Размещено на http://www.allbest.ru

СОДЕРЖАНИЕ

1. Введение

2. Постановка задачи

3. Обзорно-аналитическая часть

3.1 Анализ рынка музыкальных синтезаторов

3.2 Анализ детского музыкального восприятия

3.2.1 Обучение детей музыке: популярные методики

4. Технологическая часть

4.1 Обзор имеющихся музыкальных осцилляторов

4.2 Обзор имеющихся сэмплеров

4.3 Механизм работы ресэмплера

4.4 Обзор основных архитектур микроконтроллеров

5. Специальная часть

5.1 Процесс игры

5.2 Структурная схема

5.2.1 Режимы игры

5.3 Реализация разрабатываемого устройства

5.3.1 Алгоритм работы синтезатора

5.3.2 Описание плат расширения

7. Охрана труда

7.1 Влияние шума на организм человека

7.2 Утилизация электронных отходов

7.2.1 Организация работы с отходами электрического и электронного производства в РФ

7.2.2 Утилизация отходов электрического и электронного оборудования

7.3 Выводы

8. Заключение

8.1 Итоги

9. Список литературы

Приложение 1



1. ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Современные дети довольно быстро обучаются «общению» с компьютером, уже с ранних лет они знают, как пользоваться мышью и клавиатурой. У детей есть доступ к множеству игр, но большая их часть направлена в лучшем случае на развитие логики, есть и откровенно агрессивные игры. Такие игры разобщают детей и взрослых, дети предоставлены сами себе.

Поэтому сегодня актуальным является решение задачи создания игровых и обучающих устройств, способствующих развитию эмоционального и творческого контакта взрослых и детей.

Целью данной работы является разработка электронного интерактивного устройства-игры, обеспечивающего взаимодействие взрослого и нескольких детей одновременно и развитие их коммуникативных и музыкальных способностей.

Практическая значимость данной работы подтверждена тестовой эксплуатацией прототипа устройства в группе детей и взрослых. Новизна предлагаемого музыкального синтезатора состоит в том, что он представляет собой электронное интерактивное устройство, обеспечивающее психоэмоциональное взаимодействие играющих.



2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

2.1 Задача на исследование:

? Провести анализ рынка существующих решений, представляющих собой детские музыкальные синтезаторы.

? Провести анализ существующих решений, представляющих собой элементы, входящие в состав детских музыкальных синтезаторов.

? Провести анализ особенностей детского музыкального восприятия.

? Провести анализ средств разработки и выбрать:

o Архитектуру микроконтроллеров;

o Решение на базе готовых электронных плат.

2.2 Задача на разработку

Разработать музыкальный синтезатор, выполняющий следующие функции: синтезатор электронный интерактивный игра

? Формирование сигналов синусоидальной формы различной высоты тона без дополнительного фона;

? Формирование звуков с использованием библиотеки сэмплов (коротких аудиофайлов);

? Формирование деформированных звуков - звуков, подверженных деформации путем понижения частоты дискретизации (децимации);

? Проверка ответов играющих, слушающих генерируемые звуки, занесение ответов в память и выставление оценок по результатам ответов;

Кроме того, необходимо разработать алгоритм и стратегию игры.

Эти задачи могут быть решены с помощью электронного осциллятора совместно с использованием ресэмплера, реализованных на микроконтроллере.

Разрабатываемая система должна быть представлена в виде законченного автономного устройства с питанием от сетевого адаптера переменного тока.



3. ОБЗОРНО-АНАЛИТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

3.1 Анализ рынка музыкальных синтезаторов

Проведенный анализ показал, что наиболее близкими аналогами разрабатываемого устройства являются детские игрушки фирмы Keenway, а также более сложные синтезаторы Casio в сегменте для детей школьного возраста.

Однако недостаток этих устройств заключается в том, что они предназначены только для самостоятельной игры. Рассмотрим некоторые примеры таких устройств:

Синтезатор Keenway 31955KW. Клавиатура состоит из 8 клавиш разных цветов. Нажатая клавиша подсвечивается лампочкой. Есть функция изменения звучания на звуки пяти музыкальных инструментов- гитары, ксилофона, флейты, фортепиано, саксофона. Есть возможность аранжировки голосом собственных произведений, исполнения песен. Синтезатор предназначен для детей младшего возраста.

Пианино Keenway из серии Music Kidz 31951. Предназначено для детей младшего школьного возраста. Устройство оснащено разноцветными клавишами, при нажатии на которые появляются световые эффекты. Есть режим “ди-джея”, то есть функция управления скоростью воспроизведения сэмплов.

Перечисленные выше устройства способны воспроизводить звуки нескольких инструментов и могут способствовать развитию музыкального слуха, однако имеют однопользовательский интерфейс, то есть, рассчитаны на одного играющего (ребенка) и не позволяют напрямую включаться взрослому в процесс игры.

На рынке также имеются синтезаторы серии Casio SA различных модификаций, отличающихся между собой числом клавиш, возможностями полифонии, тембром и мощностью. Рассмотрим младшую и старшую модели линейки SA:

Casio SA-46. Синтезатор имеет 32 клавиши и 100 тембров. Есть функция обучающего режима, в который входят 10 обучающих мелодий.

Тембры
Количество встроенных тембров	100
Дополнительные возможности	5 кнопок ударных тембров, прямое переключение фортепиано и органа (46) или фисгармонии (47)
Песенный секвенсор
Записывающее устройство	Отключение мелодии
Дисплей	ЖК
Количество и тип клавиш	32 мини-клавиши
Функция обучения
Партии для обучения	Да

Таблица 1. Сравнительные характеристики синтезатора Casio SA-46

Casio SA-78. Синтезатор, предназначенный для детей от 5 до 10 лет. В отличие от младшей модели SA-46, имеет большую клавиатуру - 44 клавиши. Количество тембров - 100, и 50 встроенных композиций остались без изменения. От моделей SA-76 и SA-77 отличается только цветом корпуса.

