CN201035769Y - 一种用于基础乐理学习及视唱练耳的嵌入式装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于基础乐理学习及视唱练耳的嵌入式装置，包括中央处理单元、MIDI语音合成输出单元、人机界面单元和语音处理单元，其中中央处理单元由ARM处理器、flash存储器、SDRAM存储器和相关接口组成；语音处理单元包括数字信号处理器、模/数转换器和拾音器；MIDI语音合成输出单元包括电源电路、MIDI合成器及其他扩展部件；人机界面单元包括液晶显示器及操作界面。本实用新型将MIDI技术与数字信号处理技术及嵌入式技术相结合应用于基础乐理学习及视唱练耳训练，无需计算机就可独立运行，且操作简便、成本低，可广泛应用到手机、MP3、MP4、PDA及各种学习机中。

Description

一种用于基础乐理学习及视唱练耳的嵌入式装置

技术领域

本实用新型涉及用于基础乐理学习及视唱练耳训练的嵌入式电子产品，尤其是涉及用MIDI(Musical instrument digital interface)技术与数字信号处理技术结合在一起实现的基础乐理学习及视唱练耳训练的嵌入式电子产品。

背景技术

众所周知，音乐教育是一门素质教育，它涉及很多方面，如社会、哲学、历史、地理、心理学等，一个人需要不断地接受音乐的熏陶，而基本乐理及视唱练耳又是音乐教育中的基础，因此只有做好基本乐理学习及视唱练耳训练教育的普及工作，才能对促进人们音乐素质的提高起到积极作用。

但是目前市场上还没有发现基础乐理学习及视唱练耳训练的嵌入式方面的产品，只有计算机软件方面的产品，计算机软件方面的产品也只能进行乐理学习及练耳训练，严格地讲尚不能完成视唱训练，因为计算机软件方面的产品无法判断练习者发出的音高与标准音高之间的差异。软件方面的产品有如来自丹麦的EarMaster Pro4.0、来自澳大利亚的auralia软件，这两款产品主要是用来学习乐理和练耳的，还有一些音序软件如Music Win3.0、Cakewalk、Sonar1.0、TT作曲家等，它们主要用是来制作MIDI音序的，虽然也可以用来学习乐理和练耳，但不够专业。

这些计算机软件产品共同的缺点是：

(1)只能完成乐理学习和练耳训练，不能完成视唱训练，即这些产品都不能把练习者发出的音高与MIDI合成器产生的标准音高进行比较，从而无法提醒学习者进行校正；

(2)都离不开计算机，这些软件产品都必须安装到计算机上才能使用；

(3)价格不菲，除花钱购买正版软件外，还要购买计算机、功放、音箱，甚至高价位的合成器或音源；

(4)操作都不方便，除要学习软件本身的操作外，还首先必须学会计算机的操作使用，而且很多软件尚未汉化。

实用新型内容

针对现有技术缺陷，本发明要解决的技术问题就是要设计用于基础乐理学习及视唱练耳的嵌入式装置，将MIDI技术与数字信号处理技术及嵌入式技术相结合应用于基础乐理学习及视唱练耳训练，能够克服现有软件产品技术中不能完成的视唱训练功能，该装置无需计算机就可独立运行，而且操作简便、成本低，可广泛应用到手机、MP3、MP4、PDA及各种学习机中以实现基础乐理学习及视唱练耳训练的功能。

本实用新型所述用于基础乐理学习及视唱练耳的嵌入式装置，包括中央处理单元、MIDI语音合成输出单元和人机界面单元，还包括语音处理单元，其中中央处理单元由ARM处理器、通过ARM处理器上端口与之连接的flash存储器、SDRAM存储器和相关接口组成；语音处理单元包括数字信号处理器(DSP)、通过其端口连接的模/数转换器、与模/数转换器端口连接的拾音器；MIDI语音合成输出单元包括电源电路、MIDI合成器及连接在MIDI合成器上的其他扩展部件；人机界面单元包括液晶显示器及操作界面；其中语音处理单元中的拾音器MK1和MIDI合成器的信号输出端分别接入模/数转换器，模/数转换器的信号输出端接入数字信号处理器，数字信号处理器通过HPI接口与中央处理单元连接，MIDI合成器通过MIDI接口接入中央处理单元，操作界面上的各个按键通过由ARM处理器的IO口组成的旋钮按键接口接入中央处理单元，中央处理单元再通过液晶显示器接口与人机界面单元中的液晶显示器连接，且中央处理单元内设有与计算机通信的JTAG调试接口。

