Bianca-Mihaela CAUC (78494) - Pian electronic

Autorul poate fi contactat la adresa: Login pentru adresa

Proiectul care se doreşte a fi implementat constă în realizarea unui pian electronic capabil să redea notele muzicale din mai multe octave, permițând și opțiuni pentru înregistrarea și redarea melodiilor.

Astfel, se dorește ca proiectul să se aproprie cât mai mult de modul de funcționare al unui pian adevărat și poate reprezenta o jucărie pentru cei pasionați de muzică, indiferent de vârsta lor.

Pianul va conține butoane pentru a reprezenta clapele dintr-o octavă:

• 7 butoane care vor reprezenta clapele albe: Do, Re, Mi, Fa, Sol, La, Si
• 5 butoane pentru clapele negre

Pianul are 3 moduri de funcţionare: Normal Mode, Recording Mode, Play Mode şi permite emiterea notelor muzicale din primele 6 octave. Pentru schimbarea octavei curente se folosesc 2 butoane: incrementare octavă şi decrementare octavă. Modul de funcţionare în care se deschide programul este Normal Mode, având setată octava 1. Octava curentă poate fi identificată prin culoarea LED-ului corespunzător modului normal de funcţionare (octava curentă poate fi văzută doar dacă pianul se află în Normal Mode sau Recording Mode). Astfel, codificările celor 6 octave sunt următoarele:

• Octava 1: <fc #0000FF>Albastru</fc>
• Octava 2: <fc #00FF00>Verde</fc>
• Octava 3: <fc #00FFFF>Cyan</fc>
• Octava 4: <fc #FF00FF>Magenta</fc>
• Octava 5: <fc #FFFF00>Galben</fc>
• Octava 6: Alb

• Normal Mode: Permite utilizatorului să cânte prin apăsarea butoanelor corespunzătoare notelor muzicale. În cazul în care acest mod este cel activ, LED-ul va avea una dintre culorile corespunzătoare celor 6 octave, altfel va fi <fc #FF0000>roşu</fc>.
• Recording Mode: acest mod permite utilizatorului să înregistreze melodia pe care o cântă (în cazul în care există deja o melodie înregistrată, aceasta va fi suprascrisă). Înregistrarea va porni în momentul în care se apasă butonul Record și se va opri când se apasă din nou pe buton. Starea în care se află pianul în cadrul Recording Mode va fi dată de un led RGB: dacă acest mod de funcționare nu este selectat, LED-ul va fi <fc #FF0000>roșu</fc>, altfel în momentul în care nu se înregistrează ledul va fi <fc #0000FF>albastru</fc> (indicând că este pregătit să înregistreze), iar în momentul în care se află în procesul de înregistrare, acesta va avea culoarea <fc #00FF00>verde</fc>. În plus, clapele pianului vor emite sunete doar când LED-ul acestui mod de funcţionare este verde (nu se emit sunete dacă se află în starea READY), iar octava curentă va fi indicată de LED-ul corespunzător modului normal de funcţionare.
• Play Mode : acest mod permite utilizatorului să redea ultima melodie înregistrată. În timpul redării melodiei, apăsarea butoanelor corespunzătoare clapelor nu va avea niciun efect (nu se va emite niciun sunet). Pentru a opri redarea melodiei, se va apăsa din nou butonul corespunzător modului Play .Ca și în cazul modului anterior, LED-ul va indica starea: <fc #FF0000>roșu</fc> indică faptul că acest mod de funcționare nu este selectat, culoarea <fc #00FF00>verde</fc> a LED-ului va semnifica faptul că o melodie este redată în acel moment, iar <fc #0000FF>albastru</fc> indică faptul că este pregătit să redea o melodie înregistrată.

Pe lângă componentele plăcii de bază, se vor folosi:

• Buzzer
• 12 butoane care corespund clapelor: 7 butoane pentru clapele albe și 5 butoane pentru clapele negre
• 2 butoane pentru schimbarea octavei curente: un buton pentru incrementare și unul pentru decrementare
• 3 butoane pentru schimbarea modului de funcționare: un buton pentru setarea Normal Mode, un buton pentru Recording Mode (start/stop recording) și unul pentru Play Mode (start/stop melodie înregistrată)
• 3 LED-uri RGB folosite pentru indicarea stărilor modurilor de funcţionare şi a octavei curente
• Alte componente adiționale

Iniţial, am dorit să implementez următoarea schemă electrică:

Totuşi, în momentul în care m-am apucat de implementarea hardware, am întâmpinat câteva probleme, deoarece programul nu funcţiona aşa cum ar fi trebuit când legam butoane la următorii pini:

• PC7 (se detecta butonul conectat la acest pin ca fiind mereu apăsat)
• PD2 şi PD3 (nu mai intra în bootloader)

Din aceste motive, a trebuit să renunţ la folosirea lor şi să mă folosesc de cei rămaşi liberi (PB1 şi PB0) şi din cauză că nu mai aveam încă un pin liber, am decis să elimin butonul corespunzător notei DO2, întrucât aceasta poate fi redată prin alegerea lui DO din octava superioară a celei curente. De asemenea, deşi iniţial am dorit să pun toate butoanele corespunzătoare clapelor albe la un port, iar cele corespunzătoare clapelor negre la un alt port , mi-am dat seama că acest lucru îmi va cauza probleme când lipesc, deoarece s-ar fi încurcat firele între ele foarte mult. Schema electrică finală este următoarea:

• Butoanele pentru cele 3 moduri de funcționare: PA5 (Play mode), PA6 (Recording mode), PA7 (Normal mode)
• Cele 2 butoane pentru setarea octavei curente: PA3 (Octava–), PA4 (Octava++)
• LED RGB pentru indicarea octavei curente: PA0 (Red), PA1 (Green), PA2 (Blue)
• LED RGB pentru Recording Mode: PB5 (Red), PB6 (Green), PB7 (Blue)
• LED RGB pentru Play Mode: PB2 (Red), PB3 (Green), PB4 (Blue)
• Butoane corespunzătoare clapelor albe: PB1 (DO), PC5 (RE), PC3 (MI), PC2 (FA), PC0 (SOL), PD1 (LA), PD0 (SI)
• Butoare corespunzătoare clapelor negre: PC6 (DO#), PC4 (RE#), PC1 (FA#), PD4 (SOL#), PB0 (LA#)
• Buzzer: PD5

Aplicația a fost dezvoltată în Programmer's Notepad, iar pentru încărcarea acesteia pe microcontroller s-a folosit HID Boot Flash.

Am început prin a defini în my_utils.h o serie de variabile globare şi de macro-uri cu scopul de a avea un coding style cât mai frumos.

• Stările posibile ale unui mod de funcționare:

#define DISABLED 0
#define READY    1
#define ACTIVE   2

• Reținerea pinilor pentru fiecare culoare a fiecărui LED din cele 3 posibile:

/* Pini pentru LED-ul corespunzator modului normal de functionare + octava curenta */
#define NORMAL_MODE_RED        PA2
#define	NORMAL_MODE_GREEN      PA1
#define NORMAL_MODE_BLUE       PA0

/* Pini pentru LED-ul corespunzator modului de inregistrare */
#define RECORDING_MODE_RED     PB5
#define RECORDING_MODE_GREEN   PB6
#define RECORDING_MODE_BLUE    PB7

/* Pini pentru LED-ul corespunzator modului de redare */
#define PLAY_MODE_RED          PB2
#define PLAY_MODE_GREEN        PB3
#define PLAY_MODE_BLUE         PB4

• Reținerea pinilor unde sunt conectate butoanele de control și buzzer-ul

/* Pini pentru butoanele de control */
#define NORMAL_MODE_BUTTON     PA7
#define RECORDING_MODE_BUTTON  PA6
#define PLAY_MODE_BUTTON       PA5
#define OCTAVE_PLUS            PA4
#define OCTAVE_MINUS           PA3

/* Pin pentru modulul de buzzer activ */
#define BUZZER                 PD5

• Reținea pinilor unde sunt conectate butoanele corespunzătoare notelor muzicale

#define DO        PB1
#define DO_DIEZ   PC6
#define RE        PC5
#define RE_DIEZ   PC4
#define MI        PC3
#define FA        PC2
#define FA_DIEZ   PC1
#define SOL       PC0
#define SOL_DIEZ  PD4
#define LA        PD1
#define LA_DIEZ   PB0
#define SI        PD0

De asemenea, se folosesc următorele variabile globale:

• Frecvențele fiecărei note muzicale pentru primele 6 octave:

double DO_FREQUENCY[NOF_OCTAVES]       = { 16.352, 32.703, 65.406, 130.813, 261.626, 523.251 };
double DO_DIEZ_FREQUENCY[NOF_OCTAVES]  = { 17.324, 34.648, 69.296, 138.591, 277.183, 554.365 };
double RE_FREQUENCY[NOF_OCTAVES]       = { 18.354, 36.708, 73.416, 146.832, 293.665, 587.333 };
double RE_DIEZ_FREQUENCY[NOF_OCTAVES]  = { 19.445, 38.891, 77.782, 155.563, 311.127, 622.254 };
double MI_FREQUENCY[NOF_OCTAVES]       = { 20.602, 41.203, 82.407, 164.814, 329.628, 659.255 };
double FA_FREQUENCY[NOF_OCTAVES]       = { 21.827, 43.654, 87.307, 174.614, 349.228, 698.456 };
double FA_DIEZ_FREQUENCY[NOF_OCTAVES]  = { 23.125, 46.249, 92.499, 184.997, 369.994, 739.989 };
double SOL_FREQUENCY[NOF_OCTAVES]      = { 24.500, 48.999, 97.999, 195.998, 391.995, 783.991 };
double SOL_DIEZ_FREQUENCY[NOF_OCTAVES] = { 25.957, 51.913, 103.826, 207.652, 415.305, 830.609 };
double LA_FREQUENCY[NOF_OCTAVES]       = { 27.500, 55.000, 110.000, 220.000, 440.000, 880.000 };
double LA_DIEZ_FREQUENCY[NOF_OCTAVES]  = { 29.135, 58.270, 116.541, 233.082, 466.164, 932.328 };
double SI_FREQUENCY[NOF_OCTAVES]       = { 30.868, 61.735, 123.471, 246.942, 493.883, 987.767 };

• Variabile pentru reținerea stării în care se găsește fiecare mod de funcționare și octava curentă

static unsigned int normal_mode = ACTIVE;
static unsigned int recording_mode = DISABLED;
static unsigned int play_mode = DISABLED;
static unsigned int current_octave = 1;

Algoritmul propriu-zis

Programul folosește tehnica de busy-waiting, verificând la fiecare 250ms ce butoane au fost apăsate (am încercat să implementez cu întreruperi, însă din a numite motive pe care nu am reușit să le descopăr, programul nu funcționa așa cum îmi doream )

int main(void) {
	
	set_environment();
	
	while (1) {
		check_buttons();
		_delay_ms(250);
	}
	
	return 0;
}

• Funcția set_environment inițializează toate intrările și ieșirile aplicației. De asemenea, inițializează pianul ca fiind în modul normal de funcționare cu octava 1 activă, prin aprinderea primului LED albastru, iar a celorlalte roșii.

• Funcția check_buttons verifică pe rând toate tipurile de butoane pentru a vedea care este apăsat: inițial se verifică dacă s-a apăsat unul dintre butoanele care schimbă modul de funcționare al pianului. În cazul în care nu s-a întâmplat acest lucru, se verifică dacă s-a apăsat unul dintre butoanele care schimbă octava curentă. În cazul negativ, se verifică ce mod de funcționare este activ și se execută operația specifică (cântă, înregistrează melodie, redă melodie înregistrată)

• Funcția check_changed_mode verifică dacă s-a apăsat unul dintre butoanele specifice schimbării modului de funcționare al pianului. Astfel, se testează pe rând fiecare dintre cele 3 butoane, se actualizează stările tuturor modurilor și ulterior se apelează o altă funcție care actualizează culoarea LED-urilor. În plus, în cazul în care se activează modul de înregistrare, se reinițializează indexul curent din vector pentru a putea suprascrie melodia deja existentă (în cazul în care există). Dacă se dezactivează modul de înregistrare (stop recording), se adaugă la finalul vectorului -1 pentru a marca sfârșitul melodiei.

• Funcția check_changed_octave verifică dacă a fost apăsat unul dintre butoanele care schimbă octava curentă. În caz afirmativ, se incrementează/decrementează și se actualizează culoarea primului LED în funcție de octava aleasă. În plus, schimbarea octavei este posibilă doar în momentul în care modul activ de funcționare este cel normal sau cel de înregistrare.

• Funcția change_colors actualizează culoarea celor 3 LED-uri în funcție de stările modurilor de funcționare și de octava curentă. Astfel, inițial este stins LED-ul și ulterior este verificată starea fiecărui mod de funcționare. În cazul în care acestea sunt dezactivate, culoarea este roșie, iar în caz contrar: LED-urile corespunzătoare pentru Recording Mode și Play Mode sunt galbene în momentul în care se află în starea READY și verzi în momentul în care se află în starea ACTIVE, iar LED-ul corespunzător Normal Mode indică culoarea octavei curente dacă ne aflăm în modul normal de funcționare sau în modul de înregistrare, altfel este roșu.