Тембры
Количество встроенных тембров	100
Записывающее устройство	Отключение мелодии
Дисплей	ЖК
Стили аккомпанемента	100
Количество и тип клавиш	44 мини-клавиши
Функция обучения
Партии для обучения	Да

Таблица 2. Сравнительные характеристики синтезатора Casio SA-46

Эти устройства подходят не только для дошкольников, но и детей младшего школьного возраста и подростков. Они имеют уменьшенную клавиатуру фортепианного типа, более серьезные наборы музыкальных тембров, стили автоаккомпанемента, партии для обучения и ЖК-дисплей, однако, так же, как и модели Keenway, предназначены для самостоятельной игры. В режиме обучения пользователь исполняет предлагаемые партии сам, контроль со стороны другого пользователя не предусмотрен.

Вывод

В рамках проведенного анализа было установлено, что устройств, являющихся прямыми аналогами разрабатываемого музыкального синтезатора, на рынке практически не выявлено.

3.2 Анализ детского музыкального восприятия

Детство -- очень важный, особенный период развития в жизни человека. В детстве формируется вся будущая психическая жизнь ребенка и его взаимооотношения с окружающим миром. В дошкольном возрасте возникает внутренняя регуляция поведения. В период от рождения до окончания переходного возраста ребенок проходит путь от полной зависимости от взрослых, сосредоточенности на себе до практически полного формирования личности, самостоятельного поведения.

Играя вместе, дети учаться подражать взрослым, общаться друг с другом, отстаивать свою точку зрения, играть по правилам. Поэтому игра оказывает огромное влияние на развитие общения детей в этот период. В игре закладываются навыки для других видов деятельности, которые потом приобретают самостоятельное значение. Общение ребенка 4-6 лет со сверстниками происходит в основном в процессе совместной игры.

Музыкальное воспитание является неотъемлемым элементом в формировании полноценной личности и направлено на развитие творческих способностей детей. Грамотный подход к созданию атмосферы творческого развития в группе детей помогает сохранять и укреплять психофизическое здоровье детей.

3.2.1 Обучение детей музыке: популярные методики

Метод Шиничи Сузуки: подражание учителю. Суть метода заключается в подходе к обучению музыке как к обучению речи. Увидев, что с начала своей жизни дети в течение первых двух лет легко осваивают язык своей родины, Сузуки решил, что подобным же образом можно научить их и музыке. Для этого нужно только поместить ребенка в обучающую среду и дать ему соответствующие стимулы. Первый этап такого обучения - заинтересовать детей каким-нибудь музыкальным инструментом. Для этого они раскладываются вместе с другими игрушками, а затем учитель берет какой-нибудь инструмент и извлекает одну ноту. Дети по очереди повторяют действия учителя. Затем извлекается две ноты. Таким образом, постепенно происходит процесс обучения. Основные принципы метода: активное слушание, мотивация, повторение, пошаговый подход, память, вовлечение родителей. По сути, этот метод подходит для обучения не только музыке.

В разработанном музыкальном синтезаторе методика Шиничи Сузуки может использоваться в широких пределах. Ведущий может нажимать на клавиатуре любые ноты, а играющие (дети) - воспроизводить их посредством нажатия нужных кнопок. Также ведущий может в свободном порядке исполнять любые последовательности нот, предлагая играющим повторить их.

Сущетвуют также другие методики обучения детей музыке, например, школа «Шульверк» (Schulwerk) немецкого композитора Карла Орфа, делающая упор не на подражание, а на развитие сочинительских способностей. "Удобрения обогащают землю и позволяют зернам прорасти, и точно так же музыка пробуждает в ребенке силы и способности, которые иначе никогда бы не расцвели" [2] - считал Карл Орф (Carl Orf, 1895-1982), немецкий композитор и автор уникальной концепции «Шульверк».

Методика Карла Орфа имеет особый взгляд на музыкальное образование детей, основанное на коллективном музицировании. Орф был противником ограничений музыкального развития рамками классической музыки, он стремился показать, что музыка может быть разной - по ритму, по темпу, по настроению. Его главной задачей было воспитать открытый миру слух, восприимчивое ухо и сформировать вкус.

Педагог в соответствии с методикой Орфа - не авторитарный персонаж на уроке, а человек, который помогает детям раскрыться, он общается с детьми с помощью музыки. Дети не повторяют задания учителя, а создают свою детскую элементарную музыку. В руках учителя выбор метода подачи музыки, и учитель должен импровизировать. Дети очень любят творить, фантазировать, придумывать и подход Карла Орфа очень близок природе ребенка.

При разработке обучающего синтезатора был взят за основу метод подражания играющих ведущему, которые стараются повторить взятые им ноты и распознать звучащие инструменты, то есть метод Шиничи Сузуки.

4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

4.1.Обзор имеющихся музыкальных осцилляторов

“Осциллятор (от лат. oscillo -- качаюсь) - система, совершающая колебания, то есть система, показатели которой периодически повторяются во времени. Осциллятор в электронной музыке - это генератор звуковой волны. Электронный осциллятор - электрический генератор, который производит повторяющийся электронный сигнал, чаще всего синусоидальную, треугольную, пилообразную или прямоугольную волну.” [8]

Все электронные звуки представляют собой комбинацию этих волн. Некоторые генераторы имеют возможность производить более сложные формы волн, но они являются производными от базовых.

Синусоидальная форма волны (sine) является самой простой. Такой сигнал мягкий и чистый, не содержащий дополнительных гармоник.

Треугольная форма волны (triangle) является промежуточной формой между синусоидальной и прямоугольной формами. Эта форма волны имеет похожий мягкий звук, но он более ярко выраженный.



Пилообразная форма волны (saw tooth) наиболее богата гармониками. Её звук резкий, режущий, напоминающий жужжание.

Прямоугольная форма волны (square) создаёт жесткий, давящий звук. Из перечисленных форм волн с помощью аналоговой электрической цепи проще всего сформировать именно прямоугольную.

Вывод

Анализ различных музыкальных осцилляторов показал, что наиболее оптимальным для решения поставленной задачи является осциллятор с синусоидальной формой волны. Такой сигнал мягок и чист на слух и практически не содержит дополнительных гармоник, что позволяет использовать его для модуляции звуковых сэмплов без существенного искажения их звучания.

