我如何制作数字迷你吉他

在本文中，我将尝试概括地描述从概念到可用原型的实现创建设备的路径。



我叫德米特里·杜达列夫（Dmitry Dudarev）。我从事电子产品的开发，并且非常喜欢创建各种便携式设备。我也喜欢音乐。六个月前，我从朋友那里借了一把原声吉他，尝试从YouTube的课程和编排中学习如何弹奏。那个挺难。我做错了什么，或者我做错了，或者在祖先的社会中，良好的运动技能损害了生殖能力。无论如何，除了嘎嘎作响的声音对我来说什么都没有。琴弦的不断失谐加剧了我的愤慨。我周围的人千分之一次地不喜欢听我的曲调。



但是在这些痛苦中，我没有忘记电子工程师的主要规则。如果存在，则可以在其中插入微控制器。或至少进行便携式电子修改。

理念

数字吉他的结构开始浮现在脑海。



首先，我列出了该设备的要求：

1. 设备应在指板上模拟6弦12品格的吉他
2. 应该紧凑，理想情况下是可折叠的，因此无论您走到哪里都可以随身携带
3. 应该连接到所有流行的轴-Android，IOS，Windows，Linux，MacOS，并在那里被定义为没有任何驱动程序的MIDI设备
4. 电池操作
5. 连接应以无线方式进行（但由于会有USB连接器进行充电，因此也可以通过电线进行连接）
6. ,
7. , ,
8. : hummer on, pull off, slide, vibrato
9. midi 10

当然，对于移动平台，您将需要编写一个应用程序，在该应用程序中，您可以选择用于通过LED进行教学的制表法，选择一种乐器（声学，古典，具有各种滤波器预设的电吉他等）并播放声音。



从理论上讲，您应该获得一种紧凑的乐器，可以像吉他一样演奏，没有模拟缺陷，并配备了视觉训练系统。

听起来可以实现。

类似物

因此，首先，我想到了如今几乎不可能提出新的东西并且已经有人做过的想法，我去谷歌搜索。实际上，事实证明，第一款数字吉他是1981年制造的，但是由于功能有限，它并未得到广泛使用。







也有现代紧凑型Midi吉他，但它们是为更专业的目标受众而设计的，价格昂贵，最重要的是没有“推光”模式。iPad甚至还有奇异的选择，而不是弦乐或类似蛤lam。







这样就可以开始了。

概念证明

我决定从概念验证开始。匆忙的最小原型。

首先，您需要确定元素基础。



控制器



在我的项目中，我主要使用STM32。它们功能强大，价格便宜，价格适中。选择STM32F042。它具有一个USB（以及一个特殊的内部48MHz振荡器，以免挂在外部石英上），一个32位内核和所有必需的外围设备。而这一切不到一美元。



我决定将无线连接留给下一个迭代。



甲板上的



弦线作为弦线，我决定打印塑料簧片，将它们固定在带弹簧的电位器上，并测量偏转角。



实体模型并打印以评估人体工程学。











事实证明，触摸效果很好。应该管用。



脖子传感器



吉他应该有6弦和12品格。脖子上总共有72个传感器，甲板上还有6个。一个人可以在每个元素上使用一个勾号按钮，但首先，它们会单击，其次，它将无法实现幻灯片或颤音之类的技术。我也想确定压力。



应变片似乎最适合此任务。它们根据工作区域上的压力改变其阻力。







事实证明，要找到合适数量的销售非常困难，而且价格昂贵。我不得不订购阿里。



ADC



需要一个ADC来读取每个传感器的状态。 STM中只有少数几个传感器，因此您将需要其他一些东西来轮询78个传感器。可以使用外部多通道ADC芯片，但是它们太昂贵了。因此，我决定安装5个便宜的16通道模拟多路复用器CD74HC4067，并将每个STM ADC通道连接一个。



费用



在开始测量之前，请启动电路板。传感器引线很长，因此我们必须将它们重叠。















在订购电路板印刷之前，我决定等待应变计。而且，事实证明，这并非徒劳。



在这80个传感器中，只有少数几个在工作，然后具有不同的参数。







它们与卖方网站上的图像明显不同，更糟的是。



什么也我希望阿里？购买电子时..



