免于老化的变换器、使用该变换器的乐器及其使用方法转让专利
申请号 : CN200510099534.5
文献号 : CN1750111B
文献日 : 2010-05-05
发明人 : 佐佐木力
申请人 : 雅马哈株式会社
摘要 :
在自动演奏器钢琴(100)中安装充当记录器(500)和自动演奏器(300)的电子系统，并且利用光耦合器实现的弦槌传感器(26)通过模拟信号(Vh)向数据处理器(27)报告当前弦槌位置，使得数据处理器(27)分析用于将演奏记录在一组乐曲代码中的弦槌数据；通过运算放大器(24a)放大模拟信号(Vh)，并随后将其转换为数字弦槌信号的离散值(AD)，使得偏移电压被不可避免地引入模拟信号；当光耦合器由于老化衰退而改变光-光电流转换特性时，数据处理器(27)考虑偏移电压，并校准弦槌传感器(26)，从而使数字弦槌信号正确地表示当前弦槌位置。
权利要求 :
1.一种用于将移动物体(2)的物理量转换为代表所述物理量的数字信号的变换器，包括：
增益控制器(VR；26c)，产生代表一模拟信号(Vh)的电势范围的控制信号，其中所述模拟信号(Vh)代表表示所述移动物体(2)的运动的所述物理量；
转换器(26；26A)，监控所述移动物体(2)，并响应所述控制信号，以便使所述模拟信号(Vh)根据所述物理量而在所述电势范围中摆动电势电平；
电路(24a、24b；26B、24c)，连接到所述转换器(26；26A)，将偏移电压引入所述模拟信号(Vh)，并在所述模拟信号(Vh)的基础上产生所述数字信号；以及校准器，连接到所述增益控制器(VR；26c)和所述电路(24b；24c)，
其特征在于
所述校准器(20、S1-S12、S13-S16、S20-S25、S30-S32、S40-S42)使所述增益控制器(VR；26c)在第一范围(B)和第二范围(C)之间改变所述电势范围，以便在产生于所述第一范围(B)内的所述数字信号和产生于所述第二范围(C)内的所述数字信号的基础上确定对应于所述偏移电压的偏移值(x)，并将所述偏移值(x)加到所述数字信号上，以便输出校准后的数字信号。
2.如权利要求1所述的变换器，其中，所述校准器包括：
数据收集器(20、S4、S5、S6、S7、S8、S9)，连接到所述电路(24b、24c)和驱动器(5、10、11、12、25)，使所述驱动器(5、10、11、12、25)反复移动所述移动物体(2)，并在所述移动物体(2)的轨线上的每次行进中，从所述移动物体(2)的所述轨线上的预定点(R、E)处的所述数字信号中取出离散值(r1、e1、r2、e2)，以便将所述离散值(r1、e1、r2、e2)存储在其中，移动器(20、S4、S7)，连接到所述增益控制器(VR、26c)，并响应指令，以便当所述移动物体(2)到达所述轨线的终点时，使所述增益控制器(VR，26c)将所述电势范围从所述第一范围(B)改变为所述第二范围(C)，以及信息处理器(20、S10、S11)，连接到所述数据收集器(20、S4-S9)，并通过对在所述第一范围(B)下存储的所述离散值(r1、e1)和在所述第二范围(C)下存储的所述离散值(r2、e2)的算术运算来确定所述偏移值(x)。
3.如权利要求2所述的变换器，其中，所述预定点是所述移动物体(2)的静止位置(R)和所述移动物体(2)的终点位置(E)。
4.如权利要求3所述的变换器，其中，所述信息处理器(20、S10、S11)通过使用下列方程来确定所述偏移值(x)x＝(r2×e1-r1×e2)/(r1-r2+e2-e1)
其中x是所述偏移值，e1和r1分别是在所述第一范围下存储的所述终点位置(E)和所述静止位置(R)的所述离散值，而e2和r2分别是在所述第二范围下存储的所述终点位置(E)和所述静止位置(R)的所述离散值。
5.如权利要求1所述的变换器，其中，所述校准器包括：
计算器(20、S13)，将所述偏移值(x)加到关于所述移动物体(2)的轨线上的预定点(R)处的所述数字信号的离散值(AD)上，以便确定所述预定点(R)处的校准后的离散值，估计器(20、S14、S15)，在所述预定点(R)处的所述校准后的离散值的基础上，估计所述轨线上其它预定点(E、M1、M2)处的所述移动物体(2)的所述轨线上的校准后的离散值。
6.如权利要求5所述的变换器，其中，所述预定点是所述移动物体(2)的静止位置(R)，而所述其它预定点是所述移动物体的终点位置(E)以及所述静止位置(R)和所述终点位置(E)之间的基准点(M1、M2)。
7.如权利要求6所述的变换器，其中利用关于所述静止位置(R)的位置比来表示所述终点位置(E)，使得所述估计器(20、S14、S15)通过将所述静止位置(R)处的所述校准后的离散值乘以所述位置比来估计所述终点位置(E)处的校准后的离散值，并且利用其它位置比来表示所述基准点(M1、M2)，以便所述估计器通过使用乘法来估计所述基准点(M1、M2)处的校准后的离散值(m1、m2)。
8.如权利要求6所述的变换器，其中所述校准器(20、S20-S25、S30-S32、S40-S42)将所述轨线上的所述校准后的离散值与所述基准点之一(M2)处的校准后的离散值(m2)相比较，以便假定代表到达所述终点位置(E)附近的第一当前状态(st1)，分析表示所述终点位置(E)的另一附近处的所述移动物体(2)的运动的至少一个物理量，以便假定第二当前状态(st2)，将所述第一当前状态(st1)和所述第二当前状态(st2)相比较，以查看所述第一当前状态(st1)是否与所述第二当前状态(st2)不一致，并且当在所述第一当前状态(st1)和所述第二当前状态(st2)之间发现不一致时，重新计算所述终点位置(E)处的所述校准后的离散值和所述基准点(M1、M2)处的所述校准后的离散值(m1、m2)。
9.一种乐器，包括：
多个链接构件(1、2、3)，包括特定链接件(2)，并被有选择地移动以指定要产生的音调的音高，其中，所述多个链接构件(1、2、3)中的每个具有所述特定链接件(2)之一；
增益控制器(VR、26c)，改变代表表示所述特定链接件(2)的运动的物理量的模拟信号(Vh)的电势范围；
多个转换器(26；26A)，分别监控所述特定链接件(2)，并使所述模拟信号(Vh)根据所述物理量而在所述电势范围中摆动电势电平；
电路(24a、24b；26B、24c)，分别连接到所述多个转换器(26；26A)，分别将偏移电压引入所述模拟信号(Vh)，并分别在所述模拟信号(Vh)的基础上产生代表所述物理量的数字信号；以及校准器，连接到所述增益控制器(VR；26c)和所述电路(24a、24b；26B、24c)，其特征在于
所述校准器(20、S1-S12；S13-S16；S20-S25；S30-S32；S40-S42)使所述增益控制器(VR；26c)在第一范围(B)和第二范围(C)之间改变所述电势范围，以便在产生于所述第一范围(B)内的所述数字信号和产生于所述第二范围(C)内的所述数字信号的基础上确定对应于所述偏移电压的偏移值(x)，并将所述偏移值(x)加到所述数字信号上，以便输出校准后的数字信号。
10.如权利要求9所述的乐器，其中，所述校准器包括：
数据收集器(20、S4、S5、S6、S7、S8、S9)，连接到所述电路(24a、24b；26B、24c)和驱动器(5、10、11、12、25)，使所述驱动器(5、10、11、12、25)反复移动所述特定链接件(2)，并且在相关联的所述特定链接件(2)之一的轨线上的每次行进中，从所述相关联的所述特定链接件(2)之一的所述轨线上的预定点(R、E)处的所述数字信号的每一个中取出离散值(r1、e1、r2、e2)，以便将所述离散值(r1、e1、r2、e2)存储在其中，移动器(20、S4、S7)，连接到所述增益控制器(VR；26c)，并响应指令，以便当所述特定链接件(2)到达所述轨线的各个终点时，使所述增益控制器(VR；26c)将所述电势范围从所述第一范围(B)改变为所述第二范围(C)，以及信息处理器(20；S10、S11)，连接到所述数据收集器(20、S4-S9)，并通过对在所述第一范围(B)下存储的所述离散值(r1、e1)和在所述第二范围(C)下存储的所述离散值(r2、e2)的算术运算来确定所述偏移值(x)的每一个。
11.如权利要求10所述的乐器，其中，每条轨线上的所述预定点是相关联的所述特定链接件(2)之一的静止位置(R)和所述相关联的所述特定链接件(2)之一的终点位置(E)。
12.如权利要求11所述的乐器，其中，所述信息处理器(20、S10、S11)通过使用下列方程来确定所述偏移值(x)的所述每一个x＝(r2×e1-r1×e2)/(r1-r2+e2-e1)
其中x是所述偏移值中的所述一个，e1和r1分别是在所述第一范围下存储的所述终点位置和所述静止位置的所述离散值，而e2和r2分别是在所述第二范围下存储的所述终点位置和所述静止位置的所述离散值。
13.如权利要求9所述的乐器，其中，所述校准器包括：
计算器(20、S13)，将所述偏移值(x)中的所述每一个加到关于所述特定链接件(2)中的一个的轨线上的预定点(R)处的所述数字信号的离散值(AD)上，以便确定所述预定点(R)处的校准后的离散值，估计器(20、S14、S15)，在所述预定点(R)处的所述校准后的离散值的基础上，估计所述特定链接件(2)中的所述一个的所述轨线上的其它预定点(E、M1、M2)处的所述轨线上的校准后的离散值。
14.如权利要求13所述的乐器，其中，所述预定点是所述特定链接件(2)中的所述一个的静止位置(R)，并且所述其它预定点是所述特定链接件(2)中的所述一个的终点位置(E)以及所述静止位置(R)和所述终点位置(E)之间的基准点(M1、M2)。
15.如权利要求14所述的乐器，其中，利用关于所述静止位置(R)的位置比来表示所述终点位置(E)，使得所述估计器(20、S14、S15)通过将所述静止位置(R)处的所述校准后的离散值乘以所述位置比来估计所述终点位置(E)处的所述校准后的离散值，并且利用其它位置比来表示所述基准点(M1、M2)，使得所述估计器(20、S14、S15)通过使用乘法来估计所述基准点(M1、M2)处的校准后的离散值。
16.如权利要求14所述的乐器，其中，所述校准器(20、S20-S26)将所述轨线上的所述校准后的离散值与所述基准点中的一个(M2)处的校准后的离散值(m2)相比较，以便假定代表到达所述终点位置(E)附近的第一当前状态(st1)，分析表示在所述终点位置(E)的另一附近处所述特定链接件(2)中的所述一个的运动的至少一个物理量，以便假定第二当前状态(st2)，将所述第一当前状态(st1)与所述第二当前状态(st2)相比较，以查看所述第一当前状态(st1)是否与所述第二当前状态(st2)不一致，并且当在所述第一当前状态(st1)和所述第二当前状态(st2)之间发现不一致时，重新计算所述终点位置(E)处的所述校准后的离散值和所述基准点(M1、M2)处的所述校准后的离散值(m1、m2)。
17.如权利要求9所述的乐器，其中，原声钢琴(100)的键(1a、1b)、动作单元(3)、弦槌(2)组合形成所述多个链接构件，并且所述弦槌(2)对应于所述特定链接件。
18.如权利要求17所述的乐器，还包括乐曲代码产生器(28、30)，其分析所述校准后的数字信号，以便确定所述弦槌(2)的运动，并在所述弦槌(2)的所述运动的基础上，产生代表所述原声钢琴(100)上的演奏的乐曲数据。
19.一种用于确定对应于在模拟信号(Vh)中引入的偏移电压的偏移值(x)的方法，包括以下步骤：a)在物理量-信号转换器(26；26A)中设置第一电势范围(B)；4
b)在一轨迹上移动物体(2)，使得所述物理量-信号转换器(26；26A)根据表示所述物体(2)的运动的物理量而产生在所述第一电势范围(B)内变化的所述模拟信号(Vh)；
c)将在所述第一电势范围(B)内变化的所述模拟信号(Vh)转换为数字信号；