4.2 Обзор имеющихся сэмплеров

“Сэмплер (англ. sampler) -- электронное устройство, позволяющее записывать, редактировать и воспроизводить звуки. Его отличие от других электромузыкальных инструментов, например, синтезаторов, состоит в том, что в нем для генерации звука используются не осцилляторы (генераторы волн), а записанные в память сэмплы (оцифрованный звук), которые раскладывается по MIDI-клавиатуре, меняя высоту тона по заданным условиям. В настоящее время существует множество таких устройств и их виртуальных аналогов. Часто сэмплер является опцией или основой электронных музыкальных инструментов.” [14]

Первый цифровой сэмплер под названием MUSYS был разработан в Лондоне в 1969 году Питером Грогоно, (программирование), Дэвидом Кокереллом (аппаратная часть и интерфейс) и Петром Зиновьевым (системный дизайн и алгоритмизация), членами лондонской компанией EMS. Система запускалась на двух миникомпьютерах, которые имели всего по 12 Кб памяти, сохраняли информацию на жёстком диске объёмом в 32 Кб и на ленточном магнитофоне.

Первый коммерческий сэмплирующий синтезатор появился в 1976 году, он назывался Computer Music Melodian. Спустя три года вышел первый полифонический синтезатор-сэмплер -- Fairlight CMI, завоевавший признание многих профессионалов. Через два года вышел E-mu Emulator, обладающий сходными возможностями, но был дешевле в два раза.

В 1985 году фирма Akai выпускает первый доступный для широких масс сэмплер Akai S612. Он был 12-битным 6-голосным прибором, поддерживающим частоту дискретизации 32000 Гц, объём памяти составлял 128 Кб. В 1986 году ему на замену пришёл Akai S900, который обладал ещё большими возможностями. Флагманом линейки стал вышедший в 1988 году Akai S1000, который на много лет фактически стал стандартом для сэмплеров. S1000 был 16-битным сэмплером с частотой дискретизации до 44100 Гц, памятью в 2 Мб (расширялась до 32 Мб модулями SIMM), полифонией в 16 голосов, широкими по тем временам возможностями внутренней обработки сэмплов. Наличие SCSI-интерфейса позволяло подключать жёсткие диски и CD-приводы.

Вывод

Анализ имеющихся сэмплеров показал, что целесообразно использовать сэмплер, реализованный на микроконтроллере, с библиотекой сэмплов, хранящейся на внешнем носителе. На данный момент наиболее универсальным и компактным носителем является карта памяти Secure Digital (SD).

4.3 Механизм работы ресэмплера

“Ресэмплер (англ. resampler) в обработке сигналов -- устройство, изменяющее частоту дискретизации цифрового сигнала. Алгоритмы передискретизации широко применяются при обработке звуковых сигналов, радиосигналов и изображений.” [9]

Повышение частоты дискретизации называется интерполяцией, понижение -- децимацией.



Рисунок 1. Процесс интерполяции

Вычисление промежуточного отсчёта (в точке ?0,5) дискретного сигнала производится с помощью идеального фильтра нижних частот. Синяя кривая -- исходный непрерывный сигнал, зелёная -- импульсная характеристика идеального ФНЧ. Для интерполяции суммируются значения импульсной характеристики в точках отсчётов, умноженные на величину соответствующих отсчётов (рисунок 1).

Согласно теореме Котельникова, «любой непрерывный сигнал с конечным спектром (то есть таким спектром, в котором спектральные составляющие, соответствующие частотам выше или равным некоторой частоты f₀, отсутствуют) может быть представлен в виде отсчётов дискретного сигнала с частотой дискретизации f_d >2f₀. При этом такое преобразование является взаимно однозначным, то есть при соблюдении условий теоремы Котельникова по дискретному сигналу можно восстановить исходный сигнал с конечным спектром.» [11]

Отсчёты сигнала, соответствующие новой частоте дискретизации, вычисляются по уже имеющимся отсчётам и не содержат новой информации.

«При передискретизации отсчёты сигнала, соответствующие одной частоте дискретизации, вычисляются по имеющимся отсчётам этого же сигнала, соответствующим другой частоте дискретизации (при этом предполагается, что обе частоты дискретизации соответствуют условиям теоремы Котельникова). Идеальная передискретизация эквивалентна восстановлению непрерывного сигнала по его отсчётам с последующей дискретизацией его на новой частоте.» [11]

С другой стороны, из теоремы Котельникова применительно к реальным сигналам вытекает важное следствие: если максимальная частота в сигнале равна или превышает половину частоты дискретизации, то способа восстановить сигнал из дискретного в аналоговый без искажений не существует. Соответственно, при использовании частоты дискретизации меньшей, чем 44,1 кГц, возникают искажения волновой формы сигнала, т. е., происходит деформация сэмпла.

Вывод

В данном устройстве применяется децимация звуковых сэмплов для искажения звучания с целью изменения тембра звука. Задачей играющих становится определение конкретного инструмента и наличия или отсутствия искажений.

4.4 Обзор основных архитектур микроконтроллеров

Intel 8051. Классический образец устройств данного класса. Этот 8-разрядный микроконтроллер, выпущенный в 1980 году, имеет гарвардскую архитектуру (данные и команды хранятся раздельно и передаются по независимым каналам) положил начало целому семейству микроконтроллеров, которые господствовали на рынке вплоть до середины 90-ых гг. Это семейство получило общее название MCS-51.

Однако, эти микроконтроллеры имеют недостатки, ограничивающие их применение в приложениях, где требуются сложные вычисления и повышенное быстродействие: 8-разрядное арифметико-логическое устройство (АЛУ) на базе регистра-аккумулятора и довольно невысокая скорость выполнения команд (для выполнения самых быстрых из них требуется 12 периодов тактовой частоты). К началу 90-ых годов остро назрела проблема модернизации программного и аппаратного обеспечения с сохранением совместимости со старыми разработками на базе MCS-51. В результате компаниями Intel и Philips были выпущены новые семейства микроконтроллеров, существенно отличающихся от семейства 8051. Так 8051 начали сдавать свои позиции и были вытеснены более совершенными микроконтроллерами. Однако большинство фирм-производителей и сегодня выпускают устройства, основанные на MCS-51. Среди них Philips, Atmel, Dallas, OKI, Siemens и многие другие.

Microchip. Первые серьезные изменения произошли с выходом на рынок контроллеров PIC фирмы Microchip. Эти изделия предлагались по рекордно низким ценам, что позволило им в короткий срок захватить значительную часть рынка. Кроме того, кристаллы от Microchip оказались не уступающими, а нередко и превосходящими микроконтроллеры семейства MCS-51 по производительности и не требовали дорогостоящего программатора.

