CN1409295A - 自动钢琴演奏系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自动钢琴，具体地说，涉及钢琴的驱动装置、检测装置和静音装置。为了在原传统纲琴上通过加装一套微电脑和执行机构而成为一种全新的钢琴，本发明由微电脑和分别与微电脑相互连结的驱动装置、检测装置、耳机播放装置、记录及存贮装置、操作及显示面板组成；驱动装置由相互连结的驱动机构和驱动电路组成；检测装置由相互连结的检测机构和检测电路组成。由于具有多功能，性能价格比高，操作方便，因此有着广阔的应用前景。

Description

自动钢琴演奏系统

本发明涉及一种自动钢琴，具体地说，涉及钢琴的驱动装置、检测装置和静音装置。

钢琴是乐器之王，随着电子技术的发展，尤其是微电脑的普遍应用，使钢琴在保持原有的传统优势外，更赋予它许多功能，从而满足人们欣赏、练习、教学等多层面的需要。

如发明专利“用于致动自动钢琴中的螺线管乐器的方法和装置”(申请日：1997.8.27；申请号：97199196.0)，其中乐器数字接口(MIDI)速度值被转换成螺线管驱动信号，由螺线管驱动信号致动计数器，并按照螺线管驱动信号由计数器激励螺线管。中央处理单元(CPU)从数据存储装置中读出MIDI数据，并从存储中只读存储器(ROM)中的查阅表中选择相应的螺线管驱动参数。螺线管驱动参数被包含计数器的驱动电路转换成脉宽调制波形。PWM信号被发送到和螺线管相连的场效应晶体管(FET)开关的控制极，并且螺线管按照PWM信号被FET激励。

又如发明专利“键盘乐器及其中使用的位置检测装置和发光控制装置”(申请日：1999.9.18；申请号：99122380.2)，是一种自动演奏钢琴，它具有一个位置探测装置，用来探测黑/白键的当前位置，该位置探测装置使光束穿过黑/白键的轨迹，其中，位置探测装置存储了光量度的相对值与当前位置之间的可变关系，以便确定其当前位置，这样，该位置探测装置便可以保证当前位置的可靠性，使之不受时间的影响。

本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种由微电脑控制的自动多功能钢琴。

本发明的目的是这样实现的：

本发明是在原传统纲琴上通过加装一套微电脑和执行机构而成为一种全新的自动钢琴演奏系统，要求具有以下三种功能，并采用单独钻孔的工艺：

①自动演奏功能，是在钢琴全部琴键及踏板下面装有一套驱动装置，主要是电磁铁，电磁铁由内置的微电脑驱动，微电脑通过解读已录制好的钢琴演奏信息，控制驱动电磁铁电流的大小和时间的长短，使能模拟人弹奏钢琴力度及长短的变化。由于微电脑的运行速度非常高，因而非常完美地还原钢琴演奏家的弹奏技巧，甚至还能演奏出钢琴演奏家无法弹奏的技法。

②录制功能，是在钢琴全部琴键及踏板下面装有一套检测装置，主要是电子传感器，电子传感器与内置的微电脑相连。当钢琴演奏者弹奏钢琴时，微电脑通过电子传感器准确地记录演奏者弹奏的力度及时间的长短，将弹奏的旋律及感情以电子信息的形式记录下来，供以后在钢琴上回放或供电子合成系统合成电子音乐。

③静音功能，是在钢琴的琴槌与琴弦之间加装一套机械装置，当机械装置被置位时，琴槌被机械装置阻挡而不能撞击琴弦。此时弹奏钢琴，是无法发声的。采用上述机械装置，微电脑可以采集演奏者全部的弹奏信息。根据弹奏信息，微电脑可实时地合成电子音乐并通过扬声器或耳机播放出来。

④还有，本发明驱动机构的安装一般都需要将钢琴中盘靠近钢琴的琴板处整体切下。这样，一方面切割操作比较困难，另一方面由于钢琴中盘切割下的面积较大，对钢琴结构强度的影响也相应增加。考虑到这些原因，本发明采用了单独钻孔的工艺，使驱动机构的安装对钢琴中盘的破坏减小到最小程度。这样的方案对驱动电磁铁的定位精度要求则更高，本发明的设计则能精确定位，满足要求。

下面详细说明：

驱动装置包括驱动机构和驱动电路，驱动机构主要由脉冲式直流电磁铁组成。88个电磁铁被固定在一整块铝合金型材上，每个电磁铁在排列线上都可以自动调整，以适应不同型号的琴型，铝合金安装板可以上下左右及前后调整，然后紧固下来。电磁铁芯上安装有一支非磁性顶杆，顶杆上方安装有橡胶头，电磁铁芯及顶杆位于每个琴键击弦机的正下方。这样，电磁铁芯运动，可以恰好击中击弦机。同时击弦机正下方钻88个孔对钢琴中盘的破坏最小，电磁铁不与立式琴板发生任何接触，不会对钢琴强度与音乐声学性能产生任何影响。

