基于matlab的数字电子琴的完全指导手册.docx
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1. 概述
随着计算机软硬件技术的发展，越来越多现实物品的功能能够由计算机实现。
信号发生器原本是模拟电子技术发展的产物，到后来的数字信号发生器也是通过硬件实现的，本文将给出的则是通过计算机软件实现的数字信号发生器。
目前有许多功能强仿真软件（如LabView、EWB）提功了各种模拟信号发生器的功能，从而并没有多少人专门去开发数字信号发生器软件，即使是特殊功能的信号发生器也是基于仿真软件完成的，但是数字信号发生器的软件模块可以用来开发一些别的软件，如数字电子琴。
数字电子琴的编程实现已经有许多人已经做过了（例如基于BASIC的模拟电子琴[1]），也出现了很多功能较强大的模拟电子琴软件，如HappyEO、MidiPiano等。
2. 软件设计
2.1. 软件的功能
软件的功能由数字信号发生器和数字电子琴两部分组成。
（1）数字信号发生器的功能
能够产生正弦波、方波、三角波等常见的波形的数字信号，并且提供了图形界面用于选择波形、频率、幅值与相位。
能够根据用户指定的波形和参数产生相应的数字信号，然后将数字信号写入声卡的缓冲区，最后由声卡播放出相应的声音。
（2）数字电子琴的功能
数字电子琴的功能是基于数字信号发生器的，通过调用数字信号发生器产生一系列指定的频率的声音，从而达到虚拟的电子琴的功能，界面中包含A、B、…、O共15个琴键，鼠标按下时即发声，松开时发声停止。
2.2. 设计原理
数字信号发生器的功能就是将数字信号通过D/A转换变成所需要的模拟信号。
由于声卡本身具有D/A转换的功能，从而可以利用声卡在计算机了模拟信号发生器。
声卡的D/A转换机理是定时将声卡缓冲区中的内容转换成模拟信号并输出，所以软件所做的即是向声卡缓冲区中写数据。
以正弦信号为例，其模拟信号计算公式如下
为了实现数字信号的发生，在程序中先根据式
（2）计算出需要存放到缓冲区的数据，以数组的形式存放，然后将数据放入声卡的缓冲区。
对于其它波形，可以用类似方法实现。
对于方波，
式（3）
对于三角波，
式（4）
式中，x=fn/Fs+φ/2π。
软件的流程如图 1所示。
图 1 数字电子琴的流程图
2.3. 模块划分
模块化就是把程序划分成独立命名且可独立访问的模块，每个模块完成一个子功能，把这些模块集成起来构成一个整体，可以完成指定的功能满足用户需求。
根据人类解决一般问题的经验，如果一个问题由两个问题组合而成，那么它的复杂程度大于分别考虑每个问题时的复杂程度之和，也就是说把复杂的问题分解成许多容易解决的小问题，原来的问题也就容易解决了。
这就是模块化的根据。
在模块划分时应遵循如下规则[2]：
改进软件结构提高模块独立性；模块规模应该适中；深度、宽度、扇出和扇入都应适当；模块的作用域应该在控制域之内；力争降低模块接口的复杂程度；设计单入口单出口的模块；模块功能应该可以预测。
本着上述的启发式规则，对软件进行如图 2所示的模块划分。
图 2 数字电子琴的模块划分
各模块的实现将结合具体语言进行介绍。
3. VC编程实现
在VC中，MFC为界面设计提供了方便，本文采用MFC进行软件的实现。
3.1. 界面设计
根据软件的功能需求，可以设计如图 3所示的主操作界面。
图 3 数字电子琴的界面
主要包括三个部分：
第一个是琴键区，包含从A到O共15的音键，为了使程序易于扩充，音键应做成动态按钮；第二个是参数设置区，用于选择波形、频率、幅值和相位；第三个是图形显示区，用于显示波形。
3.2. 类的设计
在VC中新建一个基于对话框的MFC应用程序（工程名为DigitPiano）时，VC会自动生成三个类：
CAboutDlg，CDigitPianoApp，CDigitPianoDlg。
为了功能的实现，本文添加了三个类：
CSound，CPlayButton，CSoundButton。
下面分别介绍添加的三个类。
3.2.1.CSound类
声卡有一个声音缓冲区，这里面的内容就是要输出波形信息。
声卡每隔一定时间就把缓冲区的数据通过D/A转换器变成模拟的音频信号输出。
在windows下，访问这个缓冲区的标准方法就是通过directX的directSound，在这里你即可以直接向缓冲区写数据，也可以先写到directsound的声音缓冲区，在由操作系统将其送到声卡的缓冲区播放。
directsoound的缓冲区是环形的，所以，你只要向其中填写一次数据，系统就会不断地将其反复送到声卡的缓冲区中。
由于访问声卡的缓冲区是比较底层的操作，而且有许多参数需要设置，为了使发声操作变得容易，需要设计一个CSound类，将与发声有关的操作封装起来。
该类的定义如下：
#include
#pragmacomment（lib,"Winmm.lib"）
#defineSAMPLE_RATE11025