Эти микроконтроллеры имели хорошие порты, высокое быстродействие и другие достоинства RISC-архитектуры, но страдали недостатками этой же архитектуры: крайне ограниченный набор команд, как следствие, увеличение загрузки памяти и удлинение кода программ. Тем не менее, PIC-контроллеры остаются популярными в тех случаях, когда требуется создать недорогую систему, не предъявляющую высоких требований по ее управлению.

Scinex. На волне успеха PIC-контроллеров появились похожие на них изделия фирмы Scinex. Они располагали большим количеством команд, чем у контроллеров PIC (52 против 33), в них были добавлены новые инструкции для работы с памятью, улучшена архитектура, каждая команда выполнялась за один такт, что при прочих равных условиях было вчетверо быстрее, чем у Microchip, и к тому же их тактовая частота достигала 100 МГц.

Столь высокая скорость контроллера позволяет его создателям отказаться от различной периферии -- таймеров, счетчиков, регистров сдвига в приемопередатчиках, -- все это рекомендуется реализовывать чисто программными средствами.

AVR. В 1996 году корпорация Atmel представила свое семейство чипов на новом прогрессивном ядре AVR, что явилось революцией в мире микроконтроллеров. Они имели более продуманную архитектуру, соединяющую достоинства гарвардской и фон-неймовской архитектуры для достижения быстрого и эффективного выполнения программ, более развитую систему команд, насчитывающую до 133 инструкций, производительность, приближающуюся к 1 MIPS/МГц, и flash-ПЗУ с возможностью внутрисхемного перепрограммирования. Многие чипы имеют функцию самопрограммирования. Архитектура AVR оптимизирована под язык высокого уровня Си. Кроме того, все кристаллы семейства обратно совместимы между собой. Огромную роль сыграла доступность программного обеспечения и средств поддержки разработки.

ARM. Это архитектура микроконтроллеров и процессоров, занявшая в последние несколько лет лидирующие позиции в потребительской электронике - мобильных телефонах, КПК, плеерах, накопителях данных, сетевых устройствах и пр., благодаря низкому энергопотреблению, эффективной системе команд и высокому быстродействию. Наиболее популярно семейство 32- и 64-разрядных процессоров ARM Cortex. Оно включает в себя несколько профилей: Cortex-A (потомки предыдущих версий, сохраняющие с ними обратную совместимость), Cortex-R (предназначены для устройств, работающих в реальном времени), и Cortex-M (для использования в качестве микроконтроллеров малой и средней производительности). Последнее семейство представляет наибольший интерес для использования во встраиваемых системах. 32-разрядное ядро позволяет работать с мультимедиа-контентом, т.е. с потоками аудио- и видеоинформации.

Вывод

Для использования в музыкальном синтезаторе был выбран 32-разрядный микроконтроллер ARM Cortex-M3, как обладающий низким энергопотреблением и высокой в своем профиле производительностью, необходимой для работы с цифровыми аудиоданными. Также, учитывая достоинства архитектуры AVR, был выбран микроконтроллер ATmega8 для разработки клавиатурного интерфейса играющего.



5. СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Необходимо разработать электронное интерактивное устройство-игру, обеспечивающее взаимодействие взрослого и нескольких детей одновременно и развитие их коммуникативных и музыкальных способностей.

5.1 Процесс игры

В процессе игры ведущий предлагает играющим:

1. распознавать ноты различной высоты без дополнительного фона;

2. распознавать ноты при звучании различных музыкальных инструментов, воспроизводимых из библиотеки сэмплов;

3. распознавать ноты различной высоты на фоне других звуков. Такая комбинация возможна при наложении на сигналы осциллятора различных сэмплов, содержащих звуки немузыкального содержания;

4. определять деформированные звуки - звуки, подверженные деформации путем понижения частоты дискретизации.

Кроме того, музыкальный синтезатор должен содержать средства, обеспечивающие взаимодействие обучающего и обучаемых (участвующих в процессе игры). Для этого в нем предусмотрены блок проверки ответов и блок выставления оценок.

5.2 Структурная схема

На рисунке 2 показана структурная схема разрабатываемого устройства.



Рисунок 2. Структурная схема синтезатора

Устройство содержит библиотеку сэмплов 1, осциллятор 3, генерирующий синусоидальный сигнал с частотами, соответствующие 12 нотам первой октавы, модулятор 4, микшер 5, генератор частот передискретизации 6, цифро-аналоговый преобразователь 7, блок проверки ответов 12, блок кнопок 10, информационный дисплей 11 и блок выставления оценок 13. К осциллятору 3 через MIDI-интерфейс подключается MIDI-клавиатура 2, с помощью которой ведущий дает команды осциллятору генерировать звук. К выходу ЦАП 8 подключается усилитель 9 и акустический излучатель (динамик) 10. MIDI-клавиатура, усилитель и акустический излучатель не являются частью синтезатора и подключаются как внешние устройства.

5.2.1 Режимы игры

Режим 1. Осциллятор 3 генерирует синусоидальный сигнал с частотой, соответствующей частоте ноты, взятой на MIDI-клавиатуре 2. Этот сигнал проходит без изменений через микшер 5 и подается на ЦАП 7, где преобразуется в аналоговую форму, пригодную для усиления усилителем 8 и воспроизведения динамиком 9. Двоим играющим предлагается определить взятую ноту и нажать соответствующую кнопку на блоке группы 10. Ответы всех играющих сохраняются в памяти устройства.

Режим 2. Библиотека сэмплов 1 представляет собой хранилище файлов *.wav, содержащих эталонные записи нескольких музыкальных инструментов. Записи сделаны с частотой дискретизации 44,1 кГц и разрядностью 16 бит. Звуковая информация воспроизводимых файлов поступает через генератор частот передискретизации 6 в модулятор 4, где модулируется сигналом осциллятора 3, в результате чего частота основного тона сигнала приводится в соответствие с частотой текущей ноты, генерируемой осциллятором. Генератор частот передискретизации 6 работает в пассивном режиме, пропуская сигнал без изменений. Полученный сигнал, как и в предыдущем режиме, поступает через микшер 5 на ЦАП 7 и далее через усилитель 8 на динамик 9. В этом режиме играющим предлагается не только определить звучащую ноту, но и идентифицировать музыкальный инструмент, также нажав соответствующую кнопку на блоке группы кнопок.

