陳姝雨+吳傳平+劉澤軍+王彥婷

摘要：以開放實驗為平臺，為學生提供發(fā)揮主觀能動性和創(chuàng)造性的空間，從而進一步培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。本文以題為“基于myDAQ的光電特雷門琴的設計與實現(xiàn)”開放實驗為例，從系統(tǒng)的設計、實施到調試驗收等方面逐步引導學生利用現(xiàn)代檢測和虛擬技術實現(xiàn)一個較為完整的創(chuàng)新項目，培養(yǎng)學生自主設計電路、構建系統(tǒng)平臺并通過測試得出結論的能力。教學實踐證明，學生參與的熱情很高，創(chuàng)新思維得到鍛煉，并且教學效果良好。

關鍵詞：開放實驗；myDAQ；特雷門琴；檢測技術；LabVIEW

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）39-0272-03

習近平總書記在“科技三會”上的重要講話指出，要把科技創(chuàng)新擺在更加重要位置，弘揚創(chuàng)新精神，培育符合創(chuàng)新發(fā)展要求的人才隊伍[1]。高等院校肩負著培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神和培育創(chuàng)新型人才的使命。開放實驗是創(chuàng)新教育的重要環(huán)節(jié)之一，它的建立使實驗教學資源得到了充分的利用，充實和開拓了實驗教學內容，為學生提供了一個自主探索研究的機會，對于學生創(chuàng)新思維和實踐能力的培養(yǎng)極為重要[2-3]。

本文以一個較為新穎的開放實驗為例，介紹了從系統(tǒng)的設計要求、設計方案到調試驗收等方面的完整學習過程，學生通過實驗得到了極大的鍛煉，反饋良好。

一、系統(tǒng)設計任務與要求

特雷門琴是世界第一件電子樂器，也是迄今為止唯一一種不需要身體接觸的電子樂器。它是由物理學家利夫·特爾門（Lev Termen）教授于1919年發(fā)明的。

特雷門琴上有兩根天線，一根圓形天線和一根垂直的天線，演奏者通過改變雙手在天線上方的位置進行彈奏。圓形天線用來調節(jié)音量，垂直的天線用來調節(jié)音高[4]。本項目采用虛實結合的方法，調動學生的創(chuàng)新思維，設計一個獨特的光電特雷門琴。

（一）系統(tǒng)設計任務

總體任務：使用光電傳感器和虛擬儀器myDAQ設計一個能發(fā)出獨特聲音的光電特雷門琴，通過雙手的移動來控制聲音的音量和音高。具體內容為：（1）根據(jù)原理圖設計實驗電路，確定各元器件的類型及參數(shù)，實現(xiàn)對手位置變化的檢測；（2）采用LabVIEW編寫程序，設計光電特雷門琴的人機界面，實現(xiàn)對聲音的監(jiān)控；（3）通過myDAQ實現(xiàn)硬件電路與人機界面的通信，并播放出聲音。

（二）實驗過程及要求

（1）學習利用光電傳感器測量手的相對位置的方法；（2）選擇光電傳感器，根據(jù)傳感器類型確定放大器類型和電阻元件參數(shù)，實現(xiàn)光電信號的轉換及放大；（3）搭建兩個實驗電路，分別實現(xiàn)對聲音的音量和音高的控制；（4）學習myDAQ的基本操作方法，對檢測到的電信號進行采集，并將結果輸入到電腦中；（5）學習LabVIEW圖形化編程語言，將采集的電信號轉換成有旋律的聲音信號，并編寫光電特雷門琴的人機界面，實現(xiàn)音量和音高的顯示，以及音調的選擇；（6）通過myDAQ將聲音信號輸出到播放器中，完成聲音的播放；（7）完善界面功能，提高光電特雷門琴的穩(wěn)定性，滿足不同環(huán)境下光電特雷門琴的使用；（8）撰寫設計總結報告，并通過分組討論，學習交流不同方案的特點。

二、系統(tǒng)設計原理及實施方案

（一）系統(tǒng)總體設計思想

特雷門琴可以分解為兩個部分，一部分為感應手的位置變化的天線；另一部分為發(fā)出聲音的琴體。對于天線部分，首先利用光電傳感器檢測手位置的變化，并將該變化轉換為電信號；然后通過放大電路進行信號的放大；最后使用虛擬儀器myDAQ采集該信號。對于琴體部分，通過LabVIEW編寫程序完成電信號到聲音信號的轉換，由myDAQ將聲音同步播放出來。系統(tǒng)總體結構圖如圖1所示。

（二）系統(tǒng)實施方案

1.信號的檢測和放大。信號的檢測和放大是由如圖2所示實驗電路實現(xiàn)的，利用光電二極管的反向特性以及反向比例放大器實現(xiàn)光電信號的轉換及放大[5]。

光電二極管（Photo-Diode）和普通二極管一樣，是由一個PN結組成的半導體器件，具有單方向導電特性。它是在反向電壓作用下工作的，光的變化引起光電二極管電流變化，從而把光信號轉換成電信號，成為光電傳感器件。光的強度越大，反向電流也越大。

根據(jù)電路圖可以得出輸出電壓的表達式為：

Vout=-iRf

i是光電二極管的反向電流，Rf為反饋電阻。

通過手在光電二極管上方移動引起光的變化，從而使運放的輸出電壓Vout發(fā)生變化。當手完全覆蓋光電二極管時，輸出電壓Vout最小，最小電壓Vmin為運算放大器將暗電流轉換成的偏移電壓；當手遠離光電二極管時，輸出電壓Vout最大，最大電壓Vmax由光電二極管的敏感度以及當其裸露時的光線來決定。實驗中需要搭建兩個實驗電路，分別用來產生聲音的音量信號和音高信號。

