简介：专业级全键盘电子钢琴（88键），支持按键指示及自动播放等功能，使用分块电容按键组合形式，减小了PCB制作尺寸，通过IO扩展芯片等采集按键、通过正弦计算叠加到DAC进行DMA传输、进而合成键音。

视频介绍：https://www.bilibili.com/video/BV1ohUmB7EPt/

程序：https://gitee.com/lovelessing

1，硬件组成

作为全键钢琴，标准钢琴的键盘区宽度约为122cm，由于PCB工艺限制没法生产那么大的PCB，所以分成7块进行设计

最左侧的15键模块、最右侧的13键模块和中间5块12键的模块，正好PCB打样是5块，一个都不浪费，并且15键、13键也可以复用12键的设计

每个按键使用PT2041电容按键检测芯片设计，TOG拉低使用同步输出模式，AHLB拉高反转输出，按下时输出低电平，用10K电阻拉高输出

12键模块使用12个完全一样的设计

然后把所有电容按键输出接到IIC接口的IO扩展芯片上，通过IIC来读取按键状态。

最终把IIC接口接到连接端子上，通过连接线把所有的IIC设备连接到一起，同时也预留了CAN接口，还可以使用CAN总线来做按键通信，但是成本略高，需要自行斟酌

板子需要做成白色阻焊，正好作为白按键，黑色阻焊对应黑按键

CN3，CN2用于两侧的板子对接，将所有的IIC和CAN链接到一起，将按键通过总线汇报给主机。CN1用于给预留芯片下载程序

13键在12键的基础上多增加1路

15键在12键的基础上多增加3路，最终板子拼接到一起组成1.22米长的钢琴按键区。

这是主板，用来读取按键状态，然后播放钢琴音频，支持和弦播放。正面的屏幕用来控制音量、伴奏、演奏模式等等。喇叭用来播放钢琴音。

背面使用一块衡山派来作为主控芯片，因为作者已经先通过衡山派在RTT环境下调试出来音频混合播放功能了，所以就这么决定了，PS：本来想用AT32的。

有的小伙伴就说了，你是不是不会画板子，欸，这就有了。基于衡山派改的专门用来作为钢琴控制器的板子就来了。

取消了背面元件，贴起来成本低一点。

设计按键的时候比较匆忙，没有加指示灯，当然也跟板子有关系，塞不下了，不是按下去就亮的指示灯，而是独立控制的，比如需要先根据乐谱点亮指示灯，然后用户跟着指示灯按按键，这是就不能把指示灯加在电容按键芯片输出上了，必须要独立控制，这样的话使用如果IIC扩展，那么PCA9555的3位可编辑地址就不够了，使用单片机的话成本也要跟着增加，所以使用外置的指示灯。

将FPC剪开焊接在一起粘在按键上，通过WS2812一根数据线就可以控制所有的灯了，普通模式下就是用户按按键指示灯就跟着亮，学习模式时，先按照乐谱点亮指示灯，用户跟着指示灯来按按键。当然了，后期还是尽量集成到按键模块上，比较方便。

最后是FPC延长线，因为屏幕和衡山派的相对位置没法直接接上排线，所以要延长一下。

最后是对接板，用来将所有按键板接到一起。

采用232方式将7块板子全部连接到一起。

 

2，软件设计

增加piano_demo用来作为电子琴项目源程序目录，pca9555文件用于驱动IIC扩展IO，读取按键状态。piano_ui用于显示操作UI、播放音频等主要功能。

定义一些常量及结构体，用于确定音频播放采样率、缓冲区、延音、音量、按键状态等。

定义按键名称及ID的对应关系，方便根据乐谱点亮指示灯和控制自动演奏模拟按键按下。

最初采用正弦波合成的方式作为键音。不过确实是想简单了，就是最常见的那种声音，和钢琴音相差还是太大。

接着又尝试了方波、三角波、锯齿波和风琴音色，最终发现只有风琴音色是比较接近风琴音色的，有点琴音的感觉了。

最后尝试生成最复杂的钢琴音色，测试了多个参数，最后都不是很理想。最终还是采用播放钢琴键音原始文件的方式来做琴音。

github上找到了标准钢琴的音频原始文件，为了加速解析和减少MCU的CPU负担，写了个脚本把mp3文件转换为采样率为22.05K原始的音频数据bin文件。

最终得到了以下bin文件

放到SD卡就可以使用了，原始数据比较大，即便是16MB的FLASH也不够用，所以只能放内存卡。

将文件名声明到数组，便于后续调用播放数据。

为了同时播放多个音频，就需要提前将需要播放的多个音频线混合到缓冲区，然后统一送到DAC来播放，由于人只有10个手指，所以目前最多支持同时播放10段音频。

并且需要注意的是按键抬起时需要及时取消掉该段音频的混合，以及设置了延音时需要延后一段时间再取消，都需要一些结构体来管理。

接着定义一些默认曲目的演奏数据，用于自动演奏，主要记录了按哪些按键、按多久、停止多久。

通过线程读取乐谱数据来循环模拟按键来自动演奏，演奏结束停止线程。

 

3，复刻注意事项

R83,R84,R85用于配置IIC的地址，需要保证每块板子上的地址都不一样，15按键的第一块建议设置为0,13键设置为6，中间为1~5。

U4的12脚用于启用CAN的120R电阻，34脚用于打开IIC的4.7K上拉电阻，但是每块板子上都有，建议打开最末尾一块板子上的就行。控制板上也有电阻。

U22用于选择通讯接口，拨12选择CAN接口、拨34选择IIC接口。

将板子组装起来

最终组装效果