Режим 3 отличается от предыдущего режима тем, что сигнал, пришедший на вход генератора частот передискретизации 6, подвергается децимации до значения 24 кГц. Задача играющих усложняется: теперь нужно узнать звучание музыкального инструмента, подверженное деформации (децимации). Как и в предыдущих режимах, ответы играющих фиксируются в памяти устройства по нажатию кнопок.

Во всех режимах игры анализом ответов играющих занимается блок проверки ответов 12, сопоставляющий информацию, поступающую от блока группы кнопок 10, с заранее заданными значениями инструмента и ноты. Эти значения задаются ведущим. Сеанс игры включает в себя фиксированное количество заданий (например, 10), которые ведущий может давать в произвольном порядке. По окончании сеанса игры блок проверки ответов производит подсчет количества правильных ответов, данных каждым из играющих, и из соотношения количества правильных ответов к общему количеству данных ответов выставляет оценку по пятибалльной шкале.

На рисунке 3 показана схема блока группы кнопок. Он представляет собой ряд из 12 тактовых кнопок с дополнительным столбцом из 2 кнопок. По горизонтали расположены кнопки, соответствующие 12 нотам одной октавы (от до до си, включая полутона), по вертикали - кнопки, отвечающие за переключение музыкальных инструментов в бибилиотеке сэмплов. При нажатии на стрелки выбирается файл *.wav, расположенный перед текущим или после текущего файла на SD-карте. Каждый из играющих снабжается отдельным блоком кнопок.

Рисунок 3. Схема блока кнопок

Информационный дисплей 11 содержит 16 знаков по горизонтали и 2 знака по вертикали. На нем отображается следующая информация: текущая нота, взятая на MIDI-клавиатуре 2, название музыкального инструмента, проигрываемого из библиотеки сэмплов 1, и корректность ответа, данного играющим. Схема информационного дисплея приведена на рисунке 4.



Рисунок 4. Схема информационного дисплея

5.3 Реализация разрабатываемого устройства

5.3.1 Описание Arduino Due

Для реализации синтезатора была выбрана одна из плат электронного конструктора Arduino. Такой выбор обусловлен гибкостью и универсальностью платформы, а также простотой программирования и удобной средой разработки.

Синтезатор выполнен на плате Arduino Due на базе 32-битного процессора Atmel SAM3X8E ARM Cortex-M3. Основной блок синтезатора (рисунок 2) реализован программно в виде файлов микропрограмм для микроконтроллера SAM3X8E.

Внешний вид и распиновка платы показаны на рисунках ниже.



Рисунок 5. Внешний вид платы Arduino Due



Рисунок 6. Распиновка платы Arduino Due

На ней имеется 54 цифровых вход/выхода (из них 12 можно задействовать под выходы ШИМ), 12 аналоговых входов, 4 порта UART, генератор тактовой частоты 84 МГц, связь по USB с поддержкой OTG, 2 ЦАП (цифро-аналоговых преобразователя), 2 TWI, разъем питания, разъем SPI, разъем JTAG, кнопка сброса и кнопка стирания.

На Arduino Due установлено 32-битное ARM ядро, превосходящее по производительности обычные 8-битные микроконтроллеры, 32-битное ядро, позволяющее выполнять операции с данными шириной 4 байта за 1 такт.

Характеристики ядра:

? частота процессора (CPU) 84 МГц.

? 96 КБ ОЗУ.

? 512 КБ flash-памяти для хранения программ.

? контроллер DMA, который разгружает центральный процессор от выполнения интенсивных операций с памятью.

Характеристики платы:

Микроконтроллер	AT91SAM3X8E
Рабочее напряжение	3,3 В
Входное напряжение (рекомендуемое)	7-12 В
Входное напряжение (предельное)	6-20 В
Цифровые Входы/Выходы	54 (на 12 из которых реализуется выход ШИМ)
Аналоговые выходы	2 (ЦАП)
Общий выходной постоянный ток на всех входах/выходах	50 мА
Постоянный ток через вывод 3,3 В	800 мА
Постоянный ток через вывод 5 В	800 мА
Flash-память	512 КБ доступно всего для пользовательских приложений
ОЗУ	96 КБ (два банка: 64 КБ и 32 КБ)
Тактовая частота	84 МГц

Таблица 3. Характеристики Arduino Due

Питание

Питание Arduino Due может осуществляться через USB соединитель или с помощью внешнего источника питания. Выбор источника питания выполняется автоматически.

Внешним (не USB) источником питания может быть либо AC/DC преобразователь («wall wart» - адаптер в одном корпусе с вилкой), либо батарея. Адаптер подключается к разъему питания платы 2,1 мм штепсельной вилкой с центральным положительным контактом. Выводы батареи подключаются к контактам Gnd и Vin разъема POWER. Плата может функционировать при внешнем питании от 6 до 20 В. Но если напряжение питания опускается ниже 7 В, на выводе 5 В может оказаться меньше пяти вольт, и плата будет работать нестабильно. Если же подается напряжение более 12 В, может перегреться стабилизатор напряжения, что приведет к повреждению платы. Рекомендуемый диапазон напряжений - от 7 до 12 В. Ниже перечислены выводы питания:

VIN. Это входное напряжение для платы Arduino, когда она питается от внешнего источника питания (в противоположность 5 вольтам, поступающим через USB соединение или от иного регулируемого источника питания). Напряжение питания может подаваться на этот вывод, или сниматься с этого вывода в случае питания через разъем питания.

5V. Данный вывод служит выходом регулируемого напряжения 5 В со встроенного стабилизатора на плате. Сама плата может питаться через разъем питания постоянного тока (7-12 В), либо через USB соединитель (5 В), либо через вывод VIN на плате (7-12V). Питающее напряжение через выводы 5 В и 3,3 В подается в обход стабилизатора и может повредить плату.

3.3V. Питание 3,3 В, вырабатываемое встроенным стабилизатором. Максимальный выходной ток 800 мА. Стабилизатор также обеспечивает питание микроконтроллера SAM3X.

GND. Земляные выводы.

IOREF. Данный вывод платы Arduino обеспечивает опорное напряжение, при котором работает микроконтроллер. Верно сконфигурированная плата расширения может считать напряжение на выводе IOREF и выбрать соответствующий источник питания, или разрешить использование выходных преобразователей напряжения для работы с 5 В или 3,3 В.



