Canta-Cart

Hackaday 2024 名片挑战^🪐提交作品。

Canta-Cart 是一件触摸式乐器/合成器。它仅有标准 ID-1 卡片大小（85.6 × 53.98 mm），是一个可以随身携带的小乐器，能成为任何人手里的小玩具，亦能在熟练玩家的手中大显神通。它即插即用，一个小小的 USB-C 电源可以带着它的声音走遍世界。材料清单的总成本为人民币 5 元（折合约 0.7 美元）。

演示乐曲——

• 《人生的旋转木马》（Merry-Go-Round of Life）——电影《哈尔的移动城堡》插曲；久石让作曲
• 《短途旅行》（A Short Hike）——电子游戏配乐旋律主题；Mark Sparling 作曲
• 《白鸽与少年》（ハトと少年）——电影《天空之城》插曲；久石让作曲

除了实体装置外，乐器也可以在浏览器中游玩。

以下内容与 Hackaday 项目详情^🪐一致。中文版本基于机器翻译修订。

🎛️ 操作

卡片上有 12 个触摸按键（10 个用于发声，2 个用于转调）。发声按键对应自然大调音阶中的乐音，跨越十度音程。

转调按钮提供了多种扩展方法。操作方式如下：

• 按一次：沿音阶移动。
• 按住的同时演奏一个音符：临时升降半音。
• 按住其一的同时按下另一个：整体移调。

其背后的考量是，大多数旋律（在与西方调性理论相兼容的音乐文化中）的音域都在十分之一左右，至少在短时间内是如此；这是因为人声的音域大致符合这一范围，而乐器和作品常常倾向于模仿人声，或是引发人声的感觉。因此，对于演奏者来说，十个调大多足以重现大多数旋律。在需要的情况下，移调按钮可以打开通往十音大调音阶以外音高的通道，覆盖其余情况，并为和声、音乐纹理等提供丰富的机会，使细腻的音乐表达成为可能。

⚙️ 内部原理

（详情请参考固件源程序^🪐。）

电容传感

触摸感应是利用 RC 网络的阶跃响应实现的。

电路由一个与感应电极串联的大电阻器（约 1 MΩ）组成。后者可被视为电路接地（不一定是接地，电池负极也可以）的电容器，其值会随着人体部位的接近而增加。驱动引脚为网络提供阶跃信号（即将其驱动为高电平），并监测电阻上的电压变化，等待传感引脚变为“逻辑高电平”。由于该网络的阶跃响应是一个指数函数（其推导过程在任何基础电子学教科书中都有解释），因此感应点的电压要上升到逻辑高电平阈值 $V_\mathrm{IH} = k \cdot V_\mathrm{CC}$ 以上（典型值 $k = 0.7$），所需的时间为 $-\ln (1 - k) \cdot RC$，与感应电容 $C$ 成线性关系。

可以在此^🪐运行电路的模拟。

音频合成

合成器是一个基础的波表三角波合成器，结合了一个 attack/release 包络。所有计算均采用 32 位整数，从而最大限度地减少了合成时间，并将整体延迟时间降至 1 毫秒以下。

音频输出

音频通过由字选择 (WS)、位时钟 (BCK) 和串行数据 (DATA) 三个信号组成的数字总线发送到 DAC。电路中的 DAC IC 接收的式 LSBJ 格式，这与标准 I²S 格式非常相似。我们的微控制器没有直接适配此类格式的外设，但在限制之内也有可行方案：BCK 和 DATA 可由 SPI 输出覆盖，WS 可由细心作好同步的 PWM 定时器通道提供。DMA 提供一个“半完成”（half-complete）中断，简化了双缓冲的实现。

为什么会出现这些奇怪的限制？当然是为了节衣缩食！这就引出了……

🔥 The Muntz Wildcard

性价比是设计中的首要考虑因素之一。因此，在实施过程中出现了一些荒唐的现象，但整件装置最终拼凑起来的那一刻，便实现了每件 5 元的超低原料成本。由于如今不少厂家都为这种尺寸的电路板提供免费的打样服务，以上就是设备的最终制造成本。（所有元件都可以用热风枪或烙铁手工焊接；我并非经验丰富的制作者，我目前专注于设计，电子制作仅是副业，但我只用焊膏和热风枪就完成了所有工作，没有使用钢网、放大镜或助焊剂。不过每个人的情况也会不同啦。）

微控制器是装置的核心，通常也是原料成本的主要组成部分。在本设计中，我选择了 PY32，这是半导体公司普冉（Puya）推出的 Arm Cortex-M 微控制器系列。入门产品线 PY32F002/3 的定价令人印象深刻，低至 1 元以内。PY32F003 型号的运行频率为 32 MHz，外设包括定时器、SPI 和 DMA，非常适合我们的连续数字音频输出使用场景。音频 DAC 和放大器 IC 也是低成本型号，但足以满足我们的应用需求。

我现居中国境内，从淘宝上的一家大型经销商处购买元件的总成本为每台 4 元（数量 1+ 对应的阶梯价格）。知名的在线分销商在订购数量较少的情况下可能价格会略高，但数字相差不大，最高即为前述的约 5 元。

音乐从来不只属于部分人。全世界音乐梦想家，联合起来！

✨ 名片……？

名片离不开个人化的交流；我已经开始将这些送给周围的朋友。背面印有个人网站和一个小图标。这个图标隐晦地拼出一个音乐片段，我称其为“sweetfish 旋律动机”。我想给首位正确解读它的人赠送一张卡片。如果你能看明白，请给我发信息 (^ -)☆

写错了，其实是第一版哒