所述MIDI语音合成输出单元中的扩展部件有耳机插孔、功率放大器和连接在功率放大器上的音响系统。

所述MIDI语音合成输出单元中的电源电路包括模块化的开关电源N1，其上设有用于连接交流电源的接入端和两个用于输出直流电源的输出端，还包括一输入端与开关电源N1其中一输出端连接的稳压芯片U4，稳压芯片U4的输出端接入稳压芯片U6的输入端；同时，一变压器T1输入端有交流电源接入，且其输出端接入整流堆D3，最后接入一用于连接功率放大器的输出端。

所述人机界面单元中的操作界面包括功能选择旋钮或按键，其它接口包括音频与视频输出接口。

所述嵌入式装置为台式结构时，其操作界面的所述旋钮有音色旋钮、力度旋钮、速度旋钮、音量旋钮、音高调节旋钮、主课目旋钮、五线谱/简谱切换旋钮、视唱/练耳切换旋钮、子课目一旋钮、子课目二旋钮、子课目三旋钮、子课目四旋钮、子课目五旋钮、起始按钮、停止按钮、播放按钮。

所述嵌入式装置为掌上式结构时，其操作界面的按键有菜单键、回退键、确认键、上移键、下移键、右移键、左移键、音量旋钮。

本实用新型的工作原理如下所述：练耳训练中，练习者通过调节人机界面中操作界面上相应旋钮或按键选择所要训练的课目(这里所指的课目与“乐理及视唱练耳”教科书的内容是统一的)，操作界面上的各个按键通过由ARM处理器的IO口组成的旋钮按键接口接入中央处理单元，即旋钮或按键的动作信号被中央处理单元中的ARM处理器识别，中央处理单元通过ARM处理器的液晶显示器接口将相应的提示送到人机界面单元中的液晶显示器上显示，练习者按照液晶显示器上的提示通过操作界面选择所要训练的课目，当课目最终选定后，中央处理单元会根据所选定的结果，生成符合MIDI协议的数据文件，与此同时，通过中央处理单元上的液晶显示器接口控制液晶显示器上显示相应的乐谱，该符合MIDI协议的数据文件通过中央处理单元上的MIDI接口送到MIDI语音合成输出单元中的MIDI合成器，由该MIDI合成器将符合MIDI协议的数据转换成音频电信号，送到功率放大器，最后驱动音响系统发音，供练习者听辨，在练习者听辨的同时，练习者还可以通过人机界面上的操作界面选择音色、调节力度、调节速度、调节音量、调节音高、选择五线谱或简谱，以及在视唱与练耳之间切换。

对于单音或单声部的视唱训练，在上述练耳训练的原理中，由练习者通过对人机界面上的旋钮或按钮规定的操作，从练耳训练切换到视唱训练，此时由MIDI合成器产生的音频信号将会转送到语音处理单元中的模/数转换器，同时，由练习者发出的声音也经由语音处理单元中的拾音器送到模/数转换器，以上两路音频信号经模/数转换后被送到数字信号处理器即DSP，由数字信号处理器进行时域与频域的处理、分析和比较，从而得出练习者与标准之间在音高、速度、力度方面的差异，并将此差异数据送到中央处理单元，再由中央处理单元送到液晶显示器上显示，以便提醒练习者注意。对于音程、和弦或多声部的视唱训练，由于练习者只能发出一个音或一个声部，其余的音或其余的声部仍按练耳的原理由音响发音，供练习者同时听辨。

另外，对于乐理学习，在每一个训练的课目之前，都可以有一段相应的文字形式的乐理简介。

本实用新型将MIDI技术及数字信号处理技术相结合应用于基础乐理学习及视唱练耳训练，能够克服现有软件产品技术中不能完成的视唱训练功能，该装置无需计算机就可独立运行，而且操作简便、成本低，可广泛应用到手机、MP3、MP4、PDA及各种学习机中以实现基础乐理学习及视唱练耳训练的功能。