Память

Flash-память SAM3X составляет 512 КБ (2 блока по 256 КБ) для хранения программ. Загрузчик (bootloader) записывается Atmel при производстве и хранится в специально отведенном для него ПЗУ. Доступный объем ОЗУ составляет 96 КБ в двух смежных банках - 64 КБ и 32 КБ. Вся доступная память (flash-память, ОЗУ и ПЗУ) может адресоваться напрямую как плоское адресное пространство.

Существует возможность стереть flash-память SAM3X с помощью встроенной кнопки стирания. При этом из микропроцессора удалится текущая загруженная программа. Для стирания надо нажать и несколько секунд удерживать кнопку стирания при включенном питании платы.

Входы и Выходы

Цифровые входы/выходы: выводы с 0 по 53

Каждый из 54 цифровых выводов Due может использоваться в качестве входа или выхода, с помощью функций pinMode(), digitalWrite() и digitalRead(). Выводы работают от 3,3 В. Каждый вывод может выдавать (как источник) ток 3 мА или 15 мА, в зависимости от вывода, или получать (как приемник) ток 6 мА или 9 мА, в засимости от вывода. На них также имеются внутренние нагрузочные резисторы (по умолчанию они отключены) номиналом 100 кОм. Кроме этого, некоторым выводам назначены специализированные функции:

Последовательная линия: 0 (RX) и 1 (TX)

Последовательная линия 1: 19 (RX) и 18 (TX)

Последовательная линия 2: 17 (RX) и 16 (TX)

Последовательная линия 3: 15 (RX) и 14 (TX)

Эти выводы используются для приема (RX) и передачи (TX) последовательных данных TTL (с уровнем 3,3 В). Выводы 0 и 1 соединены с соответствующими выводами последовательного контроллера ATmega16U2 USB-to-TTL.

ШИМ: выводы с 2 по 13

На них реализуется 8-битный выход ШИМ с помощью функции analogWrite(). Разрешение ШИМ можно менять, используя функцию analogWriteResolution().

SPI: разъем SPI (разъем ICSP на других платах Arduino)

Данные выводы служат для связи по SPI с использованием библиотеки SPI. Сигналы SPI выведены на центральный 6-контактный разъем, который физически совместим с Uno, Leonardo и Mega2560. Разъем SPI можно использовать только для связи с другими устройствами SPI, но не для программирования SAM3X по технологии внутрисхемного последовательного программирования (ICSP). SPI на Due также имеет расширенные функции, доступные при использовании Расширенных методов SPI для Due.

CAN: CANRX и CANTX

На этих выводах поддерживается протокол связи CAN, но пока его не поддерживают программные интерфейсы (API) Arduino.

"L" LED: 13

Встроенный светодиод, подключенный к цифровому выводу 13. При высоком уровне сигнала на данном выводе, светодиод включается, при низком - выключается. Возможно также убавить яркость светодиода, поскольку вывод 13 одновременно является выходом ШИМ.

TWI 1: 20 (SDA) и 21 (SCL)

TWI 2: SDA1 и SCL1

На данных выводах с использованием библиотеки Wire поддерживается связь по TWI.

Аналоговые входы: выводы с A0 по A11

Плата Arduino Due имеет 12 аналоговых входов, каждый из которых может обеспечить разрешение 12 бит (т.е. 4096 различных значений). По умолчанию установлено разрешение 10 бит для совместимости с другими платами Arduino. Разрешение АЦП можно менять при помощи функции analogReadResolution(). Аналоговые входы Due производят измерения от уровня земли до максимального значения 3,3 В. Приложение к этим выводам напряжения свыше 3,3 В вызовет повреждение кристалла SAM3X. Функция analogReference() на Due игнорируется.

Вывод AREF подключен к аналоговому выводу опорного напряжения SAM3X через резисторный мост. Для активации вывода AREF необходимо отпаять с печатной платы резистор BR1.

DAC1 и DAC2

На выводах ЦАП DAC1 и DAC2 предоставляются достоверные аналоговые выходы с 12-битным разрешением (4096 уровней) при помощи функции analogWrite(). Данные выводы можно использовать для создания аудиовыхода, используя при этом библиотеку Audio.

Другие выводы:

AREF

Опорное напряжение для аналоговых входов. Используется с функцией analogReference().

Reset

По низкому уровню на этой линии происходит сброс микроконтроллера. Типичное применение вывода Reset - добавление кнопки сброса на плату расширения, которая перекрывает эту кнопку на микроконтроллере.

Связь

В Arduino Due есть ряд средств для взаимодействия с компьютером, платами Arduino и другими микроконтроллерами, а также различными устройствами, такими как телефоны, планшеты, фотокамеры и т.п. SAM3X имеет один аппаратный UART и три аппаратных USARTа для последовательной связи TTL-уровня (3,3 В).

Порт программирования соединен с ATmega16U2, предоставляющей виртуальный COM порт для программ на подключенном компьютере. (Для определения этого устройства компьютеру с ОС Windows потребуется файл .inf, на машинах же с OSX и Linux плата автоматически будет распознана как COM порт). Чип 16U2 также соединен с аппаратным UARTом SAM3X. Последовательная шина на выводах RX0 и TX0 предоставляет преобразование Serial-to-USB для программирования платы через микроконтроллер ATmega16U2. В программное обеспечение Arduino входит монитор последовательной шины, который дает плате возможность отправлять и принимать простые текстовые сообщения. Светодиоды RX и TX на плате будут мигать, когда идет передача данных через кристалл ATmega16U2 и через USB подключение к компьютеру (но не во время последовательного обмена по выводам 0 и 1).

Собственный USB порт (Native USB port) подключен к SAM3X. Это позволяет осуществлять последовательную связь (CDC) посредством USB. Таким образом обеспечивается подключение к монитору последовательной шины, или другим приложениям на вашем компьютере. Также это дает Due возможность эмулировать для присоединенного компьютера USB мышь или клавиатуру. Собственный USB порт может также работать как USB хост для подключенных периферийных устройств: мыши, клавиатуры и смартфонов.

Программирование

Arduino Due можно запрограммировать с помощью программных средств Arduino. Загрузка программ для SAM3X отличается от таковой для микроконтроллеров AVR, находящихся на других платах Arduino, поскольку необходимо стереть flash-память перед тем как перепрограммировать её. Загрузка в кристалл управляется из ПЗУ контроллера SAM3X и запускается, только когда flash-память кристалла пуста.