d)取出所述物体(2)的所述轨迹上的预定点(R、E)处的离散值(r1、e1)；
e)在所述物理量-信号转换器(26；26A)中设置第二电势范围(C)；
f)在所述轨迹上移动所述物体(2)，使得所述物理量-信号转换器(26；26A)根据所述物理量而产生在所述第二电势范围(C)内变化的所述模拟信号(Vh)；
g)取出所述预定点(R、E)处的其它离散值(r2、e2)；以及
h)在所述离散值(r1、e1)和所述其它离散值(r2、e2)的基础上计算所述偏移值(x)。
20.如权利要求19所述的方法，其中，将所述偏移值(x)用于用来校准变换器(26、24a、24b、20；26A、26B、24c、20)的另一方法，所述变换器在受到偏移电压和老化衰退影响的模拟信号(Vh)的基础上，产生代表移动物体(2)的物理量的数字信号。
21.如权利要求20所述的方法，其中，所述另一方法包括以下步骤：
取出关于所述移动物体(2)的轨线上的所述预定点(R、E)之一(R)处的所述数字信号的离散值(AD)，将所述偏移值(x)加到所述离散值(AD)上，以便确定校准后的离散值，
估计所述轨线上的其它预定点(E、M1、M2)处的校准后的离散值，以及
确定所述变换器的校准后的物理量-电压特性(C)。
说明书 :
技术领域
本发明涉及一种变换器，特别涉及一种用于产生代表移动物体的物理量的检测信号的变换器、配有该变换器的乐器和其中采用的方法。
背景技术
自动演奏器钢琴(automatic player piano)是混合乐器的典型示例。自动演奏器钢琴是原声钢琴和电子系统的组合，并且人类钢琴家和由该电子系统实现的自动演奏器在原声钢琴上演奏乐曲。当人类演奏者用手指在键盘上弹奏时，被按下的键驱动相关的动作单元，该动作单元引起弦槌(hammer)的旋转，并且弦槌在旋转的终点撞击弦。然后，弦振动，并且通过弦的振动产生原声钢琴音调。
当用户命令自动演奏器重演由一组乐曲数据代码表示的演奏时，自动演奏器开始分析该乐曲数据代码，并在没有人类演奏者的任何手指弹奏的情况下顺次引起键运动和踏瓣运动。当黑键和白键在各自的基准轨迹上行进时，键传感器和/或弦槌传感器监控键运动和/或弦槌运动，并且自动演奏器通过伺服控制环强迫黑键和白键在基准轨迹上行进，其中，自动演奏器在乐曲数据代码的基础上为要按下的键确定所述基准轨迹。
在自动演奏器钢琴的若干型号中，电子系统还充当记录器和/或电子键盘。记录器分析在原声钢琴上的原始演奏中的键运动和/或弦槌运动，并产生代表原始演奏的乐曲数据代码。自动演奏器可以重演由该乐曲数据代码表示的演奏。
当用户命令电子系统产生电子音调而不是原声钢琴音调时，将来源于人类钢琴家的演奏或从外部数据源加载的乐曲数据代码提供给电子音调生成器，并且从波形数据中产生音频信号，以便将其转换为电子音调。在乐曲数据代码来源于原声钢琴上的演奏的情况中，键传感器、踏瓣传感器和/或弦槌传感器向控制器报告键运动、踏瓣运动和/或弦槌运动，并且控制器通过分析这些乐曲数据来产生乐曲数据代码。
因此，键传感器、弦槌传感器和踏瓣传感器是合并在混合乐器中的电子系统的重要系统组件。
由于键运动和弦槌运动并不简单，因此理想的是键传感器和弦槌传感器具有与键轨迹和弦槌轨迹重合的监控范围。日本专利申请公开第2001-175262号中公开了具有宽监控范围的弦槌传感器的典型示例。现有技术弦槌传感器连续监控静止位置和在相关弦上的反弹之间的弦槌柄(hammer shank)。现有技术弦槌传感器向控制器通知弦槌轨迹上的当前弦槌位置，并使得有可能计算弦槌速度和加速度。位置、速度和加速度是不同种类的物理量，并且那些种类的物理量中的任意一种都表示弦槌运动。
控制器还分析所述物理量，以便确定弦槌轨迹上的唯一点、以及另一种物理量。所述日本专利申请公开使我们知道控制器确定以下内容。
1.弦槌开始其运动的时刻，即开始时刻。
2.弦槌与相关的弦碰撞的时刻，即撞击时刻。
3.在撞击相关的弦之前瞬间的弦槌速度，即最终弦槌速度。
4.相关的黑键或白键开始键运动的时刻，即按下时刻。
5.在弦上反弹之后托木(back check)挡住弦槌的时刻，即倒退制止时刻。
6.弦槌离开托木的时刻，即分离时刻。
7.与托木分离之后的弦槌速度，即返回速度。
8.制音器(damper)返回到弦上的时刻，即衰减时刻。
9.弦槌停止在弦槌轨迹终点的时刻，即终止时刻。
10.释放被按下的键的时刻，即释放时刻。
这样，控制器通过分析表示弦槌运动的弦槌数据而获得各种乐曲数据。在该分析中，控制器将当前弦槌位置与阈值相比较，以查看弦槌是否正在通过，并确定该弦槌行进的轨迹。控制器假定相关的键运动，并将键运动分类为某种风格的表演。
尽管在所述日本专利申请公开中公开了若干种变换器，但是将光学位置变换器作为该结构的主要示例进行描述。作为示例，光学位置变换器由光发射元件和光检测元件的组合来实现，并且入射到光检测元件上的光量根据弦槌柄在所述轨迹上的位置而变化。由于控制器在入射到光检测元件上的光量的基础上假设当前弦槌位置，因此光量和弦槌位置之间的关系是稳定的。例如，光不断地从光发射元件输出，并且入射光将以恒定的速率转换为电荷。然而，老化衰退是不可避免的。即使将恒定的电势差施加到光发射元件上，在较长的服务时间周期内，输出光的量也往往减少，使得现有技术光变换器不能在较长的服务时间周期内使入射光-弦槌位置特性保持稳定。在此情形中，控制器不可能正确地确定弦槌运动，这是现有技术变换器固有的问题。
在日本专利申请公开第2000-155579号中提出了对策。在该日本专利申请公开中公开的现有技术位置变换器也被分类为光位置变换器，并且包括光发射元件、光检测元件和数据处理单元。光发射元件与光检测元件相对，并且产生跨过遮光盘(shutter plate)轨迹的光束。老化衰退对现有技术光位置变换器的输出信号也有影响。换句话说，在较长的服务时间周期内，位置-电压特性不可避免地发生变化。
为了消除由于老化衰退而产生的影响，制造商将初始位置-电压特性存储在合并于数据处理单元中的只读存储器内。在交付给用户之后，数据处理单元测量最大电压，并将当前在位置-电压特性上发现的最大电压与初始位置-电压特性上的最大电压相比较，以查看光发射元件和光检测元件是否改变了位置-电压特性。如果发现了差异，则数据处理单元计算当前在位置-电压特性上发现的最大电压与初始位置-电压特性上的最大电压之间的比率，并存储该比率。
当现有技术光位置变换器将遮光盘的当前位置转换为输出信号时，数据处理单元通过将从光检测元件输出的电压电平乘以所述比率来假定遮光盘的当前位置。该乘积表示遮光盘在初始位置-电压特性上的当前位置。
然而，现有技术光位置变换器仍然受到老化衰退的影响。尽管数据处理单元周期性地校准光检测元件，但是所述乘积往往不会正确表示当前的遮光盘位置。这是现有技术光位置变换器中固有的问题。
当用户命令自动演奏器重演由一组乐曲数据代码表示的演奏时，自动演奏器开始分析该乐曲数据代码，并在没有人类演奏者的任何手指弹奏的情况下顺次引起键运动和踏瓣运动。当黑键和白键在各自的基准轨迹上行进时，键传感器和/或弦槌传感器监控键运动和/或弦槌运动，并且自动演奏器通过伺服控制环强迫黑键和白键在基准轨迹上行进，其中，自动演奏器在乐曲数据代码的基础上为要按下的键确定所述基准轨迹。
在自动演奏器钢琴的若干型号中，电子系统还充当记录器和/或电子键盘。记录器分析在原声钢琴上的原始演奏中的键运动和/或弦槌运动，并产生代表原始演奏的乐曲数据代码。自动演奏器可以重演由该乐曲数据代码表示的演奏。
当用户命令电子系统产生电子音调而不是原声钢琴音调时，将来源于人类钢琴家的演奏或从外部数据源加载的乐曲数据代码提供给电子音调生成器，并且从波形数据中产生音频信号，以便将其转换为电子音调。在乐曲数据代码来源于原声钢琴上的演奏的情况中，键传感器、踏瓣传感器和/或弦槌传感器向控制器报告键运动、踏瓣运动和/或弦槌运动，并且控制器通过分析这些乐曲数据来产生乐曲数据代码。
因此，键传感器、弦槌传感器和踏瓣传感器是合并在混合乐器中的电子系统的重要系统组件。
由于键运动和弦槌运动并不简单，因此理想的是键传感器和弦槌传感器具有与键轨迹和弦槌轨迹重合的监控范围。日本专利申请公开第2001-175262号中公开了具有宽监控范围的弦槌传感器的典型示例。现有技术弦槌传感器连续监控静止位置和在相关弦上的反弹之间的弦槌柄(hammer shank)。现有技术弦槌传感器向控制器通知弦槌轨迹上的当前弦槌位置，并使得有可能计算弦槌速度和加速度。位置、速度和加速度是不同种类的物理量，并且那些种类的物理量中的任意一种都表示弦槌运动。
控制器还分析所述物理量，以便确定弦槌轨迹上的唯一点、以及另一种物理量。所述日本专利申请公开使我们知道控制器确定以下内容。
1.弦槌开始其运动的时刻，即开始时刻。
2.弦槌与相关的弦碰撞的时刻，即撞击时刻。
3.在撞击相关的弦之前瞬间的弦槌速度，即最终弦槌速度。
4.相关的黑键或白键开始键运动的时刻，即按下时刻。
5.在弦上反弹之后托木(back check)挡住弦槌的时刻，即倒退制止时刻。
6.弦槌离开托木的时刻，即分离时刻。
7.与托木分离之后的弦槌速度，即返回速度。
8.制音器(damper)返回到弦上的时刻，即衰减时刻。
9.弦槌停止在弦槌轨迹终点的时刻，即终止时刻。
10.释放被按下的键的时刻，即释放时刻。
这样，控制器通过分析表示弦槌运动的弦槌数据而获得各种乐曲数据。在该分析中，控制器将当前弦槌位置与阈值相比较，以查看弦槌是否正在通过，并确定该弦槌行进的轨迹。控制器假定相关的键运动，并将键运动分类为某种风格的表演。
尽管在所述日本专利申请公开中公开了若干种变换器，但是将光学位置变换器作为该结构的主要示例进行描述。作为示例，光学位置变换器由光发射元件和光检测元件的组合来实现，并且入射到光检测元件上的光量根据弦槌柄在所述轨迹上的位置而变化。由于控制器在入射到光检测元件上的光量的基础上假设当前弦槌位置，因此光量和弦槌位置之间的关系是稳定的。例如，光不断地从光发射元件输出，并且入射光将以恒定的速率转换为电荷。然而，老化衰退是不可避免的。即使将恒定的电势差施加到光发射元件上，在较长的服务时间周期内，输出光的量也往往减少，使得现有技术光变换器不能在较长的服务时间周期内使入射光-弦槌位置特性保持稳定。在此情形中，控制器不可能正确地确定弦槌运动，这是现有技术变换器固有的问题。
在日本专利申请公开第2000-155579号中提出了对策。在该日本专利申请公开中公开的现有技术位置变换器也被分类为光位置变换器，并且包括光发射元件、光检测元件和数据处理单元。光发射元件与光检测元件相对，并且产生跨过遮光盘(shutter plate)轨迹的光束。老化衰退对现有技术光位置变换器的输出信号也有影响。换句话说，在较长的服务时间周期内，位置-电压特性不可避免地发生变化。
为了消除由于老化衰退而产生的影响，制造商将初始位置-电压特性存储在合并于数据处理单元中的只读存储器内。在交付给用户之后，数据处理单元测量最大电压，并将当前在位置-电压特性上发现的最大电压与初始位置-电压特性上的最大电压相比较，以查看光发射元件和光检测元件是否改变了位置-电压特性。如果发现了差异，则数据处理单元计算当前在位置-电压特性上发现的最大电压与初始位置-电压特性上的最大电压之间的比率，并存储该比率。
当现有技术光位置变换器将遮光盘的当前位置转换为输出信号时，数据处理单元通过将从光检测元件输出的电压电平乘以所述比率来假定遮光盘的当前位置。该乘积表示遮光盘在初始位置-电压特性上的当前位置。
然而，现有技术光位置变换器仍然受到老化衰退的影响。尽管数据处理单元周期性地校准光检测元件，但是所述乘积往往不会正确表示当前的遮光盘位置。这是现有技术光位置变换器中固有的问题。
发明内容
因此，本发明的一个重要目的是提供一种变换器，其将物理量准确地转换为电信号，而不会有任何老化衰退.