#defineOUT_BUFFER_SIZE80000
#definePI3.141592653589793
enumSOUNDTYPE{ST_SIN,ST_SQUARE,ST_TRIANGLE};
classCSound
{public:
UINTStartAudio（intAudioDuration,intfreq,charamp=127,floatphase=0.0）;
UINTStopGen（void）;
voidFillBuf（SOUNDTYPEsoundtype,intfreq,charamp,floatphase）;
UINTGenFreq（void）;
UINTPrepareDevice（UINTuDeviceID）;
UINTCloseDevice（void）;
CSound（）;
virtual~CSound（）;
char*buf;
protected:
MMRESULTmmres;
HWAVEOUTghwo;
WAVEFORMATEX*pwfx;
WAVEHDRpwh;
};
可以看出，该类包含有5个成员变量，其中一个是缓冲区指针buf，另外四个用于初始化设备与关闭设备。
对声卡的初始化工作主要包括：
（1）向WAVEFORMATEX与WAVEHDR结构体中加入相关参数；
（2）执行waveOutOpen函数以指定参数打开音频设备，获得音频输出设备资源；（3）为buf分配动态内存空间；（4）执行waveOutPrepareHeader函数为第2步获得的资源配缓冲区。
具体操作很复杂，CSound类将其封装为一个初始化函数PrepareDevice。
对buf的操作，CSound类将其封装为FillBuf函数，功能是将指定波形、频率、幅值和相位的数字信号写入buf中。
以下是该函数的源码。
可以看出，该函数主要由三部分组成，分别用于实现正弦波、方波、三角波，具体算法在2.2中已经给出。
voidCSound:
:
FillBuf（SOUNDTYPEsoundtype,intfreq,charamp,floatphase）
{ doublefAngle=0.0;
inti;
if（amp>127）amp=127;
if（amp<0）amp=0;
switch（soundtype）{
caseST_SIN:
//生成正弦波
for（i=0;i { buf[i]=（char）（amp*sin（fAngle+phase））;
fAngle+=2*PI*freq/SAMPLE_RATE;
if（fAngle>2*PI）fAngle-=2*PI;
}
break;
caseST_SQUARE:
//生成方波
for（i=0;i { buf[i]=（char）（amp*sin（fAngle+phase））;
if（buf[i]>0）buf[i]=amp;
elsebuf[i]=-amp;
fAngle+=2*PI*freq/SAMPLE_RATE;
if（fAngle>2*PI）fAngle-=2*PI;
}
break;
caseST_TRIANGLE:
//生成三角波
doublex=phase/2/PI;
x=x-（int）x;
for（i=0;i { if（x>=0&&x<=0.5） buf[i]=（char）（amp*（1-4*x））;
else buf[i]=（char）（amp*（4*x-3））;
x+=（double）freq/SAMPLE_RATE;
if（x>1）x-=1;
}
break;
}
}
另外还有几个主要成员函数是GenFreq、StopGen、CloseDevice，分别用于开始发声、停止发声、关闭音频设备以释放资源。
其中CloseDevice在析构函数中被调用。
3.2.2.CPlayButton类
设计CPlayButton类的目的是响应鼠标按下与鼠标松开两个消息，因为MFC中直接使用CButton类是不能单独响应鼠标按下与鼠标松开两个消息的。
因此在该类中添加了两个消息响应函数OnLButtonDown和OnLButtonUp。
由于该类的对象都被初始化为CDigitPianoDlg的子窗口，故在两个新的成员函数中用GetParent获得父类对象指针。
另外，在CDigitPianoDlg类中，定义了一个CSound类型的成员变量m_sound，所以可以两个新的成员函数可以访问m_sound。
下面给出代码。
在OnLButtonDown中加入以下代码。
CDigitPianoDlg*pParent=（CDigitPianoDlg*）GetParent（）;
pParent->m_sound.FillBuf（pParent->m_soundtype,pParent->m_frequency,
pParent->m_amp,（float）pParent->m_phase）;
pParent->m_sound.GenFreq（）;