• Funcția change_octave_colors actualizeză culoare primului LED în funcție de valoarea variabilei care memorează indicele octavei curente (conform codificării de mai sus)

• Funcția check_pressed_note verifică dacă a fost apăsat vreun buton corespunzător unei clape. În caz afirmativ se redă nota muzicală folosind play_sound care primește ca parametrii frecvența notei (corespunzătoare octavei curente în acel moment) și durata sunetului. După redarea sunetului, dezactivez buzzer-ul întrucât aceasta este activ pe 0 și rămânea blocat. Funcția returnează valoarea notei apăsate, deoarece este folosită și în cadrul funcției de înregistrare și este necesară frecvența acesteia pentru a putea fi memorată într-un vector.

• Funcția record_music are ca scop înregistrarea notelor muzicale: se folosește funcția menționată anterior pentru a determina frecvența notei muzicale alese de utilizator și se reține într-un vector.

• Funcția play_recorded redă ultima melodie înregistrată de utilizator prin redarea succesivă a tuturor notelor a căror frecvență a fost salvată în vector de către funcția record_music. Înainte de a reda nota următoare, se verifică de fiecare dată dacă utilizatorul a apăsat butonul pentru oprirea melodiei în curs de redare.

• Demo Movie: https://youtu.be/pHx7MKh8L3w
• Happy Birthday to you Recording: https://youtu.be/6XZMZ0pbKGU

Ideea proiectului este una interesantă și este foarte plăcut în momentul în care chiar vezi că merge ce ai implementat. Totuși, a fost destul de scurt timpul de care l-am avut la dispoziție și a fost destul de dificil la început până am înțeles exact cum trebuie să procedez și de ce piese am nevoie. M-am ales cu câteva arsuri de la lipituri și am cedat nervos de câteva ori în momentele în care brusc nu mai mergea nimic, însă până la urmă sunt mulțumită de rezultatul final Problemele care mi-au cauzat cei mai mulți nervi:

• Credeam că am stricat plăcuța de bază, deoarece refuza să intre în bootloader, însă problema a fost că eu țineam mâna pe spatele plăcuței și cumva se creea un contact între anumiți pini și nu mai mergea
• În momentul în care am pus firele pe portul D nu a mai intrat in bootloader și a durat ceva să îmi dau seama că problema este cauzată de PD2 și PD3 (ulterior s-a menționat și pe cs.curs acest lucru)
• Butonul conectat inițial la PC7 este mereu apăsat și am crezut inițial că poate am lipit greșit butonul
• În încercarea de a avea un coding style cât mai drăguț, am folosit foarte multe constante și variabile globale (inclusiv un vector fooooarte mare pentru înregistrare) șiiii…. nu mai făcea absolut nimic programul După ceva timp, am observat că dacă scot din variabile merge și am restructurat

• Schemă electrică: schema_electrica_pian.sch
• Implementare software: pian_electronic.zip

• 21.04.2018: Stabilirea obiectivelor minimale pentru proiect și actualizarea paginii de wiki cu informațiile pentru Milestone1 (temă proiect, descriere, mod de funcționare, schemă bloc, piese necesare)

• 04.05.2018: Finalizarea plăcii de bază

• 06.05.2018: Actualizarea paginii de wiki prin adăugarea schemei electrice și a detaliilor componentelor cumpărate

• 17.05.2018 - 20.05.2018: Lipirea tuturor componentelor şi refacerea schemei electrice

• 21.05.2018 - 22.05.2018: Implementarea software-ului (fără partea de înregistrare şi redare a ultimei melodii înregistrate)

• 23.05.2018: Actualizarea paginii de Wiki cu toate informaţiile despre proiect până în momentul curent

• 24.05.2018: Rezolvarea bug-urilor de la înregistrare şi redare + actualizare wiki cu modificările făcute

• https://ro.wikipedia.org/wiki/Gam%C4%83_muzical%C4%83
• http://www.sengpielaudio.com/calculator-notenames.htm (pentru frecvenţele specifice fiecărei octave)
• Wiki PM
• Proiectele din anii trecuţi

• Documentația în format PDF