电子琴软件技术文档
1. 概述与应用场景
电子琴软件是一款基于虚拟仪器技术和嵌入式系统开发的数字化音乐工具，旨在通过软件模拟传统电子琴的演奏功能，同时结合现代计算机技术的扩展性实现音效调节、多轨录音、智能伴奏等创新功能。其核心应用场景包括：
音乐教育：通过可视化音阶教学和自动节拍辅助，帮助用户快速掌握乐理知识（参考1中关于LabVIEW电子琴的教学功能）。
舞台表演：支持多音色切换（如钢琴、吉他、合成音效）和实时音效处理（如混响、延音），满足专业演奏需求。
个性化创作：提供录音回放、预设曲目编辑功能，用户可自由编排音乐片段（参考2的硬件录音功能与4的单片机扩展设计）。
该软件相较于传统硬件电子琴具有显著优势：开发成本降低50%以上，支持通过软件更新扩展功能模块，且兼容多种操作系统与硬件平台。
2. 核心功能需求
2.1 音频生成与处理
音阶频率控制：基于标准音阶频率表（如中央C音为261.63Hz），通过D/A转换器或FPGA硬件实现精准波形输出（2提及的D/A转换原理与3的FPGA音色生成模块）。
音色合成技术：采用查找表（LUT）预存多种乐器波形数据，支持用户动态切换音色（如3的256KB音色库设计）。
实时音效处理：集成数字信号处理算法，实现混响、颤音等效果，延迟低于5ms以满足演奏实时性（参考9的Android音频处理层设计）。
2.2 用户交互设计
矩阵键盘输入：支持8×8矩阵扫描技术，可检测多键同时触发的和弦操作（4的AT89C51单片机键盘方案）。
可视化界面：包含LED数码管显示当前音阶、LCD屏幕展示频谱分析（5的EDA设计中的分频模块）。
多模式切换：提供演奏模式、录音模式、自动播放模式，通过侧滑菜单快速配置（参考9的Android界面交互逻辑）。
3. 软件架构与模块设计
3.1 分层架构设计
电子琴软件采用三层架构（图1）：
┌──────────────┐
│ 用户界面层 │ 处理键盘输入与图形显示
├──────────────┤
│ 音频处理层 │ 实现音色合成与效果处理
├──────────────┤
│硬件驱动层 │ 控制DAC、扬声器等外设
└──────────────┘
该架构借鉴了3的VHDL模块化设计理念，确保各层解耦且可独立升级。
3.2 关键模块实现
键盘扫描模块：采用中断驱动方式，每10ms扫描一次键盘状态，响应时间≤20ms（4的矩阵键盘检测方案）。
音频输出模块：通过PWM调制或I2S接口输出数字音频，支持16位44.1kHz采样率（参考2的8253定时器与D/A转换方案）。
存储管理模块：内置Flash存储器保存用户录音，采用循环缓冲区技术实现最长30分钟录音（5的“复读”功能设计）。
4. 使用说明与操作流程
4.1 软件启动与初始化
1. 硬件连接：将电子琴软件部署至目标设备（如FPGA开发板或Windows/Linux主机），连接USB-MIDI键盘或触摸屏。
2. 配置检测：系统自动识别音频输出设备，用户可通过设置菜单调整采样率与缓冲区大小（参考10的通信接口规范）。
4.2 基础演奏操作
单音演奏：按下物理/虚拟琴键，数码管显示音名（如C4），扬声器输出对应频率声波。
和弦触发：同时按下三键以上时，自动叠加波形生成和弦（1的LabVIEW频率叠加算法）。
4.3 高级功能应用
音效调节：通过旋钮控件调整混响强度（0-100%）、延时时长（0-500ms）。
录音回放：长按REC键启动录音，存储文件可命名导出为WAV格式（5的存储模块设计）。
5. 系统配置要求
5.1 硬件配置
| 组件 | 最低要求 | 推荐配置 |
| 处理器 | ARM Cortex-M4 80MHz | Xilinx Spartan-6 FPGA |
| 存储空间 | 128KB Flash / 64KB RAM | 512MB DDR3 + 4GB SD卡 |
| 音频接口 | 8位DAC | 24位I2S编解码芯片 |
| 输入设备 | 4×4矩阵键盘 | 88键MIDI加权键盘 |
（硬件参数综合3的FPGA选型与4的单片机方案）
5.2 软件环境
操作系统：Windows 10/Linux Kernel 4.4+
依赖库：LabVIEW Runtime 2022（1）、Vivado 2019.2（3）
开发工具链：Keil μVision（C51开发）或Xilinx SDK（FPGA开发）
6. 测试与维护规范
6.1 功能验证方法
单元测试：使用信号发生器模拟键盘输入，验证频率误差≤±0.5Hz（参考2的硬件测试流程）。
用户测试：邀请专业演奏者评估音色逼真度与延迟表现（9的性能需求标准）。
6.2 维护策略
OTA升级：通过Wi-Fi模块推送固件更新（6的移动端集成方案）。
故障诊断：内置自检程序可检测DAC失真、按键接触不良等常见问题（10的系统健壮性设计）。
本电子琴软件通过融合虚拟仪器技术与嵌入式系统设计，实现了高性价比、高扩展性的音乐创作工具。其模块化架构支持快速适配不同硬件平台，而符合ISO/IEC 25010标准的开发流程（参考11的SRS规范）确保了系统的可靠性与可维护性。未来可通过AI算法集成智能编曲功能，进一步提升用户体验。
