Automatischer Guitartuner

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1 Automatischer Guitartuner zur Objekt- und strukturierte Programmierung IAV4/2010 Rudolf-Diesel-Fachschule für Techniker Nürnberg Seite 1 von 18

2 Inhalt Inhalt Projektbeschreibung Lösungsstrategien/Umsetzung Benutzerdokumentation Entwicklerdokumentation Schrittmotorsteuerung Softwareentwicklung unter Linux Projektbeschreibung Ziel des Projekts ist es, einen Schrittmotor mit Stimmschraubenaufsatz wie eine Saitenkurbel zu betreiben. Der Schrittmotor soll die menschliche Hand ersetzen und das Stimmen der Saite automatisch bis zur gewünschten Tonhöhe durchführen (z.b. 440 Hz für ASaite). Durch Anschlagen der zu stimmenden Saite wird die Frequenz über ein Mikrofon analysiert und der Motor in die gewünschte Richtung bewegt. 2. Lösungsstrategien/Umsetzung Der Aufbau ist in zwei Teile gegliedert. Der erste Teil ist die Ansteuerung des Schrittmotors mit einem MyAVR MK II (ATMEGA 8) Board, das zusätzlich durch eine Schrittmotorensteuerung erweitert wird. Der zweite Teil ist die Umsetzung der Frequenzanalyse mit serieller Ansteuerung des MyAVR-Boards unter Linux. Hardware: - USB to SERIAL Interface MyAVR MKII mit ATMEGA 8 - L297 Schrittmotor-Controller zur Auswertung der TTL-Pegel mit dem MyAVR Board - L298 Treiberbaustein um einen Schrittmotor mit der Spannung von 3-30 Volt DC und max. 2 Ampere betreiben zu können - 1x Schrittmotor mit 1 Nm Drehmoment Seite 2 von 18

3 Software: - Linux Ubuntu 9.10 Betriebssystem - Qt 4.6 mit Qt Creator 1.31 als SDK - FFTW Library für Frequenzanalyse - ALSA Library für AD-Wandler Daten - ATMEGA 8 C-Programm zur USART-Auswertung (Takt/Links/Rechts/Enable/Disable) 3. Benutzerdokumentation Für die erste Inbetriebnahme muss zunächst die Hardware mit dem Rechner über eine USBSchnittstelle verbunden werden. Treiber müssen unter Ubuntu 9.10 für das MyAVR-Board nicht installiert werden. Der Schrittmotor wird mit dem 4-poligen Kabel/Stecker an die Hardware angeschlossen. Das Netzteil für den Schrittmotor wird an dem 2-poligen Steckplatz neben dem 4-poligen angeschlossen. Ein Netbook mit Intel Atom reicht aus (1600 Mhz/1 GB RAM) um das Programm auszuführen. Es müssen 2 Librarys und das Qt SDK installiert werden. Als erstes wird mit Root-Rechten die FFTW-Lib installiert, also "sudo apt-get install fftw3-dev" im Terminal ausgeführt. Dann muss man die ALSA-Lib mit "sudo apt-get install libasound2-dev" installieren. Zum Schluss mit "sudo apt-get install qtcreator" noch das Qt SDK installieren. Der Programmordner Guitartuner wird auf die Festplatte kopiert und danach kann das Programm 'Guitartuner' sofort gestartet werden. Das interne Mikrofon sollte als Standardeingang gewählt werden, oder es kann auch die Gitarre direkt am Line-Eingang angeschlossen werden. Durch die Berechnung der FFT wird eine Genauigkeit von 0.5 Hz erreicht, was aber bedeutet, dass das Programm ca. 2 Sekunden braucht, um die erste Frequenzanalyse durchzuführen. Wenn man also mit dem Button "Alle Saiten" startet, kann es etwas dauern, bis die Anzeige in der Mitte auf "E" springt. Bei dem Button "Alle Saiten" wird als erstes die tiefe E-Saite gestimmt. Es gibt entweder die Möglichkeit den Schrittmotor vor dem Drücken des Buttons aufzusetzen oder danach. Da ein Rechner auch viele Nebengeräusche am Mikrofoneingang haben kann, ist es von Vorteil zunächst den Button zu drücken und abzuwarten, ob sich der Motor "ruhig" verhält. Sind die Nebengeräusche klein, kann mit dem Stimmen begonnen werden. Um ein brauchbares Eingangssignal für die Signalanalyse zu bekommen, muss mindestens eine Eingangsanzeige (Eingang) von 1% bestehen. Durch Anspielen der E-Saite wird der Motor in Bewegung gesetzt und stimmt die Saite hoch oder runter, solange nicht die richtige Frequenz erreicht wird. Bei erfolgreicher Stimmung wird die nächste Saite angezeigt und man kann den Motor auf die ASaite setzen. Der Vorgang wird solange wiederholt bis "Stop" in der Mitte der Anzeige steht. Seite 3 von 18

