。

优选地，所述距离数据转换模块通过微处理器实现。

优选地，所述电容测量模块与所述距离数据转换模块之间通过数字串行或并行总线连接。

优选地，所述演奏工具包括人手或面积为70cm²～120cm²的导体。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种电子乐器，所述电子乐器采用上述基于电容值测量距离的装置，以及音频控制器；所述基于电容值测量距离的装置对演奏工具与电子乐器之间的距离进行测量并输出距离数值；所述音频控制器根据检测到的距离数值来调节声音特征。

优选地，所述声音特征包括音量、高频分量或低频分量。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于电容值测量距离的方法，所述基于电容值测量距离的方法至少包括：

实时获取演奏工具与金属板形成的电容值，根据获取的电容值输出相应的距离数值；

当前电容值大于最大阈值时，判定所述演奏工具与所述金属板直接接触，不存在距离；

当前电容值小于最小阈值时，判定所述演奏工具与所述金属板之间的距离较远，超出设定测量范围；

当前电容值介于所述最大阈值和所述最小阈值之间时，判定所述演奏工具与所述金属板之间的距离在设定测量范围内，且电容值越大，距离数值越小。

优选地，当前电容值大于最大阈值时，输出的距离数值为0；

当前电容值小于最小阈值时，输出的距离数值为n；

当前电容值介于所述最大阈值和所述最小阈值之间时，输出的距离数值为：

$n-\frac{C}{C_{max}-C_{\min }}\·n,$

其中，C为当前电容值，Cmax为所述最大阈值，Cmin为所述最小阈值。

更优选地，电容值通过滤波算法去噪后获得。

更优选地，所述最大阈值不大于所述演奏工具与所述金属板直接接触时的电容值。

更优选地，所述最小阈值不小于所述演奏工具慢慢接近所述金属板时刚好能感应到的电容值。

如上所述，本发明的基于电容值测量距离的装置、方法及其应用，具有以下有益效果：

本发明的基于电容值测量距离的装置、方法及其应用基于电容值测量演奏工具与电子乐器的距离，并将检测到的距离数据用于电子乐器中的音频控制器，通过感应空中动作(操作演奏工具发生的距离变化)，以实现电子乐器中各种控制声音的参数的调节，如音量，合成声音的高、低频分量等，控制声音的变化，进而丰富乐器的可控性及乐手的表现力，提高声音的多样化。

附图说明

图1显示为本发明的基于电容值测量距离的装置的结构示意图。

图2显示为本发明的基于电容值测量距离的装置一具体实施例示意图。

图3显示为本发明的电容测量模块的示意图。

图4显示为本发明的电子乐器的结构示意图。

图5显示为本发明的基于电容值测量距离的方法的流程示意图。

元件标号说明

1基于电容值测量距离的装置

11金属板

12电容测量模块

121片上系统

13距离数据转换模块

131微处理器

2电子乐器

3MIDI控制器

S1～S2步骤

S11～S14步骤

S21～S23步骤

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1～图5。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1所示，本发明提供一种基于电容值测量距离的装置1，所述基于电容值测量距离的装置1包括：

金属板11，与演奏工具形成电容；

电容测量模块12，连接于所述金属板11，用于对演奏工具与所述金属板11形成的电容进行测量；

距离数据转换模块13，连接于所述电容测量模块12，用于根据所述电容测量模块12测量到的电容值来判断演奏工具与所述金属板11之间的距离。

具体地，所述金属板11设置于电子乐器的任意位置，能与演奏工具形成电容即可，不以本实施例的具体设置位置为限。所述金属板11可以设置于鼓类乐器、键盘乐器或其他可实现电容测距的电子乐器中。如图2所示，在本实施例中，所述金属板11位于电子乐器2(电子乐器为立体形状且形状各异，图2中的矩形框图仅作为示意，不以此为限)的表面，所述金属板11连接至所述电容测量模块12。由于所述金属板11和周围环境构成了一个潜在的电容器，导体可以极大地影响这个潜在电容器的电容值，具体地，演奏工具可作为一种导体，演奏工具包括但不限于鼓槌、拨片、弹片或人手，其中以人手为首选，其他演奏工具应当为与人手面积相当的导体，在本实施例中，导体的面积设定为70cm²～120cm²。在本实施例中，以人手为例，人手与所述金属板11作为电容器的两个极板，电容器的电容值其中ε为介电常数，k为静电力常量，s为两极板正对面积，d为两极板之间的距离，在ε、k、s不变的情况下，d与电容值呈反比，因此，所述金属板11与人手构成的电容器的电容值的变化可以作为判断人手与所述金属板11之间距离的依据。