pParent->Invalidate（）;
在OnLButtonUp中加入以下代码。
（（CDigitPianoDlg*）GetParent（））->m_sound.StopGen（）;
可以看出，按钮按下时调用GenFreq发声，松开时调用StopGen停止发声。
该类的对象对应于图 3中的“播放”按钮。
由于CSoundButton是以CPlayButton为基类，且将会重载其中一个成员函数，为了程序便于扩充，将两个新增成员函数都申明为虚函数。
3.2.3.CSoundButton类
该类是为动态生成音键的需要而定义的。
由于也要响应鼠标按下与鼠标松开两个消息，故以CPlayButton类为基类。
由于每个音键对应一个频率，故加入无符号整型成员变量m_frequency，相应的需要加入SetFrequency函数来为该变量赋值。
另外，需要重载OnLButtonDown函数，主要是将FillBuf中的频率参数从pParent->m_frequency改为m_frequency，从而发出自己的频率对应的声音。
3.3. 主控程序的实现
主控程序主要包含三部分内容，初始化、参数输入和图形显示，都是在CDigitPianoDlg类中实现的。
（1）初始化。
在OnInitDialog函数中，加入以下代码。
可以看出功能是音频设备的初始化、部分变量赋初始值和动态创建音键
m_sound.PrepareDevice（WAVE_MAPPER）;
m_SoundButtons=newCSoundButton[NUM_OF_SOUND_BTN];
for（inti=0;i { CStringstr;
str.Format（"%c",'A'+i）;
m_SoundButtons[i].Create（str,WS_CHILD|WS_VISIBLE|BS_PUSHBUTTON,
CRect（25*i,10,25+25*i,100）,this,8888+i）;
m_SoundButtons[i].SetFrequency（FreqTable[i]）;
}
（（CComboBox*）GetDlgItem（IDC_TYPE））->SetCurSel（0）;
UpdateData（FALSE）;
m_soundtype=ST_SIN;
（2）参数输入。
通过ClassWizard为每个输入框与下拉框关联一个成员变量，从而实现界面与后台的数据交换。
这样做不仅方便了数据交换，也可以方便的限制非法的输入（如在数值框中输入字符或者输入数值不在合法范围内）。
（3）图形显示。
在界面设计时用到了图形显示区，该区域其实是一个pic框控件，ID为ID_WAVEOUT，故图形的显示就是先获得显示区大小，然后在该区域中显示buf中的数据。
具体的实现可以先在OnDigitPianoDlg中加入如下函数。
voidCDigitPianoDlg:
:
PlotSoundBuf（）
{
CClientDCdc（GetDlgItem（IDC_WAVEOUT））;
CRectrect;
char*buf=m_sound.buf;
GetDlgItem（IDC_WAVEOUT）->GetWindowRect（rect）;
intHeight=rect.Height（）;
dc.MoveTo（0,Height/2）;
constfloatinv=1.0;
for（inti=（int）inv;i<（int）（rect.Width（）/inv）;i++）
dc.LineTo（（int）（inv*i）,（int）（buf[i]/150.*Height/2.）+Height/2）;
}
然后在OnPaint函数中调用PlotSoundBuff函数。
4. MATLAB编程实现及其与VC实现的对比
4.1. 使用GUIDE设计界面
MATLAB为了方便界面了设计，提供了GUIDE工具，其使用与VB、VC等的可视化编程类似。
根据功能需求，设计如图 4所示的界面。
其中含“axes1”的区域是绘图区。
可以看出，与MFC做的界面相比，多了一个“默认值”按钮，原因是方便快速输入初值。
在波形下拉框中添加了正弦波、方波、三角波、锯齿波、白噪声五项。
4.2. 后台程序设计
4.2.1. 参数的存储
为了将用户输入的参数存储起来以备其它函数的使用，这里采用handles结构体，因为该结构体在该程序的所有函数中都能够访问到，故可以作为全局变量使用。
一般地，存储参数需要用到以下代码
handles.XXX=YYY %XXX存储了YYY的内容
guidata（hObject,handles）; %保存存储结果
使用存储的内容时可直接引用handles.XXX。
图 4 使用GUIDE设计的界面
4.2.2.playsound函数
考虑到数字信号发生器与数字电子琴都会用到这样一个模块，也就是输入波形、频率、幅值、相位，输出声音和波形图。
所以为了避免代码重复，需要自定义一个名为playsound的函数，其代码如下。