4 Da bei einer Gitarre immer auch Einzelsaiten verstimmt sein können, gibt es noch die Möglichkeit, die Saite durch Auswahl von E/A/.../e alleine zu stimmen. Eingangssignalanzeige Alle Saiten nacheinander stimmen Einzelne Saite stimmen Welche Saite gestimmt wird (E/A/../e/Stop) Grad der Abweichnung Anhalten Hinweis: Da das Gerät nicht wissen kann, welche Saite wie weit verstimmt ist (die E-Saite könnte ja auch auf D gestimmt werden), wird bei überschreiten eines Ganztones nach oben oder unten der Warnhinweis "OUT OF RANGE" ausgegeben. Seite 4 von 18

5 4. Entwicklerdokumentation Für die Realisierung des Projekts habe ich mich für Nokias Qt Creator Version 1.31 (Qt 4.6.2) entschieden, da ich nach dem erfolgreichen Test der Schrittmotorensteuerung und der Frequenzanalyse noch eine grafische Oberfläche haben wollte. Es mussten zwei wichtige Librarys eingebunden werden, einmal die FFTW-Library ( zur Berechnung der Frequenz und dann noch die ALSA-Library ( um auf die AD-Daten der Soundkarte zugreifen zu können. Beide Pakete können mit "apt-get" unter Ubuntu 9.10 nachinstalliert oder die aktuelle Version von der jeweiligen Homepage heruntergeladen werden. Die Schrittmotorensteuerung für den ATMEGA 8 wurde mit der SiSy AVR Entwicklungsumgebung erzeugt. 4.1 Schrittmotorsteuerung Das Programm besteht im Wesentlichen aus zwei Funktionen, der Initialisierung und der Datenauswertung per USART mit dem ATMEGA 8. void USART_Init(void) Die Funktion USART_Init(void) sorgt dafür, dass der USART den Asynchron-Normal-Mode verwendet. Dabei werden die Register UBRRH auf 0 und UBRRL auf 23 gesetzt, um eine Baudrate von 9600 zu erzeugen. Die restlichen Register werden mit Standardwerten belegt, so dass wir auf 9600 Baud, 8 Datenbits, 1 Stoppbit und keine Parität kommen. unsigned char Rechner_anUSART(void) Die Funktion Rechner_anUSART(void) wertet die übertragenen Daten von der USB/SerialSchnittstelle aus. Es werden nur die Zeichen 'L', 'R', 'T', 'D' und 'E' angenommen. L = Links für Drehrichtung links (Low = Links) R = Rechts für Drehrichtung rechts (High = Rechts) T = Takt für die Taktung des Schrittmotors (High/Low-Signal, das den Motor antreibt (pos. Flanke)) D = Disable (Low), um den Motor freizuschalten (man kann die Spindel mit der Hand drehen) E = Enable, damit wird der Motor aktiviert (High) Hinweis: Nach dem Übertragen des Programmcodes auf das MyAVR-Board, muss der DIP-Switch auf dem Board an der Position 1 und 2 auf ON gestellt werden. Nur so funktioniert die serielle Datenübertragung richtig! Seite 5 von 18