具体地，如图2所示，在本实施例中，所述电容测量模块12以片上系统121(SOC，SystemOnChip)的方式实现，相较于传统技术中需要大量模拟器件实现电容测量，片上系统121可大大节省空间，而且使用方便，所述片上系统121连接于各金属板11，对所述金属板11与人手构成的电容器的电容值进行测量。如图3所示为10块金属板11(金属板0～金属板9)分别通过排阻(AR1、AR9及AR10)组成的前端电路连接至作为所述电容测量模块12的片上系统121的芯片引脚上，即完成了电路的连接，非常方便。在本实施例中，所述片上系统121具体采用CypressSemiconductor的PSoC系列产品，型号为CY8C4014LQI，该芯片对电容值进行实时测量。数据处理过程中所花费的时间最长为20ms，因此，在本实施例中，取20ms的一半，即10ms作为采样时间。并通过SDA0及SCL0信号引线输出，与外部装置通信从而实现电容值传输。由于原始电容值往往是伴随着噪声的，因此，需要采用滤波算法进行了一定的去噪处理，以得到期望的数据，在本实施例中，所述电容测量模块12通过卡尔曼(Kalman)滤波法对原始电容值进行滤波处理。滤波算法包括：中位值滤波法、均值滤波法、中位值平均滤波法，滤波算法的类型较多，现有技术中的滤波算法均适用，在此不一一赘述。所述电容测量模块12同样可以采用其他可实现电容测量的片上系统，不以本实施例中的具体芯片型号为限。

具体地，所述距离数据转换模块13连接于所述电容测量模块12，根据所述电容测量模块12测量到的电容值来判断人手与所述金属板11之间的距离。如图2所示，在本实施例中，所述距离数据转换模块13通过微处理器131实现。在本实施例中，所述微处理器131具体采用NXPSemiconductor的型号为LPC1768的芯片，该芯片将电容值转换为相应的距离数值。所述片上系统121与所述微处理器131之间通过数字串行或并行总线连接，常见的数字串行总线包括I²C、SPI、CAN、USB、IEEE1394；常见的数字并行总线包括PCI、ISA、IEEE1284。在本实施例中，采用I²C(Inter-IntegratedCircuit)总线连接。在本实施例中，I²C总线可以工作于总线时钟400khz的模式，于是理论计算上传输速率为(400khz/8bit)个字节每秒钟，即50kB/s。去除I²C总线固有的一些协议上的必须传输的数据，保守估计传输速率能达到40kB/s。所需传输的电容值的数据约为12个字节，则根据40kB/s的计算传输完12个字节仅需(12B/(40kB/s))＝0.3ms，远小于20ms这个最大延迟标准，因此，I²C总线的连接方式可有效降低片上系统121的工作量，提高电容测量的实时性。同时利用微处理器131的高性能可以更快的对电容值和距离数值进行转换，进一步提高实时性。所述距离数据转换模块13内设置有最小阈值和最大阈值，所述电容测量模块12输出的电容值与所述最大阈值和所述最小阈值进行比较，所述最大阈值和所述最小阈值分别设定不同的值，其检测的结果也不同。所述最大阈值不大于所述演奏工具与所述金属板直接接触时的电容值。所述最小阈值不小于所述演奏工具慢慢接近所述金属板时刚好能感应到的电容值。所述最大阈值和所述最小阈值可通过多次实验获取，在本实施例中，所述最大阈值的获取方法如下：将手直接放置到电子乐器表面，读取有效的电容值并记录，经多次操作获得的电容均值的95％作为所述最大阈值，在本实施例中，所述最大阈值为1024；所述最小阈值的获取方法如下：将手放置在电子乐器上方较远的距离，慢慢向下接近电子乐器表面，读取刚好能被感应到的电容值并记录，经多次操作获得的电容均值的120％作为所述最小阈值，在本实施例中，所述最小阈值为0。不同的乐器其最大阈值和最小阈值也不相同，不以本实施例为限。所述最大阈值和所述最小阈值用于检测人手与电子乐器之间的距离，当电容值大于所述最大阈值则认为人手与电子乐器之间的距离较远，超出设定测量范围；当电容值小于所述最小阈值则认为人手与电子乐器零距离接触，人手与电子乐器直接产生物理接触；当电容值介于所述最大阈值和所述最小阈值之间则认为人手与所述金属板之间的距离在设定测量范围内，且电容值越大，距离数值越小。所述最大阈值和所述最小阈值的具体值根据电路结构的不同存在差异，在此不做具体设定。