Порты USB

Плату можно программировать через оба USB порта, хотя рекомендуется использовать порт программирования, в связи с тем, что он поддерживает стирание кристалла.

Порт программирования. Использует микросхему 16U2 в качестве преобразователя USB-to-serial, соединенный с первым UART контроллера SAM3X (RX0 и TX0). Два вывода 16U2 подключены к выводам Reset и Erase SAM3X. Открытие и закрытие порта программирования, подключенного на скорости передачи 1200 бит в секунду, запускает процедуру «аппаратного стирания» чипа SAM3X и активирование выводов Erase и Reset на SAM3X перед установлением связи с UART. Это рекомендуемый порт для программирования Due. Аппаратное стирание более надежно, чем программное стирание, которое происходит на собственном USB порте, и будет работать даже в случае повреждения главного микропроцессора.

Собственный порт. Собственный USB-порт подсоединен напрямую к SAM3X. Открытие и закрытие собственного порта при скорости передачи 1200 бит в секунду запускает процедуру «программного стирания»: flash-память стирается и плата перезапускается с помощью загрузчика. Если главный микроконтроллер по какой-либо причине поврежден, то, вероятно, программное стирание не будет работать, так как эта процедура на SAM3X происходит полностью программно. Открытие и закрытие собственного порта на других скоростях передачи не вызовет сброса SAM3X.

К разъему ISP можно подключать внешний программатор (перезаписывая загрузчик DFU).

Токовая защита разъема USB

На Arduino Due имеется самовосстанавливающийся предохранитель, назначение которого - защитить USB порты компьютера от короткого замыкания и перегрузки по току. Несмотря на то, что в большинстве компьютеров есть встроенная защита по току, этот предохранитель дает дополнительную защиту. При токе через USB порт более 500 мА связь автоматически обрывается предохранителем до прекращения перегрузки или короткого замыкания.

5.3.2 Алгоритм работы синтезатора

1. После подачи питания микроконтроллер SAM3X8E переключается на прием сообщений от MIDI-клавиатуры. Одновременно происходит инициализация SD-карты.

2. Если клавиша на MIDI-клавиатуре нажата, то микроконтроллер посылает осциллятору значение частоты ноты. Осциллятор воспроизводит синусоидальный сигнал. Если активирован режим игры 2, то происходит считывание сэмпла (аудиофайла) с SD-карты и модуляция его сигналом осциллятора. Если активирован режим игры 3, то полученный сигнал подвергается децимации в генераторе частот передискретизации. Код взятой ноты и имя аудиофайла высвечивается на информационном дисплее.

3. При отпуске клавиши MIDI-клавиатура посылает микроконтроллеру сообщение об окончании ноты; микроконтроллер отключает осциллятор и останавливает воспроизведение сэмпла. Показания информационного дисплея обнуляются.

4. Микроконтроллер настраивается на прием кода ноты от блока кнопок первого играющего. При выборе играющим ноты и инструмента на дисплее высвечивается корректность ответа. Все данные ответы заносятся во внутреннюю память микроконтроллера. Далее процесс повторяется для блока кнопок второго играющего.

5. Повторение пункта 5 до выполнения 10 заданий ведущего.

6. Микроконтроллер переключается на подсчет ответов. Высчитывается соотношение количества правильных ответов к общему количеству данных ответов; результаты градуируются по пятибалльной шкале и высвечиваются на дисплее.

Блок-схема алгоритма показана на рисунке 7.



Рисунок 7. Блок-схема алгоритма работы синтезатора

5.3.3 Описание плат расширения

Физически разработанный синтезатор состоит из следующих узлов:

? платы Arduino Due;

? платы расширения;

? блока кнопок.

На плате расширения распаяны держателель SD-карты, порты для подключения блоков кнопок, порт MIDI и токовая петля, необходимая для функционирования последнего. Принципиальная схема платы расширения показана на рисунке 8.



Рисунок 8. Принципиальная схема платы расширения

Блок кнопок реализован на AVR-микроконтроллере ATmega8. На блоке расположены тактовые кнопки, МК, резисторы и инфорамционный дисплей. Для соединения МК с кнопками и дисплеем используется интерфейс 1-Wire. Принципиальная схема блока кнопок представлена в приложении 1.



6. ОХРАНА ТРУДА

6.1 Влияние шума на организм человека

Шум -- это совокупность случайно изменяющихся во времени звуков различной силы и частоты. В воздухе звуковая волна распространяется от источника механических колебаний в виде зон сгущения и разрежения. Механические колебания характеризуются амплитудой и частотой.

Частота колебаний влияет на слуховое восприятие и определяет высоту звучания. Колебания с частотой ниже 16 Гц составляют область инфразвуков, а выше 20 000 Гц -- ультразвуков. С возрастом (примерно с 20 лет) верхняя граница воспринимаемых человеком частот снижается: у людей среднего возраста до 13...15 кГц, пожилого -- до 10 кГц и менее. Чувствительность слухового аппарата с увеличением частоты от 16 до 1000 Гц повышается, на частотах 1000...4000 Гц она максимальна, а при частоте более 4000 Гц падает.

Физиологической особенностью восприятия частотного состава звуков является то, что ухо человека реагирует не на абсолютный, а на относительный прирост частот: увеличение частоты колебаний вдвое воспринимается как повышение высоты звучания на определенную величину, называемую октавой. Поэтому октавой принято называть диапазон частот, в котором верхняя граница вдвое больше нижней. Слышимый диапазон частот разбит на октавы со средними геометрическими частотами 31,5; 63; 125; 250; 500; 1000; 2000; 4000; 8000 и 16000Гц. Средние геометрические частоты занимают как бы промежуточное положение в октаве. При гигиенической оценке шума измеряют его интенсивность (силу) и определяют спектральный состав по частоте входящих в него звуков.

Интенсивность звука -- это количество звуковой энергии, переносимое звуковой волной за единицу времени и отнесенное к единице площади поверхности, перпендикулярной направлению распространения волны. Значения интенсивности звука изменяются в очень широких пределах -- от 10-12 до 10 Вт/м2. В связи с сильной растянутостью диапазона изменения интенсивности и особенностями восприятия звуков (закон Вебера -- Фехнера) введены логарифмические величины -- уровень интенсивности и уровень звукового давления, выражаемые в децибелах (дБ).

