Mitch Altman是如何創(chuàng)建ArduTouch音樂合成器的？

作為一個熱愛音樂的孩子，我被1968年問世的“時髦的巴赫”（Switched-On Bach）這張電子音樂專輯里的穆格合成器的聲音震撼了。我需要學習如何制作這些聲音！因此，當我進入科技行業(yè)時，便開始了學習和合成器制作的生涯。進入科技行業(yè)后，我發(fā)明了TV-B-Gone，這個鑰匙扣樣子的小工具可以讓你關閉幾乎任何型號的遙控電視。自從TV-B-Gone大受歡迎以來，我為世界各地的制作工坊發(fā)明了許多有趣的、開源的、可編程的硬件套件。在這些制作工坊里，新手們學習焊接，磨練他們焊接電子器件和微控制器的技術。記得在我年輕的時候，我想給他們提供一套易于組裝和使用的工具，而這套工具還是一個功能齊全的音樂合成器。

結果是我發(fā)明了ArduTouch。ArduTouch的售價是30美元。這個項目將一個觸控式鍵盤、一個ATMega328P（與Arduino Uno使用的處理器相同）和一個帶揚聲器的音頻功放集成在了一塊板子上。它還有一個軟件庫，可以作為進入數(shù)字信號處理世界的入口。

設計電路板的最大挑戰(zhàn)是ATMega328P的輸入/輸出（I/O）引腳數(shù)量有限。我使用了12個I/O引腳作為合成器的觸控式鍵盤，以提供完整的半音音階。鍵盤的布局與老式Stylophone——我最喜歡的20世紀60年代后期的模擬合成器之一——相似，觸控時感覺就像在觸摸電容。還有2個I/O引腳用于輸出立體聲，2個引腳用于串行通信（ArduTouch可以使用標準的Arduino開發(fā)環(huán)境進行編程，但你需要使用一條FTDI電纜將其連接到主機）。其余的I/O引腳剛好夠支持兩個按鈕和兩個控制合成器的電位計。

為了讓制作者在將套件焊接到一起后能夠立即獲得可聽見的結果，我在板子上放了一個LM386功放芯片和揚聲器。（當把插頭插入音頻輸出插孔時，功放會被繞過。）數(shù)模轉換器芯片價格昂貴，因此我使用脈沖寬度調制（PWM）對來自ATMega328P的立體聲音頻通道進行編碼。每個通道配有一個由一個電阻和一個電容組成的低通濾波器，將PWM信號轉換成音頻。

經驗豐富的設計師會認識到ArduTouch硬件很簡單。該項目的核心是用于對ATMega328P進行編程的復雜的音頻合成軟件庫。

實際上，用微控制器來產生基本的音樂音調是相當容易的。只需將揚聲器連接到I/O引腳，然后將其打開和關閉以發(fā)出不同頻率的方波就可以了（至少艾倫?圖靈在Manchester Mark II計算機上都使用過這種技術）。但所能得到的是一種刺耳的聲音，聲音的豐富性遠不及穆格合成器。

為了得到更好的聲音，我需要轉向數(shù)字音樂合成。這是一種創(chuàng)建音頻波形的二進制表示，胡亂擺弄它們，然后將這些數(shù)字轉換成模擬信號的行為。有許多不同的方法可以做到這一點，我很高興地說ArduTouch支持相當多的技術，包括使用波形表（使用存儲在內存中的數(shù)字音頻樣本）和生成式方法（動態(tài)計算音頻）。

一旦創(chuàng)建了聲音的基本二進制表示，“弄亂”的階段就非常重要。除非你把聲音弄亂，否則聲音通常很薄且枯燥乏味。動態(tài)操作產生很酷的聲音。ArduTouch可以數(shù)字化應用許多動態(tài)功能和效果，包括顫音、抑揚頓挫、滑音以及低通和高通濾波器等。

照片來源：Mitch Altman

焊接聲音：ArduTouch需要相對較少的組件（上面三張圖中中間那張圖），它使用電容鍵盤來演奏音符（最上面的圖）。它很簡單，可以在教人們入門的工坊中（最下面的圖）進行組裝。

盡管上述所有內容在概念上都不難學習和理解，但編碼卻相當復雜。我和我的朋友Bill Alessi創(chuàng)建的ArduTouch庫能做所有需要的低級計算，我們花了兩年時間來編寫該庫。

該庫在設計時充分考慮了靈活性，即使是沒有經驗的用戶也可以安裝新的合成器來制作不同的聲音。一個結合了四種鋸齒波形的名為Thick的合成器是預先安裝好的，但還有其他五個“可預裝”的合成器供下載使用。更高級的用戶可以通過調用一些高級功能來學習如何從頭開始創(chuàng)建自己的合成器。我希望那些喜歡這個項目的人會創(chuàng)建新的合成器并與我分享他們的代碼，以便我可以與他人分享。

但即使使用默認的合成器，聲音也非常適合這種低功耗微控制器（允許音頻采樣率僅為15千赫茲）和這種低成本的支持硬件。你可以在我的YouTube頻道上看到很多視頻演示。

對于這個項目的未來，我們將繼續(xù)改進ArduTouch Arduino庫并制作更多可預裝的合成器。我還在制作一個更強大的適合現(xiàn)場公共演出的ArduTouch版本。它不是套件，但它仍然是與Arduino兼容的。它將擁有功能更強大的32位微控制器，帶有大量I/O引腳、一個數(shù)模轉換器、大的存儲容量（這將允許MIDI）、一個小型LCD、幾個按鈕和電位計以及LED指示燈，當然，還有更好的聲音。