附图说明

图1是本实用新型的原理框图；

图2是语音处理单元的电路示意图；

图3是MIDI合成输出单元的电路示意图；

图4是中央处理单元；

图5是实施例1中人机界面单元的接口电路示意图；

图6是实施例2中人机界面单元的接口电路示意图；

图7是实施例1的外观示意图；

图8是实施例2的外观示意图。

具体实施方式

实例1：参照附图，台式结构的嵌入式装置，音箱置于左右两侧，人机界面的面板位于中央，电路板置于结构体内部，电源线从后面板引出，人机界面面板上除液晶显示器外、旋钮、按键外，还有拾音器、耳机插孔及USB接口。

台式结构的嵌入式装置采用中密板构成，两侧为音箱结构，中间为空腔，在空腔中安装电路板、变压器、电源模块及各种连接线，在空腔四角，还有人机界面面板的安装装置。台式结构的嵌入式装置包括中央处理单元、MIDI语音合成输出单元、人机界面单元和语音处理单元。

参照附图4，其中中央处理单元由ARM处理器U3(选用S3C44B0)、flash存储器U1(选用AM29LV320)、SDRAM存储器U2(选用HY57V16160)、HPI接口(由U3的一些引脚组成)、MIDI接口(由U3的一些引脚组成)、旋钮按键接口(由U3的一些引脚组成)、液晶显示器接口(由U3的片上LCD控制器组成)及JTAG调试接口JTAG1(由U3的片上JTAG接口组成)共8个主要部分组成。

参照附图2，语音处理单元由拾音器MK1(为外购件)、模/数转换器U11(选用CS53L21)、数字信号处理器U10A(选用TMS320VC5501)、HPI接口(由U10A的片上HPI控制器组成)共4个主要部分组成。

参照附图3，MIDI语音合成输出单元由MIDI合成器U7(选用ML2860)、左右声道功率放大器U8和U9(均选用LM1875)、耳机插孔J1(3毫米规格)、左右音箱LS1和LS2(为外购件)、电源电路[N1(为外购件)、U4(选用LM1117-3.3V)、U6选用LM1117-2.5V)、T1(变压器：为外购件)、D3(整流堆：选用1KAB100)]共5个主要部分组成。

参照附图5，人机界面单元由液晶显示器LCD1(选用320×240STN型液晶或TFT型液晶)、音色旋钮S1(选用8波段开关)、力度旋钮S2(选用8波段开关)、速度旋钮S3(选用8波段开关)、音量旋钮S4(选用8波段开关)、音高调节旋钮S5(选用8波段开关)、主课目旋钮S6(选用12波段开关)、子课目一旋钮S9(选用8波段开关)、子课目二旋钮S10(选用8波段开关)、子课目三旋钮S11(选用8波段开关)、子课目四旋钮S12(选用8波段开关)、子课目五旋钮S13(选用8波段开关)、五线谱/简谱切换旋钮S7(选用2波段开关)、视唱/练耳切换旋钮S8(选用2波段开关)、播放按键SW3(选用不带锁的一触键)、停止按键SW2(选用不带锁的一触键)、回到起始位置按键SW1(选用不带锁的一触键)共17个主要部分组成。