6 Programmcode ATMEGA 8 #ifndef F_CPU #warning"cpu hat jetzt MHZ" #define F_CPU #endif #include <avr\io.h> #include <avr\wdt.h> #include <util\delay.h> #include <stdio.h> #include <string.h> #define on(reg,bit) reg =(1<<bit) #define off(reg,bit) reg &=(~(1<<bit)) #define toggle(reg,bit) reg^=(1<<bit) unsigned char Rechner_anUSART(void); void USART_Init(void); int main(void) unsigned char rueckgabe; USART_Init(); on(ddrb,ddb5); on(portb,portb5); while(1) rueckgabe=rechner_anusart(); if(rueckgabe=='l') on(ddrb,ddb4); off(portb,portb4); if(rueckgabe=='r') on(ddrb,ddb4); on(portb,portb4); if(rueckgabe=='d') on(ddrb,ddb3); off(portb,portb3); Seite 6 von 18 //bei PortB4 Low (Links) //bei PortB4 High (Rechts) //bei PortB3 Low (Disable Motor)

7 if(rueckgabe=='e') on(ddrb,ddb3); on(portb,portb3); //bei PortB3 High (Enable Motor) if(rueckgabe=='t') //bei PortB5 Takt des Motors, positive Flanke toggle(portb,portb5); void USART_Init(void) off(ucsra,u2x); on(ucsrb,txen); on(ucsrb,rxen); UBRRH=0; UBRRL=23; UCSRC =(1<<URSEL) (1<<UCSZ0) (1<<UCSZ1); unsigned char Rechner_anUSART(void) /* Wait for data to be received */ while (!(UCSRA & (1<<RXC)) ); /* Get and return received data from buffer */ return UDR; Seite 7 von 18 //Asynchron Normal Mode //Transmit //Received //9600 Baud //9600 Baud // Standard

8 Belegungen USB-Anschluss ATMEGA 8 MyAVR MkII-Board Grün = PORT B3 für Disable/Enable Motor Blau = PORT B4 für Rechts/Links Gelb = PORT B5 für Takt (High/Low pos. Flanke) Braun = +5V, Weiß = 0V Motor-Netzteilanschluss (12V) Schrittmotoranschluss Treiberbausatz für Schrittmotor von Bezeichnung: RN-Stepp297 Leiste JP1 auf der RN-Stepp297 Platine hat folgende Belegung Pin 1 +5 Volt Pin 2 Masse Pin 3 Enable/Disable Motor Pin 4 Rechts/Links Motor Pin 5 Takt für Motorgeschwindigkeit/Schritte Seite 8 von 18

9 Schrittmotor mit 4 poligem Stecker (bipolare Ansteuerung) Netzteil für Schrittmotor mit 2 poligem Stecker Seite 9 von 18

10 4.2 Softwareentwicklung unter Linux Vor dem ersten Start von Qt-Creator, muss noch der g++-compiler nachinstalliert werden, also "sudo apt-get install g++" im Terminal ausführen. Wenn man das Projekt 'Guitartuner.pro' mit Qt-Creator öffnet, werden links die Header-Dateien, Quelldateien, Ressourcen-Dateien und das Formular 'mainwindow.ui' angezeigt. In der Datei Guitartuner.pro sind die Librarys 'fftw3' und 'asound' eingebunden und sollten wie in der Benutzerdokumentation beschrieben schon installiert sein. Lässt sich das Projekt ohne Fehler kompilieren, können wir mit der Erklärung der einzelnen Klassen beginnen. Gibt es Probleme beim Kompilieren, so muss man von der Seite das aktuelle SDK herunterladen und installieren (bitte chmod u+x der "qt-sdk-linux....bin" Datei nicht vergessen). Klassenübersicht class MainWindow : public QMainWindow -Ui::MainWindow *ui +MainWindow(QWidget *parent = 0)() + ~MainWindow() +void on_pushbutton_8_clicked() +void on_pushbutton_7_clicked() +void on_pushbutton_6_clicked() +void on_pushbutton_5_clicked() +void on_pushbutton_4_clicked() +void on_pushbutton_3_clicked() +void on_pushbutton_2_clicked() +void on_pushbutton_clicked() +void on_outofrange_linkactivated(qstring link) +void on_progressbar_valuechanged(int value) +void on_label_linkactivated(qstring link) +void on_horizontalslider_valuechanged(int value) +void saitewechseln(int) class FFTW_Class : public QObject -fftw_plan p -fftw_complex *out -double Abstand -double *in -double freq +FFTW_Class() +~FFTW_Class() +void wertuebergabe(double []) +double frequenzauswertung(char) Seite 10 von 18

