基于声卡的数字信号发生器与数字电子琴的实现

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 <mmsystem.h>

#pragma comment(lib,"Winmm.lib")

#define SAMPLE_RATE 11025

#define OUT_BUFFER_SIZE 80000

#define PI 3.141592653589793

enum SOUNDTYPE{ST_SIN,ST_SQUARE,ST_TRIANGLE};

class CSound

{public:

       UINT StartAudio(int AudioDuration,int freq,char amp=127,float phase=0.0);

       UINT StopGen(void);

       void FillBuf(SOUNDTYPE soundtype,int freq,char amp,float phase);

       UINT GenFreq(void);

       UINT PrepareDevice(UINT uDeviceID);

       UINT CloseDevice(void);

       CSound();

       virtual ~CSound();

       char *buf;

protected:

       MMRESULT mmres;  

       HWAVEOUT ghwo;

       WAVEFORMATEX *pwfx;

       WAVEHDR pwh;

};

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。

void CSound::FillBuf(SOUNDTYPE soundtype, int freq, char amp, float phase)

{     double fAngle=0.0;

       int i;

       if(amp>127)amp=127;

       if(amp<0)amp=0;

       switch(soundtype){

       case ST_SIN:        //生成正弦波

              for(i=0;i<OUT_BUFFER_SIZE;i++)

              {     buf[i]=(char)(amp*sin(fAngle+phase));

                     fAngle+=2*PI*freq/SAMPLE_RATE;

                     if(fAngle>2*PI)fAngle-=2*PI;

              }

              break;

       case ST_SQUARE:        //生成方波

              for(i=0;i<OUT_BUFFER_SIZE;i++)

              {     buf[i]=(char)(amp*sin(fAngle+phase));

                     if(buf[i]>0)buf[i]=amp;

                     else buf[i]=-amp;

                     fAngle+=2*PI*freq/SAMPLE_RATE;

                     if(fAngle>2*PI)fAngle-=2*PI;

              }

              break;

       case ST_TRIANGLE:    //生成三角波

              double x=phase/2/PI;

              x=x-(int)x;

              for(i=0;i<OUT_BUFFER_SIZE;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=new CSoundButton[NUM_OF_SOUND_BTN];

       for(int i=0;i<NUM_OF_SOUND_BTN;i++)

       {     CString str;

              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。

void CDigitPianoDlg::PlotSoundBuf()

{

       CClientDC dc(GetDlgItem(IDC_WAVEOUT));

       CRect rect;

       char *buf=m_sound.buf;

       GetDlgItem(IDC_WAVEOUT)->GetWindowRect(rect);

       int Height=rect.Height();

       dc.MoveTo(0,Height/2);

       const float inv=1.0;

       for(int i=(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。

function playsound(soundtype,frequency,amp,phase)

Fs=41000;             %设置采样频率

x=[0:1/Fs:1];

switch soundtype

    case 1     %正弦波

        y=amp*sin(2*pi*x*frequency+phase);

    case 2     %方波

        y=amp*sign(sin(2*pi*x*frequency+phase));

    case 3     %三角波

        y=amp*sawtooth(2*pi*x*frequency+phase,0.5);

    case 4     %锯齿波

        y=amp*sawtooth(2*pi*x*frequency+phase);

    case 5     %白噪声

        y=amp*(2*rand(size(x))-1);

    otherwise

        errordlg('Illegal wave type','Choose errer');

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

switch get(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。Visual C++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

[1]          刘壮，张晓华. 微机模拟电子琴的程序设计思想. 吉林工业大学学报，1994年第2期

[2]          张海藩. 软件工程. 北京：人民邮电出版社, 2002