彈吉他時(shí)最重要的事情之一是確保樂器音準(zhǔn)。即使是最好的吉他手，用一把走調(diào)的吉他也不會(huì)聽起來有任何好處。使用標(biāo)準(zhǔn)調(diào)音器手動(dòng)調(diào)音一直很常見，但自動(dòng)調(diào)音器讓事情變得更容易，更有趣！這個(gè)基于 Arduino 的項(xiàng)目將為您調(diào)音吉他。

概述

上圖顯示了自動(dòng)吉他調(diào)音器的概覽。

按鈕用于選擇要調(diào)音的琴弦

六個(gè) LED 顯示屏用于指示選擇了哪個(gè)字符串

連接到電機(jī)的夾具用于轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)音栓，直到琴弦調(diào)準(zhǔn)。

輸入和輸出由上述四個(gè)電路控制：按鈕的數(shù)字輸入電路、吉他的模擬音頻輸入電路、LED 顯示屏的數(shù)字輸出電路和調(diào)音栓的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路抓手。這四個(gè)電路與 Arduino Due 交互，后者正在運(yùn)行使用 Simulink 開發(fā)的算法。

音頻輸入電路

吉他通過標(biāo)準(zhǔn)吉他電纜連接到調(diào)音器。吉他電纜的末端有兩個(gè)連接，稱為尖端和套管。電纜的一端將連接到輸入插孔，該插孔具有用于尖端和套管的引線。我將電線焊接到這些引線上，以將尖端和套管連接到音頻輸入電路。

我建議在這個(gè)電路中使用 TL972 運(yùn)算放大器。它是一款噪聲非常低的軌到軌放大器，可以在非常低的電源電壓下工作。

電動(dòng)調(diào)音釘夾

這個(gè)項(xiàng)目中沒有使用任何直流電機(jī)。我需要一個(gè)低速高扭矩的減速電機(jī)。我使用的電機(jī)速度為 6 RPM，最大扭矩為 613 oz-in。它的電壓范圍為 3-12 V，因此我使用 9 V 電池作為電源。

在電機(jī)的軸上，我使用夾具輪轂、四個(gè)螺絲和一些膠帶組裝了一個(gè)簡(jiǎn)單的夾持機(jī)構(gòu)。

軟件

我使用Simulink 及其對(duì) Arduino 的支持包來開發(fā)調(diào)諧器的算法。Simulink 是用于開發(fā)算法和建模動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的框圖環(huán)境。支持包允許我使用 Simulink 模塊讀取和寫入 Arduino 上的引腳。使用該軟件的外部模式功能，我可以在 Arduino 上模擬一個(gè)算法，在模擬運(yùn)行時(shí)自動(dòng)生成代碼并調(diào)整參數(shù)，而無需重新編譯任何代碼。然后我可以將算法部署到硬件以獨(dú)立執(zhí)行。我創(chuàng)建的模型如下所示：

外部模式允許使用范圍模塊來監(jiān)控在硬件上運(yùn)行的算法的某些部分。這對(duì)于監(jiān)聽按鈕的數(shù)字輸入和吉他的模擬輸入特別有用。從按鈕作用域我們可以看到，當(dāng)按鈕被按下時(shí)，輸入從 0 變?yōu)?1。

我希望這個(gè)從 0 到 1 的變化觸發(fā)所選字符串的變化。這被稱為上升觸發(fā)器。我創(chuàng)建了一個(gè)名為“Select String”的 Stateflow 圖，它有六個(gè)狀態(tài)，每個(gè)字符串一個(gè)狀態(tài)，并根據(jù)這個(gè)上升的觸發(fā)輸入從一個(gè)狀態(tài)更改為下一個(gè)狀態(tài)。以下是對(duì) Stateflow 圖的更詳細(xì)介紹：

進(jìn)入每個(gè)狀態(tài)后，相應(yīng)燈串的 LED 引腳設(shè)置為高電平。在退出每個(gè)狀態(tài)時(shí)，該引腳設(shè)置為低電平。我選擇了六根弦中最低的低 E 弦作為我的默認(rèn)值。當(dāng)我第一次打開調(diào)諧器時(shí)，它將以這種默認(rèn)狀態(tài)啟動(dòng)。

Stateflow 圖上有七個(gè)輸出：一個(gè)用于六個(gè)燈串中的每一個(gè)的 LED，一個(gè)稱為“periodRange”，我將在后面討論。六個(gè) LED 輸出直接進(jìn)入 Arduino 數(shù)字輸出模塊，以打開或關(guān)閉相應(yīng)的 LED。

現(xiàn)在讓我們看看模型的音頻處理部分。吉他信號(hào)通過模擬輸入模塊進(jìn)入。對(duì)于 5 kHz 的采樣率，我將塊的采樣時(shí)間設(shè)置為 0.0002 秒。當(dāng)我彈吉他并打開音頻范圍塊時(shí)，我能夠看到如下圖所示的波形：

示波器塊幫助我調(diào)整音頻電路中的電位器以改變輸入的增益。在波形峰值不達(dá)到最大值 1023 的情況下，應(yīng)將增益設(shè)置得盡可能高。這將允許最精確地讀取信號(hào)。

不彈吉他時(shí)，輸入信號(hào)應(yīng)該是 500 到 700 之間的一條直線。在我的例子中，它大約是 550。知道這個(gè)值很重要，因?yàn)檎{(diào)音器應(yīng)該只在有音符時(shí)處理音頻正在播放。我選擇了一個(gè)值 575，就在這條平線上方，作為我的閾值。僅當(dāng)信號(hào)高于此閾值時(shí)才會(huì)處理音頻。由于 Simulink 允許我在仿真運(yùn)行時(shí)調(diào)整參數(shù)，因此我可以輕松設(shè)置閾值。

當(dāng)在吉他上彈奏單個(gè)音符時(shí)，生成的波形是周期性的。波形的周期對(duì)應(yīng)于某個(gè)音高。調(diào)音算法通過確定波形的周期來估計(jì)弦的音高。我編寫了一個(gè)執(zhí)行此音高估計(jì)的 MATLAB 函數(shù)，并使用 MATLAB 功能塊將其包含在我的 Simulink 模型中。為了確定字符串是否合拍，MATLAB 函數(shù)需要一個(gè)輸入來指示每個(gè)字符串的音調(diào)范圍。這是 Stateflow 圖的輸出“periodRange”。該函數(shù)根據(jù)周期范圍確定琴弦的音高是過高、過低還是音準(zhǔn)，并相應(yīng)地為電機(jī)生成輸出。

MATLAB 函數(shù)的輸出是控制電機(jī)的三個(gè)引腳。這些輸出直接進(jìn)入 Arduino 數(shù)字輸出模塊。

一旦我確保我的算法一切正常，我就可以將它部署到硬件上，這樣它就可以獨(dú)立運(yùn)行，而無需連接到 PC 并且獨(dú)立于 Simulink。