本发明的另一重要目的是提供一种乐器，其配有监控其用于产生音调的组成部件的位置变换器。
本发明的另一重要目的是提供一种方法，变换器通过该方法来使它自己免于老化衰退。
本发明人考虑了现有技术光变换器中固有的问题，并注意到模拟位置信号已经被转换为数字位置信号。实际上，首先通过运算放大器将模拟位置信号放大，并随后通过模拟数字转换器将其转换为数字位置信号。差分放大器被合并在运算放大器中，使得偏移电压由于该微分放大器而不可避免。尽管已经针对模拟数字转换器提出了各种电路结构，但是模拟数字转换器的模拟电路将偏移电压引入内部信号，使得数字位置信号包含对应于该偏移电压的噪声分量。
尽管在模拟电路中偏移电压是不可避免的，但是该偏移电压是恒定的，而与模拟位置信号的电势电平无关。本发明人得出结论：从校准之前测量的离散值中消除由于偏移电压导致的噪声分量。
根据本发明的一个方面，提供一种用于将移动物体的物理量转换为代表该物理量的数字信号的变换器，包括：增益控制器，改变代表表示移动物体的运动的物理量的模拟信号的电势范围；转换器，监控所述移动物体，并根据所述物理量而在所述电势范围中摆动电势电平；电路，连接到转换器，将偏移电压引入模拟信号，并在该模拟信号的基础上产生数字信号；校准器，连接到增益控制器和所述电路，并使增益控制器在第一范围和第二范围之间改变所述电势范围，以便在产生于第一范围内的数字信号和产生于第二范围内的数字信号的基础上确定对应于所述偏移电压的偏移值，并将该偏移值加到所述数字信号上，以便输出校准后的数字信号。
根据本发明的另一方面，提供一种乐器，包括：多个链接构件，分别包括特定链接件，并被有选择地移动以指定要产生的音调的音高；增益控制器，改变代表表示所述特定链接件的运动的物理量的模拟信号的电势范围；多个转换器，分别监控所述特定链接件，使模拟信号根据所述物理量而在所述电势范围中摆动电势电平；电路，分别连接到所述多个转换器，分别将偏移电压引入模拟信号，并分别在模拟信号的基础上产生代表所述物理量的数字信号；以及校准器，连接到增益控制器和所述电路，使增益控制器在第一范围和第二范围之间改变所述电势范围，以便在产生于第一范围内的数字信号和产生于第二范围内的数字信号的基础上确定对应于偏移电压的偏移值，并将该偏移值加到所述数字信号上，以便输出校准后的数字信号。
根据本发明的另一方面，提供一种用于确定对应于在模拟信号中引入的偏移电压的偏移值的方法，包括以下步骤：a)在物理量-信号转换器中设置第一电势范围；b)在一轨迹上移动物体，使得该物理量-信号转换器根据表示所述物体的运动的物理量而产生在第一电势范围内变化的模拟信号；c)将在第一电势范围内变化的模拟信号转换为数字信号；d)取出所述物体的轨迹上的预定点处的离散值；e)在物理量-信号转换器中设置第二电势范围；f)在所述轨迹上移动所述物体，使得物理量-信号转换器根据所述物理量而产生在第二电势范围内变化的模拟信号；g)取出所述预定点处的其它离散值；以及h)在所述离散值和所述其它离散值的基础上计算偏移值。
本发明的另一重要目的是提供一种乐器，其配有监控其用于产生音调的组成部件的位置变换器。
本发明的另一重要目的是提供一种方法，变换器通过该方法来使它自己免于老化衰退。
本发明人考虑了现有技术光变换器中固有的问题，并注意到模拟位置信号已经被转换为数字位置信号。实际上，首先通过运算放大器将模拟位置信号放大，并随后通过模拟数字转换器将其转换为数字位置信号。差分放大器被合并在运算放大器中，使得偏移电压由于该微分放大器而不可避免。尽管已经针对模拟数字转换器提出了各种电路结构，但是模拟数字转换器的模拟电路将偏移电压引入内部信号，使得数字位置信号包含对应于该偏移电压的噪声分量。
尽管在模拟电路中偏移电压是不可避免的，但是该偏移电压是恒定的，而与模拟位置信号的电势电平无关。本发明人得出结论：从校准之前测量的离散值中消除由于偏移电压导致的噪声分量。
根据本发明的一个方面，提供一种用于将移动物体的物理量转换为代表该物理量的数字信号的变换器，包括：增益控制器，改变代表表示移动物体的运动的物理量的模拟信号的电势范围；转换器，监控所述移动物体，并根据所述物理量而在所述电势范围中摆动电势电平；电路，连接到转换器，将偏移电压引入模拟信号，并在该模拟信号的基础上产生数字信号；校准器，连接到增益控制器和所述电路，并使增益控制器在第一范围和第二范围之间改变所述电势范围，以便在产生于第一范围内的数字信号和产生于第二范围内的数字信号的基础上确定对应于所述偏移电压的偏移值，并将该偏移值加到所述数字信号上，以便输出校准后的数字信号。
根据本发明的另一方面，提供一种乐器，包括：多个链接构件，分别包括特定链接件，并被有选择地移动以指定要产生的音调的音高；增益控制器，改变代表表示所述特定链接件的运动的物理量的模拟信号的电势范围；多个转换器，分别监控所述特定链接件，使模拟信号根据所述物理量而在所述电势范围中摆动电势电平；电路，分别连接到所述多个转换器，分别将偏移电压引入模拟信号，并分别在模拟信号的基础上产生代表所述物理量的数字信号；以及校准器，连接到增益控制器和所述电路，使增益控制器在第一范围和第二范围之间改变所述电势范围，以便在产生于第一范围内的数字信号和产生于第二范围内的数字信号的基础上确定对应于偏移电压的偏移值，并将该偏移值加到所述数字信号上，以便输出校准后的数字信号。
根据本发明的另一方面，提供一种用于确定对应于在模拟信号中引入的偏移电压的偏移值的方法，包括以下步骤：a)在物理量-信号转换器中设置第一电势范围；b)在一轨迹上移动物体，使得该物理量-信号转换器根据表示所述物体的运动的物理量而产生在第一电势范围内变化的模拟信号；c)将在第一电势范围内变化的模拟信号转换为数字信号；d)取出所述物体的轨迹上的预定点处的离散值；e)在物理量-信号转换器中设置第二电势范围；f)在所述轨迹上移动所述物体，使得物理量-信号转换器根据所述物理量而产生在第二电势范围内变化的模拟信号；g)取出所述预定点处的其它离散值；以及h)在所述离散值和所述其它离散值的基础上计算偏移值。
附图说明
根据结合附图的以下描述，将更清楚地理解所述变换器、乐器和方法的特征及优点。
图1是示出根据本发明的自动演奏器钢琴的结构的侧视图，
图2是示出合并在自动演奏器钢琴中的数据处理单元的系统配置的方框图，
图3是示出理想位置-电压特性和实际位置-电压特性的曲线图，
图4是示出在理想位置-电压特性和实际位置-电压特性上发现的静止位置和终点位置处的离散值的视图，
图5是示出被执行以确定偏移值的工作序列的流程图，
图6是示出在系统初始化时执行的工作序列的流程图，
图7是示出被执行以分析弦槌运动的工作序列的流程图，
图8A是示出积存校准后的离散值和取出这些离散值的时刻的对的表的视图，
图8B是示出按照预定的校准后的离散值对而存储速度和加速度的表的视图，
图9是示出用于判断与弦槌的撞击的工作序列的流程图，
图10是示出用于校正的工作序列的流程图，
图11是示出根据本发明的、合并在另一自动演奏器钢琴中的数据处理单元、光耦合器和放大器的电路图。
图1是示出根据本发明的自动演奏器钢琴的结构的侧视图，
图2是示出合并在自动演奏器钢琴中的数据处理单元的系统配置的方框图，
图3是示出理想位置-电压特性和实际位置-电压特性的曲线图，
图4是示出在理想位置-电压特性和实际位置-电压特性上发现的静止位置和终点位置处的离散值的视图，
图5是示出被执行以确定偏移值的工作序列的流程图，
图6是示出在系统初始化时执行的工作序列的流程图，
图7是示出被执行以分析弦槌运动的工作序列的流程图，
图8A是示出积存校准后的离散值和取出这些离散值的时刻的对的表的视图，
图8B是示出按照预定的校准后的离散值对而存储速度和加速度的表的视图，
图9是示出用于判断与弦槌的撞击的工作序列的流程图，
图10是示出用于校正的工作序列的流程图，
图11是示出根据本发明的、合并在另一自动演奏器钢琴中的数据处理单元、光耦合器和放大器的电路图。
具体实施方式
实施本发明的乐器主要包括原声钢琴和电气系统。原声钢琴包括黑键和白键、动作单元、弦槌、制音器和弦。黑键和白键、动作单元和弦槌组合形成多个链接构件，并且这些链接构件被人类演奏者或电气系统充当的自动演奏器有选择地驱动。当驱动一个链接构件时，将力从黑/白键通过动作单元传送给充当“特定链接件”的弦槌，使得弦槌向弦移动。在运动的终点使弦槌与弦撞击，并引起弦的振动。这样，通过振动的弦产生音调。这样，所述多个链接构件被有选择地驱动，以指定要产生的音调。
电气系统充当自动演奏器或记录器，并且包括增益控制器、多个转换器、电路、校准器和数据处理单元。增益控制器连接到所述多个转换器，并响应校准器向其给出的指令，以便改变从所述多个转换器输出的模拟信号的电势范围。该模拟信号代表表示所述特定链接件的运动的物理量。所述多个转换器分别监控所述特定链接件，并产生代表所述特定链接件的物理量或运动的模拟信号。换句话说，该模拟信号代表所述特定链接件的运动数据。由于增益控制器对电势范围设置了限制，因此所述多个转换器根据所述物理量使模拟信号在该电势范围内摆动电势电平。
所述多个转换器通过电路连接到校准器以及数据处理单元。该电路从模拟信号产生数字信号，使得将运动数据从模拟信号转换为数字信号。然而，偏移电压被不可避免地引入模拟信号中。这使得噪声分量由于该偏移电压而被混合在数字信号中。
当电连接改变到校准器时，校准器使增益控制器在第一范围和第二范围之间改变所述电势范围.所述多个转换器监控所述特定链接件，并产生在第一范围内摆动的模拟信号.校准器取出运动数据，并将它们存储在其中.所述多个转换器还产生在第二范围内摆动的模拟信号，并且校准器取出运动数据，以便将它们存储在其中.校准器分析在第一范围内产生的运动数据和在第二范围内产生的运动数据，并通过该分析确定对应于偏移电压的偏移值.