检测装置包括检测机构和检测电路，检测机构采用光电管并加遮光片的结构。遮光片通过一支小的扭力弹簧与琴键接触，琴键上不加装任何装置，因而安装极为简单。当琴键被弹奏时，琴键带动遮光片向下运动。遮光片被加工成一种流线型的形状。当遮光片向下运动时，使遮住的光线逐步增加，使遮光片的物理位置与光通量呈线性关系，这样测出光电管的电信号就可以测得琴键的物理位置，即可达到记录钢琴的演奏信息。由于钢琴的延音踏板没有力度变化，只记录踩下与抬起两种状态，因而比琴键记录简单，只用一个微动开关检测即可。

电磁铁的驱动电压为经过调制的60V脉冲电压，乐曲的控制信息经系统CPU解释为键值时间与强度的二进制编码，传至FPGA可编程芯片，由FPGA分解成各个电磁铁的脉冲信号，信号经场效应管放大后驱动电磁铁芯工作。

由于FPGA为硬件时序，可以高效地完成高频脉冲时序，FPGA的时钟为4MHz，脉宽分辨率为7位二进制，CPU将地址信息即键的编码0-87和延音踏板88号键传至FPGA后，接着传动作强度信息，其中强度0为键位抬起信号，强度127为最强音，由于电磁铁芯的静磨擦的存在，强度信号与电控信号不为线性，电控信号存在一个阈值，FPGA的强度值以4MHz为基频调制成0-100％占空比的控制信号，同时叠加上电磁铁静磨擦的电控信号阈值，传给功率电路部分，最后驱动电磁铁运动。

电路软硬件都采取了保护设计，每个控制信息都采用冗全校验和编码校验和错误的信息被认为是干扰信息予排除，并请求重新传送。

每个动作的弹奏时间限制在4秒以内，若乐曲单键动作超过4秒则需要传送第二帧弹奏信息，若出现干扰误动作电磁铁不会长期通电造成电磁铁烧坏。

CPU通过定时扫描光电管，将全部88个键扫描一遍，测出键的当前位置。当有键被按下时，CPU扫描到该键时测得的光信号就会减弱，根据标定数据，即可算出该键的物理位置。

为了得到标定数据，检测装置在出厂前及使用过程中需要标定操作。标定过程分两步进行：第一步琴键在自然状态，记录下此时的光电信号，对于光电信号小于设计值的还需通过D/A转换器提高发光二极管的激励电压，使其能够工作在线性范围；第二步将琴键用均匀的力度按到底，记录下此时的光电信号，这样就得到了琴键的整个行程位置信号参考值，在此范围内所有信号均可以计算出其物理位置。装置组成有CPU，移位计数器作88键扫描用，D/A转换器作调整发光二极管发光量用。

AMP放大器为测定光电信号放大器。

A/D高速8位模数转换器，转换光电信号。

CPU将琴键的位置信息，按照MIDI的规范将其转化为MIDI的标准信息，实现记录、转存交流的目的。

在钢琴上加装一个机械装置，当该装置被置位时，钢琴的琴键被挡杆挡住，演奏者弹奏时琴键不能撞击琴弦，因而不能发声；整个演奏系统只有琴槌不能运动，琴键仍然运动自如，演奏者弹奏手感没有发生任何变化。此时录音装置正常工作，演奏者每一个弹奏细节仍然能被准确地检测出来；弹奏信息包括键值强度、时长等。通过电子合成技术将弹奏信息实时地合成钢琴声，经过功率放大再通过有线或无线耳机播放出来，将钢琴模拟地演奏给特定的人员听。

本发明具有以下优点和积极效果：

①本发明通过对钢琴自动演奏、录音和静音的有机结合，全面提升传统钢琴的性能。

②本发明通过运用先进的微电子技术，将演奏、录音、静音三个相对独立的功能集成在一起，使其功能更加强大、灵活，增加了系统的可靠性。

③本发明性能价格比高，操作方便。

下面结合附图进一步说明：

图1为本发明组成框图；

图2为驱动机构结构图：

图3为检测机构结构图；

图4为驱动电路图；

图5为检测电路图；

图6为光电转换电路图；

其中：1-微电脑；2-驱动装置；3-检测装置；4-耳机播放装置；5-记录及存贮装置；6-操作及显示面板；

2.1-驱动机构，2.1.1-电磁铁，2.1.1.1-电磁铁芯，2.1.1.2-电磁线圈，2.1.2-琴板，2.1.3-顶杆，2.1.4-橡皮头，2.1.5-安装螺栓；