11 class ALSA_Class : public QObject -int rc -int size -snd_pcm_t *handle -snd_pcm_hw_params_t *params -unsigned int val -int dir -snd_pcm_uframes_t frames -char *buffer -double *messwerte -int ADinIntWerte +ALSA_Class() +~ALSA_Class() +double* getad_data(void) class Serial_Class : public QObject -int fd -struct termios options -int rechtslinks -double aktuelleabweichung +Serial_Class() +~Serial_Class() + int senden(int,char *, int) +void drehen(char,double,char) +char Motor(double,char ) +void rechtslinks_null(void) +double rueckgabeabweichung(void) +void Freigabe(void) class Guit_Thread : public QThread -char saite -double *messwerte -int counter -int durchschnitt -char val -int einzelsaite +Guit_Thread() + ~Guit_Thread() +virtual void run() +void start() +void quit() +void setvaluesaite(int) +void valuechanged(int) +void AD_Anzeige(int) +void mainsaitenname(qstring) +void outofrange(qstring) Seite 11 von 18

12 Klasse MainWindow Attribute Beschreibung Ui::MainWindow *ui Pointer der Klasse ui, über den man auf alle Methoden und Attribute für die Oberfläche der Klasse MainWindow zugreifen kann. Methoden: MainWindow(QWidget *parent = 0) Konstruktor der Klasse MainWindow - Initialisierung von ui - Breite des Hauptfensters festlegen - Höhe des Hauptfensters festlegen - Out of Range Anzeige verstecken ~MainWindow() Destruktor der Klasse MainWindow Private Slots: void on_pushbutton_clicked() Löst ein Signal des 'Stop'-Buttons aus void on_pushbutton_2_clicked() Löst ein Signal des 'E'-Buttons aus void on_pushbutton_3_clicked() Löst ein Signal des 'A'-Buttons aus void on_pushbutton_4_clicked() Löst ein Signal des 'D'-Buttons aus void on_pushbutton_5_clicked() Löst ein Signal des 'G'-Buttons aus void on_pushbutton_6_clicked() Löst ein Signal des 'H'-Buttons aus void on_pushbutton_7_clicked() Löst ein Signal des 'e'-buttons aus void on_pushbutton_8_clicked() Löst ein Signal des 'Alle-Saiten'-Buttons aus void on_outofrange_linkactivated(qstring ) Bei 'true' wird Out of Range im MainWindow angezeigt. void on_progressbar_valuechanged(int) Ändert die Aussteuerung der Signal-Eingang Anzeige (Int ) im MainWindow void on_label_linkactivated(qstring) Zeigt die Saitennamen (E/A/D/G/H/e/Stop) im MainWindow an. void on_horizontalslider_valuechanged(int) Zeigt den Grad der Abweichung zum nächsten Ganzton im MainWindow an. Signals: void saitewechseln(int) Seite 12 von 18 Übergibt einen Int-Wert zwischen 1 und 8, je nach gedrückter Taste im MainWindow