当在原声钢琴上演奏一首乐曲时，数据处理单元接收运动数据，并考虑到偏移值而确定特定链接件的运动。数据处理单元分析特定链接件的运动，以便产生代表要产生的音调的乐曲数据。这样，数据处理单元在分析之前考虑偏移值。这使得乐曲数据准确地表示特定链接件的运动和要产生的音调。
如将从以上描述认识到的那样，校准器从运动数据中消除了由于偏移值导致的令人讨厌的影响，并允许数据处理单元准确地产生乐曲数据。
在以下描述中，术语“前面”表示比用术语“后面”修饰的位置更靠近演奏者的位置，该演奏者正坐在凳子上以演奏一首乐曲。在前面位置和对应的后面位置之间画的线沿“纵向”延伸，并且在平行于水平面的平面上，横向与纵向以直角相交。
第一实施例
参照附图的图1，实施本发明的自动演奏器钢琴主要包括原声钢琴100和电气系统，该电气系统充当自动演奏系统300、记录系统500和电子音调生成系统700。自动演奏系统300、记录系统500和电子音调生成系统700安装在原声钢琴100中，并根据用户指令而被有选择地激活。当演奏者在原声钢琴100上用手指弹奏一首乐曲而没有任何记录、重放和通过电子音调进行演奏的指令时，原声钢琴100表现得与标准原声钢琴相似，并以通过手指弹奏指定的音高产生钢琴音调。
当演奏者希望记录他或她在原声钢琴100上的演奏时，演奏者向电气系统发出记录指令，并且记录系统500准备好记录该演奏。换句话说，记录系统500被激活。当演奏者在原声钢琴100上用手指弹奏乐曲的节(passage)时，记录系统500产生代表原声钢琴100上的演奏的乐曲数据代码，并且这组乐曲数据代码被存储在形成电气系统一部分或远离自动演奏器钢琴的合适的存储器中。这样，演奏被存储为这组乐曲数据代码。
假设用户希望再现该演奏。用户命令电气系统再现原声音调。然后，自动演奏系统300准备好重放。自动演奏系统300在原声钢琴100上弹奏这首乐曲，并在没有人类演奏者的任何手指弹奏的情况下重演该演奏。
用户可能希望顺着乐曲的节听到电子音调。该用户命令电子音调生成系统700处理这组乐曲数据代码。然后，电子音调生成系统700开始顺次处理该乐曲数据代码，以便顺着乐曲的节产生电子音调。
在下文中详细描述原声钢琴100、自动演奏系统300、记录系统500和电子音调生成系统700。
原声钢琴
在此实例中，原声钢琴100是大钢琴。原声钢琴100包括键盘1、弦槌2、动作单元3、弦4和制音器6。中盘(key bed)102形成钢琴箱体(cabinet)的一部分，并且键盘1安装在中盘102上.键盘1与动作单元3和制音器6链接，并且钢琴家通过键盘1有选择地驱动动作单元3和制音器6.通过键盘1而被有选择地驱动的制音器6与相关的弦4隔开，使得弦4准备好振动.另一方面，通过键盘1而被有选择地驱动的动作单元3引起相关弦槌2的自由旋转，并且该弦槌2在自由旋转的终点撞击相关的弦4.然后，弦4振动，并且通过弦4的振动产生原声音调.当弦槌2与弦4碰撞时，弦槌2在弦4上反弹，并从弦4下落.
键盘1包括多个黑键1a、多个白键1b和键架中板(balance rail)104。黑键1a和白键1b以众所周知的模式放置，并通过平衡键销(balance key pin)106而被可移动地支撑在键架中板104上。
支架(Action bracket)108沿横向彼此隔开。柄状凸缘轨道(shank flangerail)110在支架108上方沿横向延伸，并被固定在其上。弦槌2包括各自的弦槌柄2a，并且弦槌柄2a通过销2b可旋转地连接到柄状凸缘轨道110。弦槌2还包括被分别固定到弦槌柄2a前端的各自的弦槌头2c。尽管托木7从黑键和白键1a/1b的后端部向上伸出，但是托木7形成动作单元3的一部分，并使弦槌头2c在弦4上反弹之后轻轻地降落在其上。换句话说，托木7防止弦槌2在弦槌柄停止毡112上颤动。
当在黑/白键1a/1b上没有施加任何力时，弦槌2和动作单元3将由于自重而导致的力施加到黑/白键1a/1b的后部，并且黑/白键1a/1b的前部与键架前板(front rail)114隔开，如实线画出的那样。实线所指示的键位置是“静止位置”，并且在静止位置处，键行程为0。
当钢琴家按下黑/白键1a/1b的前部时，前部逆着动作单元/弦槌3/2的自重而下降。前部最终到达点划线所指示的“终点位置”。终点位置沿着键轨迹与静止位置隔开预定距离。
当钢琴家按下黑键和白键1a/1b的前部时，黑键和白键1a/1b的后部升高，并引起相关动作单元2的旋转。顶杆(jack)116与调节按钮118相接触，并脱离弦槌2a。该脱离引起弦槌2的自由旋转，使得弦槌头2c向弦4前进。被按下的1a/1b还使制音器6与弦4隔开，使得弦4准备好振动，如上文所述。弦槌2在自由旋转的终点与弦4碰撞以产生原声音调。弦槌3在弦4上反弹，并被托木7挡住。
当钢琴家释放被按下的黑键和白键1a/1b时，动作单元/弦槌3/2的自重引起黑键和白键1a/1b的旋转，并且动作单元/弦槌3/2返回各自的静止位置。制音器6在前往静止位置的途中与相关的弦4相接触，使得原声音调被衰减。在此实例中，弦槌2在静止位置和自由旋转的终点之间的弦槌轨迹上行进，并且自由旋转的终点与静止位置隔开48毫米。
电子系统
在下文中，同时参考图1和2对充当自动演奏系统300、记录系统500和电子音调生成系统700的电子系统进行描述。
自动演奏系统300包括电磁控制(solenoid-operated)的键致动器5的阵列、操纵板(未示出)、数据存储单元23(参见图2)和数据处理单元27。记录系统500包括弦槌传感器26、操纵板(未示出)、数据存储单元23和数据处理单元27，而电子音调生成系统700包括数据存储单元23、数据处理单元27、电子音调生成器13a和声音系统13b。因此，在自动演奏系统300、记录系统500和电子音调生成系统700之间共享数据处理单元27和操纵板(未示出)。
利用黑键和白键1a/1b后部下方的槽来形成中盘102，并且中盘102以穿过槽伸出这样的方式支撑电磁控制的键致动器5的阵列.电磁控制的键致动器5以交错的方式横向排列，并分别与黑键和白键1a/1b相关.螺线管5a、活塞5b、复位弹簧(未示出)和内置的活塞传感器5c与轭一起被装配为每个电磁控制的键致动器5，其中所述轭被与其它电磁控制的键致动器5共享.当螺线管5a在没有任何电流的情况下闲置时，活塞5b的顶端位于相关的黑键或白键1a/1b后部的下表面附近.当活塞5a被驱动信号Ui激励时，产生磁场，并且力被施加到活塞5b上.然后，活塞5b从螺线管5a向上伸出，并向上推动黑键或白键1a/1b的后部.活塞传感器5c监控活塞5b，并产生代表当前活塞位置的活塞位置信号Vy.螺线管5a、内置的活塞传感器5c和伺服控制器12组合形成伺服控制环302，并且，通过伺服控制环302控制活塞运动，并因此控制键运动.
弦槌传感器26分别与弦槌2相关联，并被分类为光位置变换器。弦槌传感器26具有与弦槌轨迹重合的监控范围，以便将当前物理量例如当前弦槌位置转换为弦槌位置信号Vh。
弦槌传感器26的每一个包括光辐射传感器头、光接收传感器头、光发射元件、光检测元件以及连接在光发射元件/光检测元件和光辐射传感器头/光接收传感器头之间的光纤。光辐射传感器头形成光辐射传感器头组，并且光接收传感器头也形成光接收传感器头组。光辐射传感器头组分别与光发射元件相关联，而光接收传感器头组分别与光检测元件相关联。详细地说，每个光辐射传感器头组通过光纤束耦接到光发射元件之一，并且光接收传感器头通过光纤分别耦接到光检测元件，其中从光接收传感器头组之一中选择每个光接收传感器头，还从光纤束中选择每条光纤。
将时间帧划分为多个时隙，并将所述多个时隙分别分配给光发射元件。使时间帧重复，使得每个时隙以固定间隔出现。因此，顺次在分配给光发射元件的时隙中激励该光发射元件，并将光从刚刚被激励的光发射元件提供给相关联的光纤束。
将光通过光纤束从每个光发射元件同时提供给相关联组的光辐射传感器头，并将其从光辐射传感器头跨过相关联弦槌2的弦槌轨迹而辐射到光接收传感器头。同时从光辐射传感器头输出的光入射到光接收传感器头上，并通过光纤而被传递给光检测元件，其中从光接收传感器头组之一中选择每个光接收传感器头，从所述束中选择每条光纤。光检测元件将入射光转换为光电流，其中所述光电流的量与入射光的量成比例。
在此实例中，为88个黑键和白键1a/1b提供12个光发射元件和8个光检测元件。作为示例，在日本专利申请公开第Hei 9-54584中公开了用于弦槌传感器26的控制序列。
入射光的量随着相关联弦槌2的弦槌轨迹上的当前弦槌位置而变化。出于此原因，光电流量也随着当前弦槌位置而变化，并且光电流作为弦槌位置信号Vh从每个光检测元件流出。
从每个光发射元件发射的光量随着施加到其上的电势差一起变化，并且每个光发射元件连接到电压转换器VR(参见图2)。数据处理单元27将控制信号提供给每个电压转换器VR，使得电势差，以及因此，光量根据控制信号的二进制数而改变。
在此实例中，电压控制器VR包括恒流源和可变电阻器。恒流源连接到电源线路，并将电流通过可变电阻器提供给光发射元件。可变电阻器响应于控制信号，以便改变对恒定电流的电阻。结果，施加到光发射元件的电势差与电阻成反比地变化。可变电阻器可以利用电阻器串和选择器的组合来实现。这样，数据处理单元27可以通过使用控制信号来将光量调整到任意值，并因此将弦槌传感器的增益调整到任意值。
数据处理单元27包括被简写为“CPU”的中央处理单元20、被简写为“ROM”的只读存储器21、被简写为“RAM”的随机存取存储器22、总线系统20B、被简写为“I/O”的接口24和脉冲宽度调制器25.这些系统组件20、21、22、24和25连接到总线系统20B，并且数据存储单元23也连接到总线系统20B.将地址代码、指令代码、控制数据代码和乐曲数据代码有选择地从特定系统组件通过总线系统20B传送给其它系统组件.尽管未在图2中示出，但是时钟生成器和分频器也被合并在数据处理单元27中，并且系统时钟信号和节拍(tempo)时钟信号使系统组件彼此同步，并且产生各种计时器中断.