人机界面单元中的旋钮及按键的动作均由中央处理单元识别，其中音色旋钮S1、力度旋钮S2、速度旋钮S3、子课目一至五的旋钮S9至S13的动作识别通过ARM处理器U3的A/D通道完成，其它旋钮与按键的识别通过ARM处理器U3的GPIO口完成；旋钮及按键识别完成后，ARM处理器U3将相应的信息送到液晶显示器LCD1，用户根据液晶显示器上的提示进一步选择所要训练的内容，当最终内容选定后，由ARM处理器控制生成符合MIDI协议的数据文件，同时在液晶显示器上显示相应的乐谱，然后将MIDI数据文件送到MIDI合成器U7，MIDI合成器既可以选用单片的和弦铃声芯片，也可以采用合成算法+音色库的方式，前者适用于业余水平的教学与训练，后者可用于专业水平的教学与训练，在本实例里，采用的是前者。MIDI数据文件送到MIDI合成器U7后，由MIDI合成器合成音频信号，本例中选用的MIDI合成器ML2860有两路音频输出，且可以分别控制输出与关断，其中一路送到语音处理单元中的模/数转换器U11通道1，另一路经过耳机插孔簧片送到功率放大器U8和U9，以便驱动音箱LS1和LS2发声，当插入耳机时将切断功率放大器的输入信号，音箱不发声，仅由耳机发声。对于练耳训练，由MIDI合成器U7输出的声音信号只送到音箱发声(当插入耳机时仅由耳机发声)，供练习者听辨，在听辨的同时可以改变音色、调节力度、调节速度、调节音高、在五线谱/简谱之间切换、在视唱/练耳之间切换。对于视唱训练，分为两种情况，一是单音或单声部视唱，此情况音箱不发声；二是音程、和弦或多声部视唱，由于练习者只能发出一个音，其余的音仍需要由音箱发声。音箱不发声的那个音的音频信号将会送到模/数转换器U11通道1，同时，由语音处理单元中的拾音器MK1(即话筒)将练习者发出的声音转换成音频电信号送到模/数转换器U11通道2，两路模拟音频信号转换成数字信号后被送到数字信号处理器U10A，由U10A进行时域与频域的计算分析和比较，得出两路音频模拟信号之间的在音乐要素速度、力度与音高上的差异，其结果由U10A通过HPI口送到ARM处理器U3，再由U3将结果送到液晶显示器，以便提醒练习者纠正。

操作时，练习者首先调节主课目旋钮S6，在节奏、单音、音程、和弦、调、调式、调式变音、变调、移调主课目中任选一个，这些主课目在面板上有文字提示，接着调节子课目一旋钮S9，在液晶显示器上显示对应的第一级课目的某一项内容，继续调节S9，可以依次显示所有第一级课目的全部内容；选定一项内容后接着调节子课目二旋钮S10，在液晶显示器上显示对应的第二级课目的某一项内容，继续调节S10，可以依次显示所有第二级课目的全部内容，以后依次调节子课目三旋钮S11、子课目四旋钮S12、子课目一旋钮S13，原理都同前面两个子课目旋钮，分别为第三级、第四级、第五级课目的内容。各级课目的设置与普通教科书中的“章”、“节”、“小节”的编排类似。当最终选定一个要练习的课目后，液晶显示器上显示相应的乐谱，通过播放按键SW3、停止按键SW2、回到起始按键SW1控制播放；通过音色旋钮S1选择音色，在液晶显示器上显示是何音色；通过力度旋钮S2调节力度，在液晶显示器上显示是何力度；通过调节速度旋钮S3调节速度，在液晶显示器上显示是何速度；通过调节音量旋钮S4调节音量，在液晶显示器上显示是何音量；通过调节音高旋钮S5单步调节音高，在液晶显示上通过光标来指示；通过调节五线谱/简谱旋钮S7，切换液晶显示器上五线谱或简谱的显示方式；通过调节视唱/练耳旋钮S8，在视唱与练耳训练功能之间切换。

实例2：参照附图，采用掌上式结构的嵌入式装置采用一个小型喇叭，置于正面的左下方，操作按键置于正面的右下方，液晶显示器位于正面的其余部分，音量旋钮置于左侧上方，采用薄片可调电阻式旋钮，约四分之三的转盘部分嵌入结构内部，仅留四分之一供操作者手动调节，拾音器、耳机、USB接口(选用)插孔位于底侧，电源适配器外置，从顶部电源插孔引入(同时机内有电池，如MP3、MP4，这是成熟的技术，不赘述)。本实例除做成独立的产品外，还可以嵌入到MP3、MP4、手机、PDA及各种学习机中。

掌上式结构的工作原理与实例1中台式结构的嵌入式装置相同，见附图1。掌上式结构的嵌入式装置也包括中央处理单元、MIDI语音合成输出单元、人机界面单元和语音处理单元。