2.信號的采集和輸出。信號的采集和輸出都是由NI myDAQ來實現(xiàn)的。myDAQ適用于電子設備和傳感器測量。通過USB總線與計算機通信，再和計算機上的LabVIEW配合，便可分析和處理獲取的數(shù)據(jù)并可隨時隨地控制簡單的進程[8]。

采集信號時，將兩個實驗電路中運放的輸出端分別與myDAQ20位螺栓端子中的AI 0+和AI 1+連接，AI 0-和AI 1-接模擬地即可。運放所需+15 V/–15 V電源也由myDAQ提供。

對于信號的輸出，直接將音頻輸出接口AUDIO OUT端與音響設備相連，即可實現(xiàn)聲音的播放[9]。

3.信號的轉換。聲音是一種波，它的兩個主要特性就是幅值和頻率，幅值即為聲音的音量，頻率即為聲音的音高，頻率在20 Hz～20 kHz之間是可以被人耳識別的。

音量的轉換。myDAQ采集到的兩個信號為幅值在Vmin至Vmax間的電壓信號，實驗所用音頻設備的最大振幅是1Vpp，所以轉換后的音量信號應為0-1V，即將Vmin-Vmax的電壓信號轉換為0-1V的連續(xù)信號。endprint

音高的轉換。進行音高信號的轉換時，需要用到音階與頻率的關系相關知識，下面通過鋼琴鍵盤上中央C（C0）開始到C1的一個八度為例進行介紹。

在音樂理論中，把一組音按音調高低的順序依次排列起來就形成音階，也就是人們熟知的do、re、mi、fa、so、la、ti和do。C大調的七個主音do-ti對應的琴鍵為白色鍵C-D-E-F-G-A-B。從do（C0）到高音do（C1）到即為一個八度，包含白色和黑色琴鍵共12個，每個琴鍵用其所對應的“調”標注[6]。兩個相鄰琴鍵之間相差一個半音，兩個半音距離構成一個全音，一個八度區(qū)有12個半音。從圖中可以看出，只有主音mi和fa以及ti和do之間相差半音，其余主音之間相差一個全音，其他調也如此。

頻率從C0到C1升一個八度乘與2，降一個八度頻率除以2，兩個相鄰半音的頻率比是2開12次方，約為1.05946。中央C的頻率為261.63 Hz，國際標準音高A的頻率為440Hz。綜上，結合調與音階相關理論知識，以及和頻率的關系[7]可以得到各個調的各主音和頻率的關系。

音高信號的轉換，是將Vmin—Vmax連續(xù)的值轉換成離散的頻率值，并且這些頻率和要演奏的調和音的個數(shù)N有關，比如想演奏do音到so音，那么N=5；想演奏一個八度的音樂，那么N=8。

三、系統(tǒng)調試與驗收

系統(tǒng)調試部分，是真正考驗學生的知識綜合運用能力和動手能力的環(huán)節(jié)。通過實物驗收和質量評價等方面能夠看出學生硬件組裝和軟件編程能力是否過硬，以及自主創(chuàng)新的發(fā)揮。并且要求學生撰寫實驗報告對所做工作進行總結。

選取學生作品如圖4所示，人機界面左邊是顯示區(qū)，顯示聲音的音調和音量，右邊是控制區(qū)。首先，為了使特雷門琴能適應不同的環(huán)境，要根據(jù)實際測量的“檢測值”調整滑塊的最大值和最小值來確定Vmin和Vmax，以免出現(xiàn)高音上不去低音下不來的情況；然后，選擇想要彈奏的調（C、C#/D、…、B），程序中設定了彈奏的范圍為do-so這5個主音，即N=5；最后，點擊開始按鈕，就可以通過移動雙手進行彈奏了。

四、結束語

開放實驗的實行為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才提供了土壤，開放實驗的研究和探索是一個持續(xù)的過程，在今后的實驗教學中，不僅要強調實驗形式的開放，更要重視教師創(chuàng)新的帶頭作用，從而引導學生創(chuàng)新。同時，還要加強網絡化和智能化管理的建設，最終形成一套科學、完善的教育培養(yǎng)模式。

參考文獻：

[1]新華網.習近平：為建設世界科技強國而奮斗[DB/OL].

http：//news.xinhuanet.com/politics/2016-05/31/c_1118965161.htm，2016-05-31.

[2]汪東風，林洪，徐瑋等.在本科生中開設創(chuàng)新實驗的若干做法[J].實驗技術與管理，2008，25（12）：21-23.

[3]張愛英.認真實施開放實驗，努力提高學生綜合素質[J].實驗技術與管理，2004，21（2）：5-8.

[4]百度百科.特雷門琴[DB/OL].http：//baike.baidu.com/ link？url=8aFHZFE3aO815nI0o2gvygv-Qca-dG3rh87-lBs2jkF7A1b9wXF1nmLH2BZoSVUrMJBZoSVUrMJlzQlTK4JkcK，2008-07-11.

[5]周玉蛟，任侃，錢惟賢，等.基于光電二極管反偏的光電檢測電路的噪聲分析[J].紅外與激光工程，2016，45（1）：0117003-1-6.

[6]李金華.調、調式和調性概念辨析[J].黃鐘，2006，（1）：24-29.

[7]劉金亮.基于FPGA的音階識別系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].吉林大學，2013.

[8]劉蘊紅，楊君寶.基于myDAQ的遠程多對象控制系統(tǒng)設計[J].現(xiàn)代電子技術，2013，36（19）：102-108.

[9]李甫成.基于項目的工程創(chuàng)新學習入門—使用LabVIEW和myDAQ[M].北京：清華大學出版社，2014.endprint