中央处理单元20是数据处理能力的来源。代表主例程(main routineprogram)和子例程(subroutine program)的指令代码以及数据/参数表被存储在只读存储器21中，并且计算机程序在中央处理单元20上运行，以便完成有选择地分配给预数据处理器10、运动控制器11、伺服控制器12、运动分析器28和后数据处理器30的工作。随机存取存储器22提供临时数据存储，并充当工作存储器。在下文中，用相同的附图标记“22”来标注工作存储器。
数据存储单元23向自动演奏系统300、记录系统500和电子音调生成系统700提供大量数据保存容量。乐曲数据代码被存储在数据存储单元23中以供重放。在此实例中，利用硬盘驱动器来实现数据存储单元23。柔性盘(flexibledisk)驱动器或软盘(商标)驱动器、诸如例如CD-ROM驱动器的光盘驱动器、磁光盘驱动器、ZIP盘驱动器、DVD(数字多用途盘)驱动器和半导体存储板均可用于系统300/500/700。
弦槌传感器26和操纵板(未示出)连接到接口24，并且脉冲宽度调制器25将驱动信号Ui传递给电磁控制的键致动器5。接口24包含多个运算放大器24a和多个模拟数字转换器24b。尽管采样保持电路分别连接到所述多个模拟数字转换器24b，但是为简单起见，在图中没有示出该采样保持电路。光检测元件有选择地连接到运算放大器24a，并且通过运算放大器24a放大弦槌位置信号Vh。运算放大器24a分别通过采样保持电路(未示出)连接到模拟数字转换器24b，使得将关于模拟弦槌位置信号的离散值周期性地转换为形成数字弦槌位置信号的二进制代码。系统时钟信号周期性地引起对中央处理单元20的计时器中断，使得中央处理单元20周期性地从接口24取出代表当前弦槌位置的弦槌数据。将该弦槌数据通过总线系统20B传递给随机存取存储器22，并将其临时存储在其中。在此实例中，数字弦槌位置信号的二进制值落在从0到1023的范围内。
脉冲宽度调制器25响应于代表目标平均电流量或占空比的目标值的控制信号，以便将驱动信号Ui调整到该目标平均电流或目标占空比。驱动信号Ui被有选择地分配给电磁控制的键致动器5。在驱动信号Ui存在时，产生磁场，使得有可能利用控制信号控制施加到活塞5b上的力，并因此控制施加到黑/白键1a/1b上的力。
数据处理单元27还可包括通信接口，其中，通过公共通信网络将乐曲数据代码从远程数据源提供给该通信接口。然而，这些系统组件仅仅间接涉及本发明的主旨，并且为简单起见，不加入进一步的描述。
形成自动演奏系统300的一部分的数据处理单元27的功能分解为预数据处理器10、运动控制器11和伺服控制器12。换句话说，利用在中央处理单元20上运行的子例程来实现预数据处理器10、运动控制器11和伺服控制器12。
将代表要重演的演奏的一组乐曲数据代码加载到预数据处理器10中.作为示例，将这组乐曲数据存储在数据存储单元23中.或者，将这组乐曲数据代码从外部数据源通过公共通信网络和通信接口(未示出)提供给工作存储器22.
预数据处理器10顺次分析乐曲数据代码，并确定要再现的钢琴音调以及再现和衰减该钢琴音调的定时。要产生的钢琴音调由键编号Kni表示，其中，i的范围是从1到88。预数据处理器10确定黑/白键1a/1b的基准键轨迹，并且还确定关于基准键速度的一系列目标键速度(t，Vr)的值。目标键速度Vr随着时间t变化，并且目标键速度Vr与诸如例如目标键位置的另一物理量一起表示时刻t的目标键运动。在期望电磁控制的键致动器5引起匀速运动的情况中，目标键速度Vr是恒定的。伺服控制环302使活塞5b、并因此使黑/白键1a/1b追上目标活塞速度和目标键速度Vr。
在基准键轨迹上存在唯一点，并且该唯一点被称为“基准点”。如果黑/白键1a/1b以目标键速度Vr经过基准点，则该黑/自键1a/1b引起弦槌运动，该弦槌运动导致以最终琴锤速度的目标值撞击弦4。由于最终弦槌速度与原声钢琴音调的响度成比例，因此以目标键速度Vr经过基准键点的黑/白键1a/1b使弦4以由乐曲数据代码表示的目标响度产生原声音调。
预数据处理器10将代表目标键速度(t，Vr)的控制数据信号提供给运动控制器11。运动控制器11在内部时钟中检查时间流逝(lapse)。当时刻t到来时，运动控制器11将代表目标键速度Vr的当前值的控制数据信号提供给伺服控制器12。这样，运动控制器11周期性地向伺服控制器12通知一系列目标键速度Vr的值。
内置的活塞传感器5c将代表当前键位置的活塞位置信号Vy提供给伺服控制器12。伺服控制器12在预定数目的当前键位置值的基础上确定当前键速度。当前键速度和当前键位置表示当前键运动。伺服控制器12将当前键运动与目标键运动相比较，以查看黑/白键1a/1b是否无误地在基准键轨迹上行进。如果出现差异，则伺服控制器12改变驱动信号Ui的平均电流或占空比，并将驱动信号Ui提供给螺线管5a。然而，当伺服控制器12在当前键运动和目标键运动之间没有发现任何差异时，伺服控制器12将平均电流或占空比保持为先前的值。这样，伺服控制环302强迫黑键和白键1a/1b以目标键速度经过基准点。这导致了目标响度的音调。
形成记录系统500的一部分的数据处理单元27的功能分解为运动分析器28和后数据处理器30。运动分析器28和后数据处理器30也是利用在中央处理单元20上运行的另一子例程实现的。
弦槌传感器26将代表相关联弦槌2的当前弦槌位置的模拟弦槌位置信号Vh提供给运动分析器28，并且运动分析器28周期性地取出由数字弦槌位置信号代表的离散值AD。运动分析器28确定在MIDI(乐器数字接口)协议中定义的格式的乐曲数据代码所需的、诸如最终弦槌速度的弦槌数据和碰撞时间等的弦槌数据。
后数据处理器30假定诸如键编号Kni的键数据，并在弦槌数据的基础上确定乐曲数据，将该乐曲数据正规化，并产生在MIDI协议中定义的乐曲数据代码.将持续时间数据代码插入一系列事件数据代码中，其中，每个持续时间数据代码表示连续事件之间的时间流逝.用于产生钢琴音调的向下键运动称为“音符开(note-on)事件”，并且音符开事件由音符开乐曲数据代码表示.另一方面，用于衰减钢琴音调的向上键运动称为“音符关(note-off)事件”，并且音符关事件由音符关乐曲数据代码表示.将表示原声钢琴100上的演奏的一组乐曲数据代码提供给数据存储单元23，并将其存储在其中.或者，以实时的方式将乐曲数据代码从通信接口(未示出)通过公共网络提供给外部数据存储器或另一乐器.
如将在下文中描述的那样，运动分析器28和后数据处理器30在数字弦槌位置信号的离散值AD的基础上确定偏移值。
电子音调生成系统700包括预数据处理器10、电子音调生成器13a和声音系统13b。预数据处理器10测量时间的流逝。当要产生或衰减音调的时刻到来时，预数据处理器10将音符开数据代码或音符关数据代码提供给电子音调生成器13a。从形成电子音调生成器13a的一部分的波形存储器中读出波形数据，并且该波形数据形成代表要产生的电子音调的数字音频信号。将该数字音频信号从电子音调生成器13a提供给声音系统13b。在声音系统13b中，将数字音频信号转换为模拟音频信号，并对该模拟音频信号进行均衡和放大。随后，通过扬声器和/或耳机将该模拟音频信号转换为电子音调。
简要描述自动演奏器钢琴的行为。现在假设钢琴家通过操纵板(未示出)命令记录系统500记录他或她的演奏，记录系统500准备好记录原声钢琴100上的演奏。当钢琴家在键盘1上用手指演奏时，弦槌传感器26通过模拟弦槌位置信号Vh连续地向接口24报告相关联弦槌2的当前弦槌位置。对模拟弦槌位置信号Vh进行放大和采样，以进行模拟数字转换。数字弦槌位置信号的离散值AD在0和1023之间变化，并被传递给运动分析器28。一系列离散值AD被积存在用于黑键和白键1a/1b的每一个的工作存储器22中，并表示相关联弦槌2的轨线(locus)。运动分析器28分析这一系列离散值AD或相关联弦槌2的轨线，以便提取弦槌数据。将这些弦槌数据提供给后数据处理器30，并且后数据处理器30确定产生乐曲数据代码将需要的乐曲数据。这样，运动分析器28与后数据处理器30协作，并将乐曲数据代码积存在工作存储器22中。当完成演奏时，后数据处理器30将表示该演奏的这组乐曲数据代码存储在诸如例如标准MIDI文件的合适的数据文件中，并将该数据文件通过公共通信网络传递到数据存储单元23或外部目的地。
假设用户通过操纵板(未示出)请求自动演奏系统300重演该演奏。这组乐曲数据代码被加载到工作存储器22中，并且自动演奏系统300为该演奏做好准备。
预数据处理器10开始测量时间的流逝，并将该时间流逝与在持续时间数据代码中表示的时间周期相比较。当预数据处理器10判定按下时刻到来时，预数据处理器10确定要按下的黑/白键1a/1b的基准轨迹、以及一系列目标键速度(t，Vr)的值。将这一系列目标键速度(t，Vr)的值传递给运动控制器11，并且周期性地将每个目标键速度Vr的值从运动控制器11提供给伺服控制器12。伺服控制器12在活塞位置信号Vy的基础上确定当前键运动，并在当前键运动和目标键运动之间差值的基础上决定平均电流或占空比。将驱动信号Ui调整到平均电流的目标值或占空比的目标值，并将其从伺服控制器12提供给与要按下的黑/白键1a/1b相关联的电磁控制的键致动器5的螺线管5a。这样，周期性地将平均电流或占空比调节到目标值，以便强迫活塞5b和相关联的黑/白键1a/1b在基准键轨迹上行进。黑/白键1a/1b驱动相关联的键动作单元3，并使顶杆116脱离相关联的弦槌2。该弦槌2在脱离处开始自由旋转，并在自由旋转的终点与相关联的弦4碰撞。弦槌2在弦4上反弹，并下落到弦槌柄停止毡112上。托木7将弦槌2托住，并使弦槌2轻轻地降落在弦槌柄停止毡112上。
当预数据处理器10发现黑/白键1a/1b的音符关事件代码时，预数据处理器10确定朝向静止位置的键轨迹，即基准反向键轨迹和一系列目标释放键速度值.预数据处理器10向运动控制器11通知目标释放键速度.运动控制器11周期性地向伺服控制器12通知目标键速度值，并请求伺服控制器12强迫黑/白键1a/1b在基准反向键轨迹上行进.当活塞5b收缩进螺线管5a中时，伺服控制器12将当前键运动和目标键运动相比较，以查看黑/白键1a/1b是否无误地在基准反向键轨迹上行进，并且动作单元3和弦槌2返回静止位置.在衰减时刻，制音器6与振动的弦4相接触，并且原声钢琴音调被衰减.