基于所述基于电容值测量距离的装置1的功能，本发明提供一种电子乐器，如图4所示，所述电子乐器至少包括：

所述基于电容值测量距离的装置1，所述基于电容值测量距离的装置1通过对人手与金属板之间的电容值来判断人手与电子乐器之间的距离。在本实施例中，所述基于电容值测量距离的装置1位于电子乐器2的下方，用于检测人手与电子乐器2之间的距离，其工作原理及结构如上所述，在此不一一赘述。

以及音频控制器，在本实施例中，所述音频控制器为MIDI控制器3，所述MIDI控制器3连接于所述基于电容值测量距离的装置1的输出端，接收所述基于电容值测量距离的装置1输出的距离数值，根据该距离数值来调节声音特征，包括但不仅限于音量、高频分量、低频分量，任何声音特征均包括在内。

调节音量的原理如下：

当人手与电子乐器2的距离较近时，所述基于电容值测量距离的装置1输出的距离数值较小，(在本实施例中，距离数值为2)，所述MIDI控制器3接收到输入信号(距离数值2)，并根据距离数值2将音量调节至2所对应的音量。人手与电子乐器2的距离越近，所对应的音量越小。当人手与电子乐器2的距离较远时，所述基于电容值测量距离的装置1输出的距离数值较大，(在本实施例中，距离数值为120)，所述MIDI控制器3接收到输入信号(距离数值120)，并根据距离数值120将音量调节至120所对应的音量。人手与电子乐器2的距离越远，所对应的音量越大，当超出设定测量范围时，音量与设定测量范围内的最远距离对应的音量一致。

合声的原理如下：

当人手与电子乐器2的距离较近时，所述基于电容值测量距离的装置1输出的距离数值较小，(在本实施例中，距离数值为2)，所述MIDI控制器3接收到输入信号(距离数值2)，并根据距离数值2将高频分量和低频分量调节至2所对应的比例。人手与电子乐器的距离越近，低频分量越多。当人手与电子乐器2的距离较远时，所述基于电容值测量距离的装置1输出的距离数值较大，(在本实施例中，距离数值为120)，所述MIDI控制器3接收到输入信号(距离数值120)，并根据距离数值120将高频分量和低频分量调节至120所对应的比例。人手与电子乐器的距离越远，高频分量越多，当超出设定测量范围时，高频分量的比例与设定测量范围内的最远距离对应的高频分量的比例一致。

任何电子乐器、演奏工具均适用于本发明，不以某一具体电子乐器和演奏工具为限。

将基于电容值测量距离的装置1应用于电子乐器，可根据演奏工具与电子乐器的距离来调节声音特征，进而丰富乐器的可控性及乐手的表现力。

如图5所示，本发明提供一种基于电容值测量距离的方法，所述基于电容值测量距离的方法至少包括：

步骤S1：实时获取电容接触的电容值。

具体地，藉由所述电容测量模块12实时对所述金属板11与演奏工具构成的电容器的电容值进行测量，在本实施例中，每10ms采样一次，采样频率可根据实际应用进行设定，不以本实施例为限。所述金属板11与演奏工具构成的电容器的电容值通过滤波算法去噪后获得，更具体地，在本实施例中，所述滤波算法优选为卡尔曼滤波算法，包括以下步骤：