2.2-驱动电路，2.2.1-放音控制电路CPU，2.2.2-波形发生器，2.2.3-功率放大器，2.2.4-上位机接口，2.2.5-电磁铁芯接口；

3.1-检测机构，3.1.1-光电管，3.1.2-遮光片，3.1.3-扭力弹簧，3.1.4-琴键；

3.2-检测电路，3.2.1-光电管电路接口，3.2.2-光电管反馈信号放大电路，3.2.3-检测电路CPU，3.2.4-上位机接口，3.2.5-扫描电路。

由图1、图2、图3可知，本发明由微电脑1和分别与微电脑1相互连结的驱动装置2、检测装置3、耳机播放装置4、记录及存贮装置5、操作及显示面板6组成；驱动装置2由相互连结的驱动机构2.1和驱动电路2.2组成；检测装置3由相互连结的检测机构3.1和检测电路3.2组成。

在放音时，微电脑通过记录及存贮装置5将演奏信息读取出来，经过解码，将解码后的控制信息传送给驱动机构2.1，电磁铁芯2.1.1.1在电流的作用下而上下运动，带动琴键3.1.4发声。

在录音时，检测装置3将检测到的琴键3.1.4的位置信息送给微电脑1，微电脑1将其转换为文件格式信息后传送给记录及存贮装置5记录下来。

在静音时，微电脑1将琴键3.1.4的位置转换成控制信息传送给耳机播放装置4，耳机播放装置4将控制信息合成为钢琴声播放出来。

由图2可知，驱动机构2.1由电磁铁2.1.1、顶杆2.1.3、橡皮头2.1.4组成，电磁铁2.1.1包括电磁铁芯2.1.1.1和电磁线圈2.1.1.2；电磁铁2.1.1由安装螺栓2.1.5紧固在琴板2.1.2上，电磁铁芯2.1.1.1上端固定有顶杆2.1.3，顶杆2.1.3上端安装有橡皮头2.1.4。由此可见，当电磁线圈2.1.1.2得电后，电磁铁芯2.1.1.1及顶杆2.1.3向上运动，顶杆2.1.3通过橡皮头2.1.4缓冲，再撞击到琴键3.1.4上使琴弦发声。

由图3可知，检测机构3.1由光电管3.1.1、遮光片3.1.2、扭力弹簧3.1.3组成，遮光片3.1.2为一种流线型的形状；在安装光电管3.1.1的支架上还安装有扭力弹簧3.1.3，扭力弹簧3.1.3上连接有遮光片3.1.2，遮光片3.1.2置于琴键3.1.4下。由此可见，当琴键3.1.4被演奏者按下时，带动遮光片3.1.2向下运动，遮光片3.1.2由于位置不同则遮到光电管3.1.1的光也有不同，通过检测光电管3.1.1光通量的大小，即可检测琴键3.1.4的位置。

由图4可知，驱动电路2.2由放音控制电路CPU2.2.1、波形发生器2.2.2、功率放大器2.2.3组成；放音控制电路CPU2.2.1的输入端通过上位机接口2.2.4与微电脑1相连接，输出端与波形发生器2.2.2相连接；波形发生器2.2.2与功率放大器2.2.3相连接，功率放大器2.2.3通过电磁铁芯接口2.2.5与电磁线圈2.1.1.2相连接。由此可见，微电脑1的控制信息由上位机接口2.2.4传入放音控制电路CPU2.2.1，再将控制信息分配到波形发生器2.2.2，波形发生器2.2.2将控制信息分解为电磁铁2.1.1的驱动电平，驱动电平经功率放大器2.2.3放大后，由电磁铁芯接口2.2.5传给电磁线圈2.1.1.2。

由图5可知，检测电路3.2由放大电路3.2.2和检测电路CPU3.2.3组成，并相互连接；放大电路3.2.2通过接口3.2.1与光电管3.1.1相连接，检测电路CPU 3.2.3通过上位机接口3.2.4与电脑1相连接。由此可见，光电管3.1.1的位置模拟量信号由接口3.2.1传入，经放大电路3.2.2后传入检测电路CPU3.2.3，检测电路CPU3.2.3再将信号转化为位置信息后经上位机接口3.2.4传入微电脑1。

由图6可知，光电转换电路由光电管3.1.1与扫描电路3.2.5组成并相互连接，扫描电路3.2.5通过接口3.2.1与检测电路CPU3.2.3相连接。由此可见，光电管3.1.1由扫描电路3.2.5驱动后，将检测信号由接口3.2.1传入检测电路CPU3.2.3。