当自动演奏系统300重演演奏时，对于在原始演奏中被按下和释放的黑键和白键1a/1b，重复上述控制序列，并且顺着乐曲的节产生原声钢琴音调。
假设用户顺着乐曲的节产生电子音调。这组乐曲数据代码也被加载到工作存储器22中，并且预数据处理器10开始测量时间的流逝。预数据处理器10周期性地检查内部时钟，以查看产生电子音调的时刻是否到来。当答案为否定时，预数据处理器10重复该检查。对于肯定答案，预数据处理器10将音符开事件代码传递给电子音调生成器13a，并使声音系统13b发出电子音调。预数据处理器10重复上述工作，直到乐曲节的末尾为止，使得顺着乐曲的节顺次产生电子音调。
用于确定偏移电压的方法
按照下面所述来确定噪声分量。图3示出了实验结果。对于该实验，本发明人准备了包括光发射元件和光检测元件的光变换器26、运算放大器24a和模拟数字转换器24b。电压转换器VR连接在电源线路和光发射元件之间。
光跨过弦槌2的轨迹而延伸，并入射到光检测元件上。入射光被转换为光电流，并且将该光电流作为模拟弦槌位置信号Vh从光检测元件的输出节点输出到运算放大器24a。通过运算放大器24a将模拟弦槌位置信号放大，并随后将其提供给模拟数字转换器24b。在此实例中，模拟数字转换器24b是具有运算放大器的类型，使得还由于偏移电压而将噪声分量引入运算放大器24a的输出信号中。对模拟弦槌位置信号进行采样，并且，通过模拟数字转换器24b将关于模拟弦槌位置信号的电压的离散值转换为二进制数AD。
本发明人首先命令数据处理单元27将控制信号调整为大的值，使得光发射元件发射强光。当弦槌2逐渐与这束光交叉时，入射光的量减少，并且因此，所述二进制数改变。本发明人测量了光检测元件的输出节点处的电压，并命令数据处理单元27在模拟数字转换器24b的输出节点处取出离散值AD，并根据弦槌2的当前位置绘制电压电平，如图3所示。
本发明人命令数据处理单元27减小控制信号的二进制数，使得光发射元件发射弱光。当弦槌2逐渐与这束光交叉时，本发明人还命令数据处理单元27在模拟数字转换器24a的输出节点处取出离散值AD，并且也在图3中绘制电压电平。
在图3中，横坐标和纵坐标轴表示所测量的电压和弦槌位置，并且“R”和“E”分别代表静止位置和终点位置。曲线A表示在强光存在时光检测元件的输出节点处的电势电平，而曲线B表示也是在强光存在时模拟数字转换器24b的输出节点处的离散值AD。曲线C表示在弱光存在时模拟数字转换器24b的输出节点处的离散值AD。
比较曲线A和曲线B，本发明人确认运算放大器24a和模拟数字转换器24b引入了偏移电压x，并且由于偏移电压x导致的电势差是恒定的，而与弦槌位置无关.另一方面，曲线B和曲线C之间的电势差随着从静止位置R到终点位置E的弦槌位置而减小，并被认为是归因于所发射的光量的减少.例如，在静止和终点位置处，由于偏移电压x导致的电势差等于40的二进制数，如图4所示.然而，由于所发射的光的减少导致的电势差，即曲线B和曲线C之间的差在静止位置R处等于700的二进制值，而在终点位置E处等于350的二进制值.这样，由于老化衰退导致的电势差沿着弦槌2的轨迹而减小.
根据实验结果，可以理解，在日本专利申请公开第2000-155579号中公开的现有技术方法可用于从离散值AD中消除由于偏移电压x导致的噪声分量之后的校准。
偏移值x表示为
x＝(r2×e1-r1×e2)/(r1-r2+e2-e1) 方程1
其中，r1是曲线B上静止位置R处的测量值，e1是曲线B上终点位置E处的测量值，r2是曲线C上静止位置R处的测量值，而e2是曲线C上终点位置E处的测量值。
将图4示出的表中的测量值代入r2、e2、r1和e1。然后，该计算导致40的偏移值x。
制造商进行实验，并在组装工作中确定自动演奏器钢琴的每个产品的偏移值x。在交付给用户之前，将偏移值x存储在由电可擦除和可编程只读存储器实现的只读存储器21中，并在记录时将其从只读存储器21读出。
图5示出了合并在用于确定偏移值x的子例程中的工作序列。在此实例中，计算机程序安装在电子系统中，并在完成组装工作时开始在中央处理单元20上运行。当然，当操作员在用户家里修理自动演奏器钢琴时，他或她可以重新计算偏移值x。在以下描述中，在弦槌2停留在静止位置，即弦槌2未被移动的条件下，从模拟数字转换器24b中取出静止位置处的离散值AD。另一方面，在弦槌2撞击弦4时，从模拟数字转换器24b中取出终点位置处的离散值AD。
假设电气系统被初始化。当操作员通过操纵板(未示出)命令中央处理单元20计算偏移值x时，中央处理单元20确认操作员的指令，如步骤S1，并且主例程分支到子例程。
当进入子例程时，中央处理单元20将键编号Kni设置为0，如步骤S2，并且随后，中央处理单元20将键编号Kni增大1，如步骤S3。键编号“1”指示键盘1中最左边的白键1b。
随后，中央处理单元20将指示“强光”的控制信号从接口(未示出)提供给电压转换器VR，并且电压转换器VR开始将大量电流提供给光发射元件，该光发射元件将强光提供给最左边的白键1b的光辐射头。强光从该光辐射传感器头辐射到光接收传感器头，并且入射光被转换为光电流或模拟弦槌位置信号Vh。通过运算放大器24a将模拟弦槌位置信号Vh放大，并将其转换为二进制值或离散值AD。中央处理单元20从模拟数字转换器24b的输出节点取出离散值AD，并将该离散值AD存储在工作存储器22中，如步骤S4。离散值AD对应于曲线B上的“r1”。
随后，中央处理单元20在测试数据的基础上确定基准键轨迹，并使运动控制器11通过伺服控制器12控制最左边的白键1b，如步骤S5。基准轨迹表示普通的键运动，使得最左边的白键1b以适中的速度在朝向终点位置E的基准轨迹上行进。
当最左边的白键1b到达终点位置E时，中央处理单元20从模拟数字转换器24b的输出节点取出离散值e1，并将对应于离散值e1的离散值AD存储在工作存储器22中，如步骤S6.当离散值AD减到最小时，中央处理单元20确认到达终点位置E.或者，当活塞位置信号Vy具有恒定值时，中央处理单元20确认到达终点位置E.当完成强光存在时的测量时，中央处理单元20将基准反向轨迹提供给运动控制器11，使得最左边的白键1b返回静止位置R.
随后，中央处理单元20将代表“弱光”的控制信号提供给电压转换器VR，使得光发射元件将弱光提供给光辐射传感器头。这束光入射到光接收传感器头，并且通过光检测元件将该入射光转换为模拟弦槌位置信号。通过运算放大器24a放大该模拟弦槌位置信号，并随后通过模拟数字转换器24b将其转换为离散值r2。
中央处理单元20从模拟数字转换器24b的输出节点取出对应于离散值r2的离散值AD，并将离散值r2存储在工作存储器22中，如步骤S7。
当存储了离散值r2时，中央处理单元20将基准键轨迹提供给运动控制器11，并使伺服控制器12强迫最左边的白键1b在基准键轨迹上行进，如步骤S8。
当最左边的白键1b到达终点位置E时，中央处理单元20从模拟数字转换器24b的输出节点取出离散值e2，并将离散值e2存储在工作存储器22中，如步骤S9。中央处理单元20将基准反向键轨迹提供给运动控制器11，并使最左边的白键1b返回静止位置R。
随后，中央处理单元20从工作存储器22中读出离散值r1、e1、r2和e2，并通过使用方程式1来计算由于偏移值x而导致的噪声分量，如步骤S10。中央处理单元20将偏移值x存储在电可擦除和可编程存储器21中，如步骤S11。
当完成步骤S10处的工作时，中央处理单元20将键编号Kni与最大键编号“88”相比较，以查看是否为所有黑键和白键1a/1b确定了偏移值x，如步骤S12。当步骤S12处的答案给出为否定的“否”时，中央处理单元20返回步骤S3，并将键编号Kni增大1。当步骤S12处的答案给出为否定时，中央处理单元20重复由步骤S3至S12组成的循环，并积存黑键和白键1a/1b的偏移值x。
当偏移值x被存储在用于最右边的白键1b的工作存储器中时，步骤S12处的答案改变为肯定的“是”，并且中央处理单元20终止该子例程，即，返回主例程。
如果离散值r2、e2、r1和e1等于图4示出的表中的那些离散值，则偏移值x为“40”，并且将离散值r1和e1估计为800和400。离散值r1和离散值e1之间的比率是2∶1。在下文中，将任何弦槌位置和静止位置R之间的比率称为“位置比”。静止位置R具有50％的位置比。当把偏移值x加到离散值r2和e2上时，校准后的离散值等于100和50，并且校准后的离散值之间的比率也是2∶1。在此情形中，有可能将任何位置-电压特性上任何光量处的离散值AD移动到曲线A上。如果曲线C表示当前的位置-电压特性，则将偏移值“40”加到曲线C上的离散值上，并将校准后的离散值乘以8。这样，有可能估计曲线A上的离散值AD。
制造商在向用户交付之前将基准位置-电压特性和偏移值x存储在只读存储器21中。中央处理单元20周期性地对这88个黑键和白键1a/1b进行实验，以便确定校准比率，并将该校准比率存储在只读存储器21中。当用户记录他或她的演奏时，中央处理单元20校准离散值AD，并在校准后的离散值的基础上估计基准位置-电压特性上的离散值AD，并准确地确定当前弦槌位置。
系统初始化时的校准
当用户打开操纵板(未示出)上的电源开关时，中央处理单元20开始将电子系统初始化，并在系统初始化时按照下面所述来校准弦槌传感器26.如上文所述，弦槌行程为48毫米长.换句话说，当在静止位置处弦槌行程2为0时，终点位置处的弦槌与静止位置处的弦槌隔开48毫米.在每个弦槌轨迹上确定另外两个基准点.第一基准点与终点位置隔开8毫米，并用“M1”来标注.第二基准点M2与终点位置隔开0.5毫米.因此，第一和第二基准点M1和M2是关于终点位置的相对位置.