步骤11：给定变量p，q，r，kGain，prevData并初始化数值。

p为用于计算的中间变量，初始化为10；q用于调整滤波后数据序列的平滑度，q的取值越小数据序列越平滑，初始化为0.0001；r用于调整滤波后数据序列与滤波前的数据序列的近似程度，初始化为0.05；kGain为卡尔曼增益，即滤波器的动态增益，初始化为0；prevData用于存储滤波器输出的上一数据，初始化为0。其中，p、q、r的初始值可根据具体的滤波要求进行设定，不以本实施例为限。

步骤12：获取电容值，并对各变量进行计算更新。

获取当前电容值，记为inData，顺序执行以下计算：

p＝p+q

kGain＝p/(p+r)

inData＝prevData+(kGain*(inData-prevData))

p＝(1-kGain)*p

prevData＝inData

步骤13：输出更新后inData作为滤波后的数据。

步骤14：返回步骤12，获取当前电容值，并计算更新各变量，将重新计更新后的电容值输出，之后不断循环以获取去噪后的电容值，在本实施例中，每10ms输出一个电容值。

步骤S2：根据获取的电容值输出相应的距离数值，当前电容值大于最大阈值时，判定演奏工具与所述金属板直接接触，不存在距离；当前电容值小于最小阈值时，判定演奏工具与所述金属板之间的距离较远，超出设定测量范围；当前电容值介于所述最大阈值和所述最小阈值之间时，判定演奏工具与所述金属板之间的距离在设定测量范围内，且电容值越大，距离数值越小。

具体地包括以下步骤：

步骤S21：当前电容值大于最大阈值时，输出的距离数值为0。

步骤S22：当前电容值小于最小阈值时，输出的距离数值为n。n值的设定根据目标装置的需要来考量，在本实施例中，将距离数值输出到音频控制器，以控制发出的声音中低频分量多还是高频分量多，而音频控制器能接受的范围为0～127，因此，n值设定为127，在连接其他目标装置的情况下，n值可做具体设定，不以本实施例为限。

步骤S23：当前电容值介于所述最大阈值和所述最小阈值之间时，输出的距离数值为：

$n-\frac{C}{C_{max}-C_{\min }}\·n,$

其中，C为当前电容值，Cmax为所述最大阈值，Cmin为所述最小阈值，上式仅作为获取距离数值的理论依据。在本实施例中，所述最大阈值为人手与所述金属板直接接触时的电容值的95％，所述最小阈值为人手慢慢接近所述金属板时刚好能感应到的电容值的120％，具体地，所述最大阈值设定为1024，所述最小阈值设定为0，因此，输出的距离数值为电容值与输出的距离数值之间的关系也可以是不均分的，不以本实施例为限。

上述步骤S21～S23的执行顺序不限。

至此已完成了对演奏工具与电子乐器距离的测量，演奏工具与电子乐器的距离越近，电容值越大，输出的距离数值越小；演奏工具与电子乐器的距离越远，电容值越小，输出的距离数值越大；当然是在一定范围内，当演奏工具与电子乐器的距离超出设定测量范围，电容值即为最小值，输出的距离数值为设定的最大值，不会无限变大或变小。

所述基于电容值测量距离的装置1可以有效检测演奏工具与电子乐器之间的距离，在本实施例中表现为演奏工具与电子乐器之间的距离，以此通过演奏工具与电子乐器之间的距离来控制声音特征，进而丰富乐器的可控性及乐手的表现力。

如上所述，本发明的基于电容值测量距离的装置、方法及其应用，具有以下有益效果：本发明的基于电容值测量距离的装置、方法及其应用基于电容值测量演奏工具与电子乐器的距离，并将检测到的距离数据用于电子乐器中的音频控制器，通过感应空中动作(操作演奏工具发生的距离变化)，控制声音的变化，与面板上的参数控制按钮作用类似，操作方式发生改变。

