内容介绍

第1章项目介绍

1.1 项目功能介绍

1.可以通过电子琴拓展板上的主按键进行弹奏，支持两个按键同时按下（和弦）并且声音不失真，通过有上方的“上“、”下”两个按键对音程进行扩展，同时按住上和主琴键，能够升调，按住下和主琴键，能够降调。

2.使用扬声器进行播放时，输出的音调信号支持该音调的单频正弦波与多次谐波成分。

3.音乐的播放支持两种方式，通过开关进行切换：当开关切换到蜂鸣器端，可以通过蜂鸣器来进行音乐播放。当开关切换到扬声器端，可以通过模拟扬声器来进行音乐播放

4.支持记录功能，用户按下琴键时开启记录，电子琴每20秒重置一次记录文件，可以记录旋律并播放。

本文完成了该链接下的任务：https://www.eetree.cn/task/839

1.2 设计思路

本项目首先基于硬禾新品RP2350B核心板的硬件功能，实现完整电子琴的若干基础功能。

基于RP2350B的原理图，扫描所有GPIO 测试通断获得拓展板对应的琴键映射。使用micropython下的GPIO操作功能实现获取用户操作，使用PWM输出到蜂鸣器或喇叭，使用文件读写功能实现按键记录，写入部分函数实现正弦波、谐波的PWM转换。

通过函数实现谐波等，输入到扬声器。

1.3 硬件框图

核心板

电子琴拓展板

1.4 软件流程图

1.5 项目方案框图

第2章硬件介绍

2.1 核心板

硬禾版本的RP2350B核心板，兼容了原小脚丫FPGA核心板的信号定义，可以使用为小脚丫FPGA定制的各种扩展板进行设计。

由于RP2350的强大性能 - 双核Arm处理器 + 双核RISC-V处理器，以及可编程IO（PIO），该芯片不仅支持通用的外设总线（I2C、SPI以及UART）访问，还可以通过适当的配置让PIO访问高速外设，在很多场景下能够完成FPGA才能实现的功能。

相对于RP2040和RP2350A只有30个IO，RP2350B拥有48个IO，这增加的18个IO就可以通过合理的配置，可以访问更多的外设。

支持：

8颗单色LED，用于各种LED相关的编程练习，比如心跳灯、流水灯、呼吸灯

2个三色LED，用于使用RGB三种颜色的编程练习，比如交通灯的控制，在这里2颗三色灯是通过一根串行信号线来控制，同小脚丫FPGA核心板通过6根IO来控制不同，主要是为了节省IO信号线的数量

2个7段数码管，用于计数、显示数字信息，可以显示0-99之间的数字，在这里我们使用了两颗74HC595将3根控制信号线转换为7段数码管的驱动信号

4个拨码开关，用于设置、切换一些状态，其状态是使用模拟信号的方式送到RP2350B的ADC进行判断

4个轻触按键，用于控制信息的输入，其状态是使用模拟信号的方式送到RP2350B的ADC进行判断

https://www.eetree.cn/platform/4125

2.2 电子琴拓展板

硬禾科技为“暑假在家一起练”设计过一款电子琴套件，这个STEP_RP2350B核心板同样也可以使用。

有别于其它电子琴只用单调发音的蜂鸣器，这个电子琴在保留了蜂鸣器的基础上（用于对比），直接采用了扬声器，英文叫Speaker，它的音质洪亮、圆润，只要你能给它足够好的信号，它都能完美地播放出来，别说可以播放电子琴、钢琴的声音，即便小提琴、摇滚乐的声音它也能绘声绘色地给你播放出来

资料位置：https://www.eetree.cn/platform/1105

第3章实现的功能及图片展示

正常按下后，与电子琴功能一致，会顺序模仿12345671（升调）的简谱音频。

同时按住上、下和音调键，可以实现升调、降调

单独按下升调键，启动回放，回放优先级高于按键。拨动中间的选项键，可以指向使用蜂鸣器或喇叭播放音频。

上位机显示交互：

音量调节

第4章主要代码片段及说明

音频实现和键盘映射：MAP

note_frequencies = {
    'C': 262,
    'D': 294,
    'E': 330,
    'F': 349,

键盘映射：

key_map = {
    4: 'C',     # 1
    6: 'D',     # 2
    8: 'E',     # 3
    9: 'F',     # 4
    11: 'G',    # 5

键盘记录模块：

def record_key(gpio):
    global record_start_time
    elapsed = time.time() - record_start_time
    with open(RECORD_FILE, 'a') as f:
        f.write(f"{elapsed:.2f}:{gpio}\n")
谐波成分
    # 定义谐波成分：(振幅比例, 倍频)
    harmonics = [
        (1.0, 1),   # 基频
        (0.4, 2),   # 二次谐波
        (0.2, 3),   # 三次谐波
        (0.1, 4),   # 四次谐波（轻微加入）
    ]

波形构建

    # 构建多谐波叠加的波形
    waveforms = []
    for amp, order in harmonics:
        lut = [int(((math.sin(2 * math.pi * i / 64 * order) + 1) * 16383) * amp) for i in range(64)]
        waveforms.append(lut)

第5章遇到的主要难题及解决方法

存储问题，使用micropython时，操作内部文件容易将文件系统环境搞崩，最后只采取append和write模式仅对txt实现读写，取得了稳定的效果。

由于需要定义的按键非常多，为了加速开发进度，不再读原理图，直接扫描板卡的对应按键，具体实现操作为上拉电阻，检测到按下时，print突然上电的GPIO号，快速判别出电子琴拓展板的所有内容。

谐波生成部分，阅读了一部分的乐理知识，同时调试了播放时长等内容。

重播问题，按下回放键后可能会出现很长时间没有声音的情况，以为属于bug ，最后发现是因为时间播放功能记录的实现，导致了会复刻原按键时间间隔顺序，如果开始录制的前10秒不按键，重播时会停止演奏10秒，最终采用20秒删除一次文件内容实现。

第6章对本活动心得体会

需达到除代码之外的约1500字

第1章 项目介绍