图6示出了在校准时由中央处理单元20执行的工作序列。首先，中央处理单元20从用于最左边的弦槌2的接口24取出静止位置处的离散值AD，并将该离散值AD存储在工作存储器22中。中央处理单元20从只读存储器21中读出偏移值x，并将偏移值x加到该离散值AD上，如步骤S13。该和数或校准后的离散值对应于图3中的值r，并且，校准后的离散值r被存储在工作存储器21中。
随后，中央处理单元20将校准后的离散值r乘以终点位置处的位置比，并确定终点位置处的校准后的离散值e，如步骤S14。在假定离散值AD处于曲线A上的情况中，位置比为50％，并且中央处理单元20通过将校准后的离散值r乘以0.5来确定终点位置处的校准后的离散值e。校准后的离散值e也被存储在工作存储器22中。
随后，中央处理单元20确定第一基准点M1处的位置比和第二基准点M2处的位置比，并将校准后的离散值r乘以第一基准点M1处的位置比和第二基准点M2处的位置比，如步骤S15。该乘积表示第一基准点M1处的校准后的离散值m1和第二基准点M2处的校准后的离散值m2，并且校准后的离散值m1和m2被存储在工作存储器22中。
对于其它黑键和白键1a/1b，中央处理单元20重复步骤S13至S15处的工作，并且校准后的离散值r、e、m1和m2被存储在工作存储器22中，如步骤S16。当校准后的离散值r、e、m1和m2被存储在用于所有黑键和白键1a/1b的工作存储器22中时，中央处理单元20前进到下一个初始化工作。如将在下文详细描述的那样，中央处理单元20参照校准后的离散值m1和m2来计算弦槌速度，并通过使用校准后的离散值m1和m2来确认对弦4的撞击。
这样，中央处理单元20通过将偏移值x加到离散值AD上来直接校准仅仅在静止位置处的弦槌传感器26。从减小中央处理单元20上的负荷的观点来看，这一特征是理想的。
对弦槌运动的分析
图7示出了用于分析弦槌运动的工作序列。在记录时，中央处理单元20周期性地重复用于分析弦槌运动的子例程。当钢琴家命令记录系统500记录他或她的演奏时，主例程周期性地分支到用于记录的子例程，并且对88个弦槌2的每一个执行用于分析弦槌运动的子例程，作为用于记录的子历程的一部分。
中央处理单元20首先从接口24取出指示目前关注的弦槌2的当前弦槌位置的离散值AD，如步骤S20.中央处理单元20从只读存储器21中读出偏移值x，并将该偏移值x加到离散值AD上，以便确定校准后的离散值AD’，如步骤S21.中央处理单元20在内部时钟中检查取出离散值AD的时刻TIME，并将校准后的离散值AD’和时刻TIME积存在图8A示出的表TBL1中.在工作存储器22中准备88个表，并将其分别分配给88个弦槌2.假设将图8A中示出的表TBL1分配给目前关注的弦槌2.表TBL1包含20个存储位置，并且分别将20个校准后的离散值AD’和时刻TIME对存储在这20个存储位置中.将新的校准后的离散值AD’和时刻TIME对积存在第一存储位置1中，并分别将校准后的离散值AD’和时刻TIME对移动到下一存储位置2-19.最旧的对被推出表TBL1.这样，在表TBL1中积存最新的20对校准后的离散值AD’和时刻TIME.
随后，中央处理单元20检查表TBL1，以查看弦槌2是否已经开始在弦槌轨迹上行进，如步骤S22。在此实例中，中央处理单元20将校准后的离散值AD’与校准后的离散值r相比较，并回答所述问题。如果中央处理单元20发现弦槌2处于静止位置，则答案给出为否定“否”，并且中央处理单元20返回步骤S20。这样，中央处理单元20重复由步骤S20至S22组成的循环，以便发现一个或多个弦槌2已经离开了静止位置。
假设钢琴家按下了与目前关注的弦槌2相链接的黑键或白键1a/1b。步骤S22处的答案给出为肯定“是”。对于肯定答案“是”，中央处理单元20前进到步骤S23，并将最新的校准后的离散值AD’与校准后的离散值m2相比较，以查看弦槌2是否经过了第二基准点M2，如步骤S23。如上文所述，第二基准点M2与终点位置仅隔开0.5毫米。当步骤S23处的答案给出为否定“否”时，弦槌2仍然在前往第二基准点M2的途中，并且中央处理单元20前进到步骤S25，而不进行步骤S24处的任何执行。出于此原因，中央处理单元20将弦槌状态标志st1保持为“非撞击状态”。
另一方面，当弦槌2到达或超过第二基准点M2时，步骤S23处的答案给出为肯定“是”，并且弦槌2被发现处于撞击弦4之前的瞬间。换句话说，有可能假定弦槌2将很快与弦4碰撞。这样，第二基准点M2充当该假定的阈值。
第二基准点M2使得有可能判别撞击弦4之前瞬间的弦槌2。校准后的离散值AD’指示靠近实际弦槌位置的弦槌轨迹上的位置，使得中央处理单元20可以准确地假定弦槌2的当前状态。
对于步骤S23处的肯定答案“是”，中央处理单元20前进到步骤S24，并将弦槌状态标志st1从“非撞击状态”改变为“撞击状态”。当弦槌2在静止位置和第二基准点M2之间的弦槌轨迹上行进时，弦槌状态标志st1指示非撞击状态。
随后，中央处理单元20检查表TBL1，以查看弦槌2是否改变了弦槌运动方向，如步骤S25。如上文所述，将一系列校准后的离散值AD’存储在表TB L1中。如果校准后的离散值AD’简单地朝着最新的校准后的离散值AD’增大或减小，则中央处理单元20判定弦槌2正在向终点位置前进或正在离开终点位置，并且步骤S25处的答案给出为否定“否”。然后，中央处理单元20返回步骤S20，并重复由步骤S20至S25组成的循环，直到该答案改变为肯定为止。
如果这一系列校准后的离散值AD’在某个取出时刻TIME达到最高点，则中央处理单元20判定弦槌2改变了弦槌运动方向，并且步骤S25处的答案改变为肯定答案“是”。中央处理单元20假设弦槌2在某个取出时刻TIME在弦4上反弹，并准备图8B中示出的表TBL2。表TBL2具有11个存储位置，其被分配给5对校准离散值AD’(-5)至AD’(-1)和时刻t(-5)至t(-1)、转折点处的校准后的离散值AD’(0)和时刻t(0)对、以及5对校准后的离散值AD’(1)至AD’(5)和时刻t(1)至t(5)。计算弦槌速度V(-4)至V(5)以及弦槌加速度a(-4)至a(4)，并分别将其写入这11个存储位置。假设弦槌运动是匀速的，并且中央处理单元20将每个点与前一个点之间的行程增量除以它们之间的时间增量。中央处理单元20通过对所计算的弦槌速度的微分来确定加速度。存在多种速度和加速度的计算方法。任何计算方法都可用于弦槌2。
可以在步骤S21与表TBL1一起准备表TBL2.可以在步骤S21计算速度和加速度.如果在步骤S21计算了速度，则有可能在表TBL2中的速度的基础上确定弦槌运动的方向.
当完成步骤S25处的工作时，中央处理单元20前进到步骤S26。步骤S26处的工作将在下文中参考图9进行描述。
当完成步骤S26处的工作时，中央处理单元20前进到步骤S27，并完成在分析结果基础上进行的其它工作。一个重要工作是要产生音符开事件代码和音符关事件代码。诸如被按下/释放的键的编号Kni和弦槌速度的乐曲数据被存储在如MIDI协议中定义的音符开事件/音符关事件中。
当产生乐曲数据代码时，中央处理单元20将该乐曲数据代码存储在工作存储器22中，并返回步骤S20。这样，中央处理单元20重复由步骤S20至S27组成的循环，直到钢琴家命令记录系统500完成记录为止。
转到图9，中央处理单元20首先访问表TBL2，并检查速度和加速度，以查看弦槌2是否改变运动方向，如步骤S30。详细地说，中央处理单元20分析从t(-5)到t(0)的速度和加速度，并确定朝向弦4的弦槌行为。随后，中央处理单元20分析从t(0)到t(5)的速度和加速度，并确定反弹之后的弦槌行为。中央处理单元20研究该弦槌行为，以查看弦槌2是否满足以下条件之一。
条件1：
在速度v(0)、v(-1)和v(-2)的值之一大于临界速度的情况下，中央处理单元20确认弦槌2足够快以撞击弦4，并假定弦槌2一定与弦4碰撞，其中，作为示例，所述临界速度为0.3m/s。
条件2：
在绝对值|a(-3)|、|a(-2)|、|a(-1)|、|a(0)|、|a(1)|、|a(2)|和|a(3)|组中绝对值|a(0)|最大的情况下，中央处理单元20假定弦槌2有可能与弦4碰撞。
条件3：
在中央处理单元20发现另一绝对值大于绝对值|a(0)|的情况下，即弦槌2不满足条件2，并且/或者在通过二次曲线逼近确定的速度v(0)几乎等于0的情况下，中央处理单元20假定弦槌2不撞击弦4存在较高的可能性。
当完成所述假定时，中央处理单元20根据弦槌2满足的条件将弦槌状态标志st2改变为假定的状态，如步骤S31。这样，该弦槌状态标志表示对应于条件1或条件2的肯定假定状态、或者对应于条件3的否定假定状态。或者，弦槌状态标志st2可以表示确认弦槌2一定与弦4碰撞的假定状态、弦槌可能与弦4碰撞的假定状态或者弦槌可能不与弦4碰撞的假定状态。
随后，中央处理单元20将弦槌状态标志st1和弦槌状态标志st2相比较，以查看在所述假定之间是否出现不一致，如步骤S32。如果假定状态st1与假定状态st2一致，则步骤S32处的答案给出为否定“否”，并且中央处理单元20返回由步骤S20至S27组成的循环。当发现不一致时，步骤S32处的答案给出为肯定“是”，并且中央处理单元20前进到步骤S33，并执行图10示出的工作。当完成图10示出的工作时，中央处理单元20返回由步骤S20至S27组成的循环。
转到附图的图10，中央处理单元20检查所述不一致，以查看该不一致被分类为哪种情况，如步骤S40。
情况1：弦槌状态标志st1表示“非撞击状态”，而另一弦槌状态标志st2表示肯定假定状态。
情况2：弦槌状态标志st1表示“撞击状态”，而另一弦槌状态标志st2表示否定假定状态。
当中央处理单元20将不一致分类为情况1时，中央处理单元20前进到步骤S41，并重新计算静止位置和终点位置之间的位置比，如步骤S41。详细地说，存储在弦槌状态标志st2中的肯定假定状态比存储在另一弦槌状态标志st1中的假定更可靠，这是因为该假定状态基于实际弦槌运动。中央处理单元20假定终点位置E处的校准后的离散值e小于终点位置处的真实值。较小的校准后的离散值e使基准点M2更靠近静止位置R。由于静止位置处的校准后的离散值r是在从模拟数字转换器24b的输出节点取出的离散值AD的基础上确定的，因此校准后的离散值r正确地指示静止位置R，并且静止位置R和终点位置E之间的位置比将是不可靠的。出于此原因，中央处理单元20重新计算静止位置R和终点位置之间的比。校准后的离散值AD’(0)正确地指示终点位置E。中央处理单元20确定校准后的离散值AD’(0)和静止位置处的校准后的离散值r之间的比，并将正确的位置比存储在电可擦除和可编程存储器21中。还在校准后的离散值r和新的校准后的离散值e的基础上重新计算基准点M1和M2处的校准后的离散值m1和m2。
当中央处理单元20将不一致分类为情况2时，中央处理单元20重新计算位置比，如步骤S42。详细地说，否定假定状态也比存储在弦槌状态标志st1中的假定更可靠。中央处理单元20假定撞击状态的原因在于终点位置E处的校准后的离散值e大于终点位置E处的真实值，并重新计算静止位置R和终点位置E之间的位置比。终点位置E处的真实值有可能小于校准后的离散值AD’(0)，使得中央处理单元20从校准后的离散值AD’(0)中减去预定数量。中央处理单元假设和数AD’(0-x)指示终点位置E，并确定校准后的离散值r和差AD’(0-x)之间的比。将校准后的离散值r和差AD’(0-x)之间的比存储在电可擦除和可编程存储器21中，作为静止位置R和终点位置E之间的位置比。随后，中央处理单元20重新计算基准点M1/M2处的校准后的离散值m1/m2。如果预定值x太大，则不一致再次发生，并且在下一次执行时将该不一致分类为情况1。