Рисунок 9. Кривые равной громкости

Логарифмическая шкала уровней звукового давления более удобна, так как отличающиеся между собой по силе в миллиарды раз звуки укладываются в диапазон 130...140 дБ. Например, уровень звукового давления, создаваемый при нормальном дыхании человека, находится в пределах 10...15 дБ, шепоте -- 20....25, нормальном разговоре -- 50...60, создаваемый мотоциклом--95...100, двигателями реактивного самолета на взлете -- 110... 120 дБ. Однако при сравнении различных шумов необходимо помнить, что шум с уровнем интенсивности 70 дБ вдвое громче шума в 60 дБ и в четыре раза громче шума с уровнем интенсивности 50 дБ, что следует из логарифмического построения шкалы. Кроме того, звуки одинаковой интенсивности, но разной частоты воспринимаются на слух неодинаково, особенно при уровне интенсивности менее 70 дБ. Причина такого явления заключается в большей чувствительности уха к высоким частотам.

В связи с этим введено понятие громкости звука, единицами измерения которой служат фоны и соны. Громкость звуков определяют, сравнивая их с эталонным звуком частотой 1000 Гц. Для эталонного звука единицы его интенсивности в децибелах приравнены к фонам (рисунок 9). Так, громкость звука частотой 1000 Гц и интенсивностью 30 дБ равна 30 фонам, такой же величине равна громкость звука в 50 дБ частотой 100 Гц.

Измерение громкости в сонах нагляднее показывает, во сколько раз один звук громче другого. Уровень громкости в 40 фон принят за 1 сон, в 50 фон -- за 2 сона, в 60 фон -- за 4 сона и т. д. Следовательно, с увеличением громкости на 10 фонов ее величина в сонах увеличивается вдвое.

Для обеспечения безопасности производственной деятельности необходимо учитывать способность звуковых волн отражаться от поверхностей или поглощаться ими. Степень отражения зависит от формы отражающей поверхности и свойств материала, из которого она изготовлена. При большом внутреннем сопротивление материалов (таких, как войлок, резина и т. п.) основная часть падающей на них звуковой волны (энергии) не отражается, а поглощается. Особенности конструкции и формы помещений могут приводить к многократному отражению звука от поверхностей пола, стен и потолка, удлиняя тем самым время звучания. Такое явление называют реверберацией. Возможность возникновения реверберации учитывают на стадии проектирования зданий и помещений, в которых предполагается установить шумные машины и оборудование.

Субъективное отношение человека к звуковому явлению и его влияние на здоровье зависят от силы звука, спектра частот, длительности действия, времени возникновения и др. факторов (физическое и психическое состояние человека, его отношение к источнику звука и т. д.).

Органы слуха человека воспринимают диапазон звуковых колебаний только при определенных значениях их интенсивности. Минимальное и максимальное значения интенсивности колебаний, воспринимаемых человеком как звук, называются пороговыми. В частности, интенсивность звука, соответствующая нижнему порогу слышимости при частоте колебаний 1000 Гц, равна 10-12 Вт/м2, а верхнему - 10 Вт/м2 . При интенсивности звука больше верхнего порогового значения в органах слуха человека вместо звукового возникает болевое ощущение.

В качестве единицы измерения силы звука принят «бел» (Б). Один бел соответствует увеличению энергии звука в 10 раз. Для интервала от порога слышимости до порога болевого ощущения уровень интенсивности звука больше первоначального в 1013 раз, т.е. на 13 Б или на 130 дБ.

6.1.1 Воздействие шума на организм человека

Шум оказывает негативное воздействие на многие системы организма человека, прежде всего в органах слуха, нервной и сердечно-сосудистой системах. Степень выраженности этих изменений зависит от параметров шума, стажа работы в условиях воздействия шума, длительности действия шума в течение рабочего дня, индивидуальной чувствительности организма.

Воздействия шума на человека можно условно подразделить на две группы:

? специфические (слуховые) -- воздействия на слуховой анализатор, которые выражаются в слуховом утомлении, кратковременной или постоянной потере слуха, расстройствах четкости речи и восприятия акустических сигналов;

? системные (внеслуховые) -- воздействия на отдельные системы и организм в целом (на заболеваемость, сон, психику).

Уровни коммунального шума почти всегда значительно ниже предела, установленного для рабочей зоны (85-90 дБ). Снижению остроты слуха способствуют коммунальные шумы, максимальные значения которых достигают указанного верхнего предела (от телевизора, ударных музыкальных инструментов, транспорта).

В настоящее время лиц, обладающих «отличным» слухом, среди молодежи и взрослых намного меньше, чем 20 лет назад. Изменения в органе слуха происходят в подростковом возрасте. Причиной является насыщенная техникой жизненная среда, а у молодежи -- использование наушников при прослушивании громкой музыки.

Изучение влияния шума на жителей разного пола и возраста показало, что более чувствительны к нему женщины и лица старших возрастных групп. Данные категории населения, проживающие в шумных районах, чаще жалуются на раздражение, нарушение сна, головные боли, боли в области сердца. Выявлены тенденции к повышению артериального давления, изменения отдельных показателей электрокардиограммы, нарушения функции центральной и вегетативной нервной системы, снижение слуховой чувствительности.

Человек за длительный шумовой стресс расплачивается преждевременным старением и смертью. По данным австралийских ученых, шум сокращает жизнь человека на 8-12 лет.

Уровень шума в 20-30 дБ практически безвреден для человека. Это естественный шумовой фон, без которого невозможна человеческая жизнь.

Установлена зависимость между повышением уровня шума в квартире с 35 до 50 дБ и значительным увеличением как периода засыпания, так и коэффициента двигательной активности.

Уровень шума в ночное время (с 22 до 7 ч утра) не должен превышать 35 дБ. На шум 35-40 дБ реагирует 13% спящих, а на 45 дБ -- 35%. Пробуждение наступает при уровне шума 50,3 дБ (изменение стадии сна -- при 48,5 дБ).

Инфразвук (звук частотой до 20 Гц) также оказывает негативное воздействие на организм человека. Он вызывает утомление, чувство страха, головные боли, головокружение, а также снижение остроты зрения. Особенно неблагоприятно воздействие на организм человека звуковых колебаний с частотой 4-12 Гц.

...