综上所述，本发明提供一种基于电容值测量距离的装置，至少包括：金属板，通过演奏工具与所述金属板的接触实现对电子乐器的演奏；电容测量模块，连接于所述金属板，用于对所述演奏工具与所述金属板形成的电容进行测量；距离数据转换模块，连接于所述电容测量模块，用于根据所述电容测量模块测量到的电容值来判断所述演奏工具与所述金属板之间的距离。还提供一种电子乐器，包括：上述基于电容值测量距离的装置，以及音频控制器；所述基于电容值测量距离的装置对演奏工具与电子乐器之间的距离进行测量并输出距离数值；所述音频控制器根据检测到的距离数值来调节声音特征。还提供一种基于电容值测量距离的方法，至少包括：实时获取演奏工具与金属板形成的电容值，根据获取的电容值输出相应的距离数值；当前电容值大于最大阈值时，判定所述演奏工具与所述金属板直接接触，不存在距离；当前电容值小于最小阈值时，判定所述演奏工具与所述金属板之间的距离较远，超出设定测量范围；当前电容值介于所述最大阈值和所述最小阈值之间时，判定所述演奏工具与所述金属板之间的距离在设定测量范围内，且电容值越大，距离数值越小。本发明有效检测演奏工具与电子乐器之间的距离，以此通过演奏工具与电子乐器之间的距离来控制声音特征，进而丰富乐器的可控性及乐手的表现力。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (12)

1.一种基于电容值测量距离的装置，其特征在于，所述基于电容值测量距离的装置至少包括：

金属板，与演奏工具形成电容；

电容测量模块，连接于所述金属板，用于对所述演奏工具与所述金属板形成的电容进行测量；

距离数据转换模块，连接于所述电容测量模块，用于根据所述电容测量模块测量到的电容值来判断所述演奏工具与所述金属板之间的距离。

2.根据权利要求1所述的基于电容值测量距离的装置，其特征在于：所述电容测量模块通过片上系统来实现。

3.根据权利要求1所述的基于电容值测量距离的装置，其特征在于：所述距离数据转换模块通过微处理器实现。

4.根据权利要求1所述的基于电容值测量距离的装置，其特征在于：所述电容测量模块与所述距离数据转换模块之间通过数字串行或并行总线连接。

5.根据权利要求1所述的基于电容值测量距离的装置，其特征在于：所述演奏工具包括人手或面积为70cm²～120cm²的导体。

6.一种电子乐器，其特征在于，采用如权利要求1～5任意一项所述的基于电容值测量距离的装置，以及音频控制器；所述基于电容值测量距离的装置对演奏工具与电子乐器之间的距离进行测量并输出距离数值；所述音频控制器根据检测到的距离数值来调节声音特征。

7.根据权利要求6所述的电子乐器，其特征在于：所述声音特征包括音量、高频分量或低频分量。

8.一种基于电容值测量距离的方法，其特征在于，所述基于电容值测量距离的方法至少包括：

实时获取演奏工具与金属板形成的电容值，根据获取的电容值输出相应的距离数值；

当前电容值大于最大阈值时，判定所述演奏工具与所述金属板直接接触，不存在距离；

当前电容值小于最小阈值时，判定所述演奏工具与所述金属板之间的距离较远，超出设定测量范围；

当前电容值介于所述最大阈值和所述最小阈值之间时，判定所述演奏工具与所述金属板之间的距离在设定测量范围内，且电容值越大，距离数值越小。

9.根据权利要求8所述的基于电容值测量距离的方法，其特征在于：

当前电容值大于最大阈值时，输出的距离数值为0；

当前电容值小于最小阈值时，输出的距离数值为n；

当前电容值介于所述最大阈值和所述最小阈值之间时，输出的距离数值为：

$n-\frac{C}{C_{\max }-C_{\min }}\·n,$

其中，C为当前电容值，Cmax为所述最大阈值，Cmin为所述最小阈值。

10.根据权利要求8或9所述的基于电容值测量距离的方法，其特征在于：电容值通过滤波算法去噪后获得。

11.根据权利要求8或9所述的基于电容值测量距离的方法，其特征在于：所述最大阈值不大于所述演奏工具与所述金属板直接接触时的电容值。

12.根据权利要求8或9所述的基于电容值测量距离的方法，其特征在于：所述最小阈值不小于所述演奏工具慢慢接近所述金属板时刚好能感应到的电容值。