然后我恍然大悟。



毕竟，您可以应用另一种检测方法-与触摸传感器一样测量电容。它便宜得多而且负担得起。而且，如果您正确地设计了力学，则可以确定工作量。



好。我删除所有已完成的操作。

重新再来

在简约概念验证的新版本中，我选择了从4毫米铜棒上锯开并焊接到板上作为传感器元件的圆柱体。



现在我们需要弄清楚如何测量78个容器。



传感器调查经过



一番摸索，我发现有很多微电路-触摸键盘的控制器。其中我们设法找到了便宜的12通道通用电容表。它以皮法拉单位为单位测量电容，这对于我计划在下一个修改中实现的力测量电路应该足够了。

另外，以防万一，我在每个脖子上都挂了一个纽扣或类似物的座位。他在板上开孔，这样您不仅可以触摸圆柱体，还可以将其挤压到内部。您可以尝试不同的演奏技巧。



该微电路通过I2C接口连接，并具有2个用于设置地址的配置引脚。因此，一条总线上最多可悬挂4个微电路。我需要12。没问题，我将它们分为三组，并通过多路复用器将它们连接到STM总线。



板











这次，我们设法订购了板，甚至等待其生产。



密封套件，铜制圆柱体和电位计后，我意识到带塑料弦的设计太复杂了。因此，就目前而言，我决定将相同的传感器圆柱体悬挂在甲板上，但更为真实。为了不重做整个电路板，我做了一个小的覆盖并将其连接到第二条I2C STM总线。







铁片准备好了。下一个任务是扮演她。

软件

该计划如下：

1. 下载可以与MIDI设备配合使用并产生吉他声音的虚拟合成器。
2. 编写固件，该固件将轮询传感器并将结果通过USB自定义HID接口每秒传输约100次。
3. 编写一个将接收此数据，模拟虚拟MIDI设备，生成MIDI数据包并将其发送到虚拟合成器的python程序。

我决定弄清楚如何稍后再假装成为MIDI设备。



如何再现声音？



有许多支持MIDI的Windows虚拟合成器。我在Kontakt的RealGuitar，FL工作室尝试了Ableton live。我停在RealGuitar，因为它的吉他简单且精确。他甚至知道如何模仿人类演奏的不完美之处-手指在琴弦上的滑动，音符的随机参数。







连接到虚拟合成器



对于python，我们设法找到了可以模拟虚拟midi端口的mido库，该库可以通过“ loopmidi” midi电缆的外部仿真器连接到虚拟合成器的输入。







在程序界面中，我以图形方式显示了每个传感器测得的电容水平，以简化滤波器的调整。另外，为了将来，我添加了LED控件，振动电机（我尚不知道为什么，但也将在吉他中使用），加速度计的可视化效果和电池电量。







为了敲击吉他弦以触发正确的音符，指板上的所有72个传感器必须映射到适当的音符。



事实证明，在12个品格的72个元素中，只有37个是独特的音符。它们是按照一定的结构排列的，因此，不用建立一个大桌子，而是可以导出一个简单的方程式，该方程式将相应的音符编号与传感器编号一起给出。