中央处理单元、语音处理单元、MIDI语音合成输出单元均与实例1相同，分别参照附图4、附图2、附图3。其中掌上式结构的嵌入式装置中的电源电路不要附图3中的变压器T1和整流堆D3，功率放大器的电源改为单端5V。

参照附图6，人机界面单元该单元由液晶显示器LCD1，左移键KEY1、右移键KEY2、下移键KEY3、上移键KEY4、确认键KEY5、回退键KEY6、菜单键KEY7、音量旋钮RJ2组成。

操作时，在开机后的初始界面按菜单键，将弹出主课目菜单，按上、下、左、右键移动光标选择课目，按确认键进行确认并进入下一级子课目菜单，同理，直到最后一级具体课目，再按确认键，液晶显示器上将显示乐谱，此时，按确定键将开始播放，再按确定键即停止，按左键使光标退回到乐谱起始，按右键使光标前进到乐谱结尾，按上、下键改变音高(即改变光标位置)，按回退键返回上一级菜单，按菜单键弹出一个子窗口，子窗口中有音色、力度、速度、五线谱、简谱、视唱、练耳共7个可选项目，选定后按确认键确定并退出当前子窗口，同时按选定的内容改变液晶显示器上相应的提示。

Claims (6)

1.一种用于基础乐理学习及视唱练耳的嵌入式装置，包括中央处理单元、MIDI语音合成输出单元和人机界面单元，其特征在于，还包括语音处理单元，其中中央处理单元由ARM处理器、通过ARM处理器上端口与之连接的flash存储器、SDRAM存储器和相关接口组成；语音处理单元包括数字信号处理器、通过其端口连接的模/数转换器和连接在模/数转换器端口上的拾音器；MIDI语音合成输出单元包括电源电路、MIDI合成器及连接在MIDI合成器上的其他扩展部件；人机界面单元包括液晶显示器及操作界面；其中语音处理单元中的拾音器MK1和MIDI合成器的信号输出端分别接入模/数转换器，模/数转换器的信号输出端接入数字信号处理器，数字信号处理器通过HPI接口与中央处理单元连接，MIDI合成器通过MIDI接口接入中央处理单元，操作界面上的各个旋钮及按键通过由ARM处理器的IO口组成的旋钮按键接口接入中央处理单元，中央处理单元再通过液晶显示器接口与人机界面单元中的液晶显示器连接，且中央处理单元内设有与计算机通信的JTAG调试接口。

2.根据权利要求1所述用于基础乐理学习及视唱练耳的嵌入式装置，其特征在于，所述MIDI语音合成输出单元中的扩展部件有耳机插孔、功率放大器和连接在功率放大器上的音响系统。

3.根据权利要求1所述用于基础乐理学习及视唱练耳的嵌入式装置，其特征在于，所述MIDI语音合成输出单元中的电源电路包括模块化的开关电源N1，其上设有用于连接交流电源的接入端和两个用于输出直流电源的输出端，还包括一输入端与开关电源N1其中一输出端连接的稳压芯片U4，稳压芯片U4的输出端接入稳压芯片U6的输入端；同时，一变压器T1输入端有交流电源接入，且其输出端接入整流堆D3，最后接入一用于连接功率放大器的输出端。

4.根据权利要求1所述用于基础乐理学习及视唱练耳的嵌入式装置，其特征在于，所述人机界面单元中的操作界面包括功能选择旋钮或按键，其它接口包括音频与视频输出接口。

5.根据权利要求1或4所述用于基础乐理学习及视唱练耳的嵌入式装置，其特征在于，所述嵌入式装置为台式结构，其操作界面的所述旋钮有音色旋钮、力度旋钮、速度旋钮、音量旋钮、音高调节旋钮、主课目旋钮、五线谱/简谱切换旋钮、视唱/练耳切换旋钮、子课目一旋钮、子课目二旋钮、子课目三旋钮、子课目四旋钮、子课目五旋钮、起始按钮、停止按钮、播放按钮。

6.根据权利要求1或4所述用于基础乐理学习及视唱练耳的嵌入式装置，其特征在于，所述嵌入式装置为掌上式结构，其操作界面的按键有菜单键、回退键、确认键、上移键、下移键、右移键、左移键、音量旋钮。

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