functionplaysound（soundtype,frequency,amp,phase）
Fs=41000; %设置采样频率
x=[0:
1/Fs:
1];
switchsoundtype
case1 %正弦波
y=amp*sin（2*pi*x*frequency+phase）;
case2 %方波
y=amp*sign（sin（2*pi*x*frequency+phase））;
case3 %三角波
y=amp*sawtooth（2*pi*x*frequency+phase,0.5）;
case4 %锯齿波
y=amp*sawtooth（2*pi*x*frequency+phase）;
case5 %白噪声
y=amp*（2*rand（size（x））-1）;
otherwise
errordlg（'Illegalwavetype','Chooseerrer'）;
end
plot（x,y）; %显示波形
axis（[0,0.01,-200,200]）;
wavplay（y,Fs,'async'）; %播放声音，使用async（异步）模式可以实现发声的混迭
4.2.3. 添加回调函数
MATLAB对于输入框与按钮的响应都是通过自动调用相应的回调函数实现的。
对于波形选择下拉框，在回调函数中添加
handles.soundtype=get（hObject,'Value'）;
guidata（hObject,handles）;
以获得并存储所选波形。
对于频率输入，在回调函数中添加
handles.frequency=str2double（get（hObject,'String'））
guidata（hObject,handles）;
对于幅值与相位的输入可类似频率将结果存于handles.amp与handles.phase中。
对于播放按钮，在回调函数中添加
playsound（handles.soundtype,handles.frequency,handles.amp,handles.phase）;
对于音键，以A为例，在回调函数中添加
playsound（handles.soundtype,131,handles.amp,handles.phase）;
其中131为A键对应的频率。
默认值按钮的作用相当于初始化，在其回调函数中添加
set（handles.popupmenu1,'value',1）;
set（handles.edit1,'String','400'）;
set（handles.edit4,'String','180'）;
set（handles.edit5,'String','0'）;
handles.soundtype=1;
handles.frequency=400;
handles.amp=180;
handles.phase=0;
guidata（hObject,handles）;
最后，为主窗口添加一个KeyPressFcn回调函数，如下
switchget（hObject,'CurrentKey'）
case'1' %pushbutton1_Callback是A按钮的回调函数
pushbutton1_Callback（hObject,eventdata,handles）;
case'2' %pushbutton2_Callback是B按钮的回调函数
pushbutton2_Callback（hObject,eventdata,handles）;
……
end
用于响应键盘输入，从而可以使用键盘弹琴。
4.3.MATLAB与VC实现的对比
Matlab是Mathworks公司推出的数学软件，它将数值分析、矩阵计算、信号处理和图形显示结合在一起，为众多学科领域提供了一种简洁、高效的编程工具。
VisualC++是Windows平台下主要的应用程序开发环境之一，它能方便实现软件开发，开发的系统具有界面友好、执行速度快、易维护和升级等优点。
下面将给出两者在实现数字电子琴的不同点。
（1） 开发速度。
MATLAB的开发速度远比VC的快；
（2） 运行速度。
VC做的电子琴的运行速度远比MATLAB做的快；
（3） 界面。
尽管都能做出图形界面，但VC做的界面更加友好；
（4） 功能。
VC做的电子琴能在键按下时发声，松开时停止发声，但MATLAB只能在按键时发声1s，不能控制发声时间；
（5） VC开发的电子琴可以在所有windows环境下运行，而MATLAB开的发电子琴的运行依赖于MATLAB软件。
从对两者的对比可以看出，两种语言各有各的优点，因此实现VC与Matlab混合编程，使两者结合起来，协同工作，必将提高软件开发效率，使所开发的软件具有更高的性能，更大的应用范围，也可以为科学研究和工程技术提供更强的技术支持。
参考文献
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