13 Klasse FFTW_Class Attribute Beschreibung fftw_plan p In der Variable p wird der Ausführungsplan der FFT gespeichert (real to complex). fftw_complex *out Das ist ein Zeiger auf das Array, in dem die FFT die berechneten Daten speichert. double Abstand Hier wird die Genauigkeit der FFT berechnet. z.b /88200 = 0.5 Hz double *in Das ist ein Zeiger auf das Array, das die ADDaten übernimmt. double freq Variable für die berechnete Frequenz. Methoden: FFTW_Class() Konstruktor der FFTW_Class - Speicher für out-array reservieren - Speicher für in-array reservieren - Abstand berechnen - freq auf 0 setzen ~FFTW_Class() Destruktor der FFTW_Class - den Ausführungsplan freigeben - Speicher für in/out-array freigeben void wertuebergabe(double []) Jeder einzelne AD-Wandler Wert (16bit) wird mit einem Hamming-Filter mit 53db Flankensteilheit behandelt und dann in das in-array gespeichert. Dies hat den Vorteil, dass hohe Störfrequenzen gleich ausgefiltert werden. Danach wird die FFT ausgeführt. double frequenzauswertung(char) Durch den übergebenen Saitennamen wird die Grundschwingung der Saite vom unteren bis zum oberen Ende eines Ganztones festgelegt (z.b. E-Saite von Hz). Es wird jeweils der Betrag des out-arrays (Complex) berechnet (nur N/10, da wir nur die unteren Frequenzen brauchen) und dann nachgesehen, ob der Pegel im Array größer als beim letzten Wert war. Da nicht alle leisen Störfrequenzen angenommen werden sollen (NoiseGate), wird erst ab dem Wert 20.0 das Ergebnis in freq gespeichert und zurückgegeben (Position im Array * Abstand). Seite 13 von 18

14 Klasse ALSA_Class Attribute Beschreibung int rc Rückgabewert, ob Daten richtig gelesen wurden int size Um eine Periode zu berechnen snd_pcm_t *handle ALSA Handler snd_pcm_hw_params_t *params ALSA Hardware-Parameter Objekt unsigned int val Samplerate int dir Kann -1,0,1 annehmen snd_pcm_uframes_t frames Pro Aufruf (N) Samples im Speicher char *buffer Zeiger auf Datenbuffer (interleaved) double *messwerte Zeiger auf AD-Messwerte Array Methoden: ALSA_Class() Konstruktor der Klasse ALSA_Class - öffnet PCM-Device (handle) - legt Samplefrequenz fest (44100) - legt Bitbreite fest (16bit) - legt Kanäle auf Stereo oder Mono fest (Mono) - legt Speicherformat fest (Little-Endian) - reserviert Speicher für buffer - reserviert Speicher für messwerte ~ALSA_Class() Destruktor der Klasse ALSA_CLass - schließt handle - gibt Speicher wieder frei double* getad_data(void) Es werden (N) Samples aus dem Ringbuffer des AD-Wandlers gelesen und von short in double umgerechnet. Die Daten werden im Array messwerte zwischengespeichert. Es wird ein Zeiger auf das messewerte-array zurückgegeben. Seite 14 von 18

15 Klasse Serial_Class Attribute Beschreibung int fd File Descriptor struct termios options - POSIX Kontrollfunktionen - Terminal Kontrollfunktionen int rechtslinks welche Richtung hatte der Motor zuletzt double aktuelleabweichung Abweichung innerhalb eines Ganztones für MainWindow Methoden: Serial_Class() Konstruktor der Klasse Serial_Class - rechtslinks Null setzen - aktuelleabweichung Null setzen - öffnen des ttyusb0-ports - festlegen der Übertragungsgeschwindigkeit 9600 Baud,8 Datenbits, 1 Stoppbit, keine Parität ~Serial_Class() Destruktor der Klasse Serial_Class int senden(int,char *, int) Übergibt den File Descriptor, das (die) Zeichen (R/L/T/D/E) und die Anzahl der Zeichen. Es werden dann die Daten an die serielle Schnittstelle gesendet. Gibt bei Fehlübertragungen Werte kleiner 0 zurück. void drehen(char,double,char) Mit der Übergabe von Richtung, Geschwindigkeit (Anzahl der Schritte) und Freigabe wird ausgewählt, welche Buchstaben an den USART des ATMEGA 8 gesendet werden. char Motor(double,char ) Es werden die aktuell berechnete Frequenz und die zu stimmende Saite übergeben. Anhand der Abweichung wird der Schrittmotor entweder nach links oder rechts gedreht. Wenn die Frequenz noch nicht übereinstimmt, wird immer die aktuelle Saite zurückgegeben. Bei Übereinstimmung wird der Buchstabe der nächsten zu stimmenden Saite zurückgegeben. Falls 'Alle-Saiten' ausgewählt wurde, wird nach der hohen e-saite 'F' für 'Fertig' zurückgegeben. In der Variablen 'aktuelleabweichung' wird der Grad der Abweichung für den Stimmslider (MainWindow) gespeichert double rueckgabeabweichung(void) Abweichung für Stimmslider auslesen void Freigabe(void) Schrittmotor freischalten (man kann die Spindel per Hand bewegen) Seite 15 von 18