本发明使用方法是：

放音时，将带有钢琴弹奏的软盘插入软驱，此时控制器显示屏显示第一首曲子的曲名，按 键则显示第二首曲子的曲名，再按则继续向前；按 则相反，向前寻找曲名。按

则开始弹奏；按

则暂停：按“□”则停止弹奏；按红色“○”键则开始录音；按“□”键则录音结束。

由于本发明具有多功能，性能价格比高，操作方便，因此有着广阔的应用前景。

Claims (10)

1、一种制作自动钢琴演奏系统的方法，其特征是在原传统纲琴上通过加装一套微电脑和执行机构而成。

2、按权利要求1所述的一种制作自动钢琴演奏系统的方法，其特征是在钢琴全部琴键及踏板下面装有一套驱动装置，主要是电磁铁，电磁铁由内置的微电脑驱动，微电脑通过解读已录制好的钢琴演奏信息，控制驱动电磁铁电流的大小和时间的长短，使能模拟人弹奏钢琴力度及长短的变化。

3、按权利要求1所述的一种制作自动钢琴演奏系统的方法，其特征是在钢琴全部琴键及踏板下面装有一套检测装置，主要是电子传感器，电子传感器与内置的微电脑相连；当钢琴演奏者弹奏钢琴时，微电脑通过电子传感器准确地记录演奏者弹奏的力度及时间的长短，将弹奏的旋律及感情以电子信息的形式记录下来，供以后在钢琴上回放或供电子合成系统合成电子音乐。

4、按权利要求1所述的一种制作自动钢琴演奏系统的方法，其特征是在钢琴的琴槌与琴弦之间加装一套机械装置，当机械装置被置位时，琴槌被机械装置阻挡而不能撞击琴弦，实现静音并由微电脑采集演奏者全部的弹奏信息。

5、利用权利要求1所述方法制作的一种自动钢琴演奏系统，含有普通的钢琴和常用的耳机播放装置(4)、记录及存贮装置(5)、操作及显示面板(6)；其特征是加装一套微电脑(1)和驱动装置(2)、检测装置(3)，使自动钢琴演奏系统由微电脑(1)和分别与微电脑(1)相互连结的驱动装置(2)、检测装置(3)、耳机播放装置(4)、记录及存贮装置(5)、操作及显示面板(6)组成；驱动装置(2)由相互连结的驱动机构(2.1)和驱动电路(2.2)组成；检测装置(3)由相互连结的检测机构(3.1)和检测电路(3.2)组成。

6、按权利要求5所述的一种自动钢琴演奏系统，其特征是驱动机构(2.1)由电磁铁(2.1.1)、顶杆(2.1.3)、橡皮头(2.1.4)组成，电磁铁(2.1.1)包括电磁铁芯(2.1.1.1)和电磁线圈(2.1.1.2)；电磁铁(2.1.1)由安装螺栓(2.1.5)紧固在琴板(2.1.2)上，电磁铁芯(2.1.1.1)上端固定有顶杆(2.1.3)，顶杆(2.1.3)上端安装有橡皮头(2.1.4)。

7、按权利要求5所述的一种自动钢琴演奏系统，其特征是检测机构(3.1)由光电管(3.1.1)、遮光片(3.1.2)、扭力弹簧(3.1.3)组成，遮光片(3.1.2)为一种流线型的形状；在安装光电管(3.1.1)的支架上还安装有扭力弹簧(3.1.3)，扭力弹簧(3.1.3)上连接有遮光片(3.1.2)，遮光片(3.1.2)置于琴键(3.1.4)下。

8、按权利要求5所述的一种自动钢琴演奏系统，其特征是驱动电路(2.2)由放音控制电路CPU(2.2.1)、波形发生器(2.2.2)、功率放大器(2.2.3)组成；放音控制电路CPU(2.2.1)的输入端通过上位机接口(2.2.4)与微电脑(1)相连接，输出端与波形发生器(2.2.2)相连接；波形发生器(2.2.2)与功率放大器(2.2.3)相连接，功率放大器(2.2.3)通过电磁铁芯接口(2.2.5)与电磁线圈(2.1.1.2)相连接。

9、按权利要求5所述的一种自动钢琴演奏系统，其特征是检测电路(3.2)由放大电路(3.2.2)和检测电路CPU(3.2.3)组成，并相互连接；放大电路(3.2.2)通过接口(3.2.1)与光电管(3.1.1)相连接，检测电路CPU(3.2.3)通过上位机接口(3.2.4)与电脑1相连接。

10、按权利要求5所述的一种自动钢琴演奏系统，其特征是光电转换电路由光电管(3.1.1)与扫描电路(3.2.5)组成并相互连接，扫描电路(3.2.5)通过接口(3.2.1)与检测电路CPU(3.2.3)相连接。

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