测试



看起来一切准备就绪，可以进行第一次测试。我懒得看杆子并焊接所有12品格，所以我将自己限制在第8位。关键时刻：





它还活着！该概念的可行性已得到确认。幸运的是，没有限制！但是你不能放松。



下一步是在所有流行的平台上添加LED，加速计，振动电机，电池，无线设备，外壳以及无需驱动程序或Midi仿真程序即可工作的功能。



LED



要连接84个LED，我选择了14个8位移位寄存器的最简单菊花链。将它们连接到STM的SPI MOSI引脚并通过DMA发送数据阵列非常方便，而无需内核的参与。



加速度计



我对加速度计没有任何特殊要求，因此我选择了最简单的LIS3D。有了它，吉他将确定其相对于水平线的倾斜度，这将允许您在用手演奏时调节各种声音滤波器。



无线



对于无线数据传输，我决定安装ESP32。它支持各种蓝牙和WI-FI协议，会有一些试验（当时我还不知道在我的情况下只有一种正确的连接方式）。



主体



主体必须是可折叠的，因此甲板和颈部的电子设备必须分成两块板，并通过带状电缆连接。



当琴颈打开时，由于琴颈上的磁铁靠近盖板上的霍尔传感器，将打开电源。

入门

在尝试各种触觉颈部设计和LED扩散器方面，已经做了很多工作。我希望元素的整个表面均匀发光，同时保持检测触摸和按下按钮的能力。







我找了一个专业从事工业设计的朋友。我们提出了吉他弯曲装置的设计，然后他设计并印刷了原型琴体。







似乎所有事情都考虑周全，您可以开始对电路板进行布线。























MIDI设备



首先，在新版本中，我希望将吉他通过USB连接时检测为MIDI设备，而无需任何其他程序。



事实证明，这样做并不是那么困难，所有规范都在官方网站usb.org上。但是必须在控制器中的C中重写在Python应用程序一侧执行的所有算法。



我很惊讶它立即在所有设备上都起作用。 Windows 10，MacOS，Debian 9，Android（通过USB适配器）。只需插入电线，一个名为“ Sensy”的MIDI设备就会出现在系统中，并且被所有合成器识别。我还无法使用iPhone进行测试。没有适配器。但是它应该以相同的方式工作。







无线接口



下一个挑战是无线完成工作。



我太懒了，无法立即使用Google，所以我花了几天的时间测试各种无线接口。我立即解雇了BLE，因为在我的脑海中，“低能耗”与低数据包速率密切相关。在客户端模式下尝试WI-FI，在热点模式下尝试WI-FI，在SPP模式下尝试蓝牙等。到处都存在相同的问题-巨大的延迟（每眼超过100毫秒）和不均匀的数据包到达时间。这使游戏无法进行。



我正准备放弃并制作一个单独的加密狗，该加密狗会插入手机或计算机的USB中，并通过自定义收音机接收吉他的数据。



但是后来我偶然偶然发现了新版本的BLE协议的规范，发现最小连接间隔为7.5ms，这完全符合我的要求。



此外，事实证明，存在一个BLE MIDI协议，所有新操作系统都支持该协议，并且该协议无需USB MIDI等任何驱动程序即可工作。



唯一的问题是，通常只有相对较新的平台才支持如此短的连接间隔和BLE MIDI。细节仍有待观察，但是对我可用的设备的测试是成功的。



一些新iPhone甚至预装了虚拟Garage Band合成器，能够产生高质量的吉他声音（如果没有，您可以从App Store免费下载）。



固件



编写了所有必要的最低限度功能后，我完全依靠了STM闪存的大小。只有168个字节保持空闲状态。显然，硅神很喜欢我，这意味着我朝着正确的方向前进。







可能会更深入地优化代码并显着减少占用的内存量，但在下一版本中使用较厚的控制器会更容易，后者的成本增加了5美分，并且不会浪费时间。而且，您永远都不知道要添加哪些其他功能。

但是最低的功能还不够，您仍然需要使用游戏技术。首先，我要实现幻灯片。这是当您开始用固定的品格弹奏音符并将您的手沿琴颈滑动时，从品格跳到品格的时候。



我已经对USB有了一些乐趣，因此您可以注释掉与USB相关的所有代码以及可用内存。您还可以进行无线测试：





如果您在黑暗的洞穴中迷路，可以使用所有LED亮起的吉他。







这种设计的缺点是什么？

1. 在传感器上，没有在任何地方测量压力。这带来了三个问题：
   
   
   • 甲板和指板上的相邻弦乐不断受到随机敲击。这使游戏非常具有挑战性。
   • 所有演奏的音符都以相同的音量演奏。大多数主体并没有注意到这一点，但是我想更接近真实的吉他演奏。
   • 无法使用锤击，拉动和颤音技术
2. LED是一种颜色。这会限制演奏表谱时的清晰度。我希望能够用不同的颜色指示游戏的不同方法。
3. . – . , , , .
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我将移至STM32F07系列控制器。它已经具有128KB的闪存-足够用于任何功能。甚至是复活节彩蛋。



在吉他的最终版本中使用ESP32太过胆了，所以我去寻找更正统的东西。在可访问性，文档可用性和站点充分性方面，选择取决于NRF52。



当然，还将实施三项重大创新：

• LED现在是RGB，
• 棒的每个传感器上都会进行力测量（不再需要轻触按钮），
• 音板上的弦将移动。

此刻，盖板看起来像这样（以防万一，我留下了ESP的足迹）：





该项目称为Sensy，目前正在积极开发中。已经完全有信心将实现所有计划的功能，因此决定进一步开发。



我们在圣彼得堡，现在团队由两个人组成：我负责技术部分，我的合伙人-市场，财务，法律事务。



如果在船体设计或移动开发领域的Jedi读者中希望加入该项目，请随时随地给我写信。



谁有兴趣关注该项目的新闻-在网站上的表格中留下邮件并订阅社交网络。



我真的希望从Habrasocommunity反馈意见和建议！





感谢您的关注！