16 Klasse Guit_Thread Attribute Beschreibung char saite Aktuelle Saite die gestimmt wird double *messwerte Zeiger auf messwerte-array int counter Zählervariable int durchschnitt Durchschnittswert für 'Eingang'-Anzeige char val Vergleichsvariable zur vorherigen Saite int einzelsaite Wurde eine einzelne Saite ausgewählt (dann 1) Methoden: Guit_Thread() Konstruktor der Klasse Guit_Thread - saite auf 'E' setzen - Speicher für messwerte-array reservieren - counter auf 0 setzen - val auf 'Z' setzen - einzelsaite auf 0 setzen ~Guit_Thread() Destruktor der Klasse Guit_Thread virtual void run() Virtuelle Methode damit ein Thread überhaupt sinnvoll arbeiten kann. Wird bei Guit_Thread::run() benutzt. Public slots: void setvaluesaite(int) Übergibt eine Zahl zwischen 1 und 8 vom MainWindow. Es wird jeweils der Thread mit der richtigen Saitenwahl gestartet. Bei Einzelsaiten wird zusätzlich 'einzelsaite' auf 1 gesetzt. void quit() Der Thread wird mit Exit-Code 0 erfolgreich beendet.wird bei Guit_Thread::quit() benutzt. void start() Beginnt mit der Ausführung des Threads. Wird bei Guit_Thread::start() benutzt. Signals: void valuechanged(int) Übergibt an das MainWindow die Änderung des Stimmsliders void AD_Anzeige(int) Übergibt an das MainWindow den Durchschnittswert des AD-Wandler Arrays. Es steuert die Eingangsanzeige. void mainsaitenname(qstring) Es wird die jeweils aktuelle Saite (E/A/D/G/H/e/Stop) an das MainWindow übergeben (Anzeige in der Mitte) Seite 16 von 18

17 void outofrange(qstring) Bei Frequenzen mit mehr als einem Ganzton Abweichung wird 'true' an das MainWindow gesendet und es erscheint Out of Range im Fenster. Connects in der main.cpp int main(int argc, char *argv[]) QApplication a(argc, argv); MainWindow w; w.show(); Guit_Thread Guit; QObject::connect(&Guit,SIGNAL (valuechanged(int)),&w,slot(on_horizontalslider_valuechanged(int))); QObject::connect(&Guit,SIGNAL (AD_Anzeige(int)),&w,SLOT (on_progressbar_valuechanged(int))); QObject::connect(&w,SIGNAL (saitewechseln(int)),&guit,slot (setvaluesaite(int))); QObject::connect(&Guit,SIGNAL(mainSaitenName(QString)),&w,SLOT(on_label_linkActivated(QString))); QObject::connect(&Guit,SIGNAL (outofrange(qstring)),&w,slot (on_outofrange_linkactivated(qstring))); return a.exec(); In der main.cpp werden die einzelnen Verbindungen zwischen dem MainWindow und dem Guit_Thread hergestellt. Es werden die Daten für den Stimmslider, die AD-Aussteuerung, die Saitenwahl, das Saitenlabel und die 'Out of Range'- Anzeige übertragen. Seite 17 von 18

18 Quellen Qt 4.6 GUI-Entwicklung mit C++ Seite 18 von 18