当完成步骤S41或S42处的工作时，中央处理单元20返回图9示出的工作序列。
如将从上面的描述理解的那样，中央处理单元20通过不同的过程两次假定对弦4的撞击，并将假定结果互相比较，以查看校准后的离散值e是否正确地指示终点位置E。即使弦槌传感器26的光发射元件由于老化衰退而改变了入射光-光电流转换特性，即，中央处理单元在步骤S21和S33处的工作中校准弦槌传感器26，使得弦槌传感器26准确地向中央处理单元20报告弦槌位置。由于乐曲数据代码是在由校准后的离散值表示的弦槌运动的基础上产生的，因此该乐曲数据代码准确地表示演奏，并且自动演奏器300可以以高保真度重演演奏。如果动作单元3由于老化衰退而改变了它们的尺寸，则动作单元3与黑键和白键1a/1b之间的相对位置也发生变化，并且终点位置E在所述轨迹上移动。即使这样，仍然通过步骤S33处的工作校准弦槌传感器26。
出于此原因，记录器500可以通过使用一组乐曲数据代码准确地表示键盘1上的演奏。
第二实施例
转向附图的图11，数据处理单元27A、电磁控制的键致动器5和弦槌传感器26A被合并在电子系统中，其中所述电子系统形成实施本发明的另一自动演奏器钢琴的一部分。实现第二实施例的自动演奏器钢琴还包括在构造上与原声钢琴100相似的原声钢琴。出于此原因，用指定原声钢琴100的对应组成部件的标号来标注该原声钢琴的组成部件，而为简单起见不做任何详细描述。
电子系统还充当自动演奏器300A和记录器500A。电磁控制的键致动器5与合并在第一实施例中的电磁控制的键致动器相似，并且除了接口24A以外，数据处理单元27A与数据处理单元27相似。然而，弦槌传感器26A与弦槌传感器26不同。出于此原因，在下文中将描述集中于接口24A和弦槌传感器26A。
在接口24A中没有合并任何运算放大器。尽管接口24A包括信号缓冲器、采样保持电路和模拟数字转换器24c，但在图11中仅示出模拟数字转换器24c。对于本领域技术人员来说，那些电路的电路行为是公知的，并省略详细描述。
分别为88个弦槌2提供弦槌传感器26A，并且每个弦槌传感器26A包括光耦合器26a/26b、可变电阻器26c和放大器26B。可变寄存器26c由电阻器阵列和选择器的组合电路实现，并且该选择器响应于从中央处理单元20提供的控制信号，以便有选择地将电阻器阵列中的抽头连接到发光二极管26a。将所发射的光通过光纤(未示出)传送到光辐射传感器头(未示出)，并且所辐射的光跨过相关联弦槌2的轨迹而延伸。所辐射的光入射到光接收传感器头(未示出)上，并且将入射光通过光纤(未示出)传送到光检测晶体管26b。光检测晶体管26b将入射光转换为光电流，并且通过电阻器26d将该光电流转换为输出电压。将该输出电压施加到放大器26B。
在此实例中，利用达林顿对(Darlington pair)来实现放大器26B，并且将输出信号或模拟弦槌位置信号从达林顿对提供给接口24A的信号缓冲器(未示出)。该信号缓冲器(未示出)将模拟弦槌位置信号传递给采样保持电路(未示出)，并且通过与第一实施例中的模拟数字转换器相似的模拟数字转换器24c将关于模拟弦槌位置信号的离散值转换为数字弦槌位置信号。由于双极型晶体管26e和26f被插入地和放大器26B的输出节点，因此由于基极-射极电压导致的偏移电压是不可避免的。这样，偏移电压被不可避免地引入模拟弦槌位置信号、以及第一实施例中的模拟弦槌位置信号。
图5、6、7、9和10中示出的子例程在中央处理单元20上运行，以便校准弦槌传感器26A的位置-电压特性。这样，通过第二实施例也获得了第一实施例的优点。
如将从上文的描述意识到的那样，确定偏移值x，并将其存储在数据处理单元27/27A中，并且合并在乐器中的数据处理单元27/27A通过使用偏移值x来校准位置-电压特性。出于此原因，即使老化衰退影响了光-光电流转换特性和/或原声乐器100的机械组件之间的相对位置，数据处理单元27/27A也使当前位置-电压特性与原始位置-电压特性一致，并在校准后的数据的基础上准确地进行数据处理。
尽管示出并描述了本发明的特定实施例，但是对本领域技术人员来说将清楚的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种改变和修改。
MIDI协议不对本发明的技术范围设置任何限制。可以将任意协议用于乐曲数据，只要该数据代码可以表示乐曲数据即可。
光位置变换器不对本发明的技术范围设置任何限制.任意种类的弦槌传感器，其可以是在日本专利申请公开第2001-175262号中公开的弦槌传感器中的一种.在弦槌传感器报告弦槌速度或加速度的情况中，数据处理单元20通过积分和微分来计算其它物理量.
弦槌传感器26的构造不对本发明的技术范围设置任何限制。可以分别为88个弦槌2提供多对光耦合器，并且在光发射元件和光检测元件之间跨过弦槌的轨迹而直接产生光束。
电磁控制的键致动器不对本发明的技术范围设置任何限制。气动致动器或电动机可以充当键致动器。
可以利用诸如例如位置和加速度或者位置、速度和加速度的另一物理量组合来表示目标键运动和当前键运动。因此，键位置和键速度不对本发明的技术范围设置任何限制。
在上述实施例中，在步骤S41或S42处校正位置比。可以通过算术运算来校正校准后的离散值e和r，或者可以校正离散值AD。
在步骤S30处的假定中的速度和加速度不对本发明的技术范围设置任何限制。可以仅为所述假定分析速度。在振动传感器监控弦4的情况中，中央处理单元20在振动传感器的输出信号的基础上假定对弦4的撞击。可以利用麦克风或频率分析器来代替振动传感器。
可以将校准后的离散值AD’用于对黑键和白键1a/1b的伺服控制。在此实例中，数据处理单元在校准后的离散值的基础上假定当前键位置，并将键位置数据提供给伺服控制器12。在此实例中，内置的活塞传感器5c对于伺服控制不是必需的，从而减少了生产成本。因此，使用校准后的离散值AD’的记录不对本发明的技术范围设置任何限制。
在上述实施例中，当前位置-电压特性是在静止位置R处的校准后的离散值AD’的基础上确定的。然而，静止位置R不对本发明的技术范围设置任何限制。可以在除了静止位置和终点位置R和E之外的轨迹上的预定点处的校准后的离散值AD’的基础上确定当前位置-电压特性。
离散值r1、r2、e1和e2不对本发明的技术范围设置任何限制。可以通过使用每条曲线B/C上多于2个点处的离散值来确定偏移值。在假定偏移值x时使用多于4个偏移值的情况中，可以将曲线B和C假设为非线性的。
可以通过使用逻辑电路而不是软件来完成偏移值x的假定和/或校准。
本发明可应用于键传感器、踏瓣传感器、制音器传感器和/或柄(shank)传感器。在将电子系统安装在诸如例如打击乐器、管乐器和弦乐器的另一种乐器中的情况下，将本发明应用于监控合并在该乐器中的操纵器的传感器。
权利要求语言与实施例的组成部件相关如下。弦槌2的每一个充当“移动对象”，并且电压转换器VR和可变电阻器26c充当“增益控制器”。弦槌位置是“物理量”，并且曲线B和曲线C分别代表“第一范围”中的离散值和“第二范围”中的离散值。弦槌传感器26/26A、包含模拟数字转换器24b/24c和运算放大器24a或放大器26B的接口24/24A、总线系统20B、中央处理单元20和在图5、6、7、9和10中示出的、在中央处理单元20上运行的计算机程序作为整体组成“变换器”。包含光耦合器26a/26b的弦槌传感器26/26A充当“转换器”，并且模拟数字转换器24b/24c和运算放大器24a或放大器26B作为整体组成“电路”。弦槌位置信号Vh和代表离散值AD的一系列代码分别对应于“模拟信号”和“数字信号”。中央处理单元20与图5、6、7、9和10中示出的计算机程序作为整体组成“校准器”。
中央处理单元20与步骤S4、S5、S6、S7、S8和S9处的工作作为整体组成“数据收集器”，中央处理单元20与步骤S5和S8处的工作作为整体组成“移位器(shifter)”，并且中央处理单元20和步骤S10处的工作作为整体组成“信息处理器”。
中央处理单元20和步骤S13处的工作充当“计算器”，并且中央处理单元20与步骤S14和S15处的工作充当“估计器”。终点位置E由关于静止位置的2∶1的“位置比”表示。弦槌状态st1和st2对应于“第一当前状态”和“第二当前状态”。中央处理单元20与步骤S20-S25、S30-S32和S40-S42处的工作作为整体组成用于重新计算终点位置和基准点处的校准后的离散值的“校准器”。
黑键和白键1a/1b、动作单元3和弦槌2组合形成“多个链接构件”，并且弦槌2对应于“特定链接件”。
弦槌2的每一个充当“对象”，并且曲线B和曲线C分别代表“第一电势范围”中的离散值和“第二电势范围”中的离散值。
电气系统充当自动演奏器或记录器，并且包括增益控制器、多个转换器、电路、校准器和数据处理单元。增益控制器连接到所述多个转换器，并响应校准器向其给出的指令，以便改变从所述多个转换器输出的模拟信号的电势范围。该模拟信号代表表示所述特定链接件的运动的物理量。所述多个转换器分别监控所述特定链接件，并产生代表所述特定链接件的物理量或运动的模拟信号。换句话说，该模拟信号代表所述特定链接件的运动数据。由于增益控制器对电势范围设置了限制，因此所述多个转换器根据所述物理量使模拟信号在该电势范围内摆动电势电平。
所述多个转换器通过电路连接到校准器以及数据处理单元。该电路从模拟信号产生数字信号，使得将运动数据从模拟信号转换为数字信号。然而，偏移电压被不可避免地引入模拟信号中。这使得噪声分量由于该偏移电压而被混合在数字信号中。
当电连接改变到校准器时，校准器使增益控制器在第一范围和第二范围之间改变所述电势范围.所述多个转换器监控所述特定链接件，并产生在第一范围内摆动的模拟信号.校准器取出运动数据，并将它们存储在其中.所述多个转换器还产生在第二范围内摆动的模拟信号，并且校准器取出运动数据，以便将它们存储在其中.校准器分析在第一范围内产生的运动数据和在第二范围内产生的运动数据，并通过该分析确定对应于偏移电压的偏移值.
当在原声钢琴上演奏一首乐曲时，数据处理单元接收运动数据，并考虑到偏移值而确定特定链接件的运动。数据处理单元分析特定链接件的运动，以便产生代表要产生的音调的乐曲数据。这样，数据处理单元在分析之前考虑偏移值。这使得乐曲数据准确地表示特定链接件的运动和要产生的音调。
如将从以上描述认识到的那样，校准器从运动数据中消除了由于偏移值导致的令人讨厌的影响，并允许数据处理单元准确地产生乐曲数据。
在以下描述中，术语“前面”表示比用术语“后面”修饰的位置更靠近演奏者的位置，该演奏者正坐在凳子上以演奏一首乐曲。在前面位置和对应的后面位置之间画的线沿“纵向”延伸，并且在平行于水平面的平面上，横向与纵向以直角相交。
第一实施例
参照附图的图1，实施本发明的自动演奏器钢琴主要包括原声钢琴100和电气系统，该电气系统充当自动演奏系统300、记录系统500和电子音调生成系统700。自动演奏系统300、记录系统500和电子音调生成系统700安装在原声钢琴100中，并根据用户指令而被有选择地激活。当演奏者在原声钢琴100上用手指弹奏一首乐曲而没有任何记录、重放和通过电子音调进行演奏的指令时，原声钢琴100表现得与标准原声钢琴相似，并以通过手指弹奏指定的音高产生钢琴音调。
当演奏者希望记录他或她在原声钢琴100上的演奏时，演奏者向电气系统发出记录指令，并且记录系统500准备好记录该演奏。换句话说，记录系统500被激活。当演奏者在原声钢琴100上用手指弹奏乐曲的节(passage)时，记录系统500产生代表原声钢琴100上的演奏的乐曲数据代码，并且这组乐曲数据代码被存储在形成电气系统一部分或远离自动演奏器钢琴的合适的存储器中。这样，演奏被存储为这组乐曲数据代码。
假设用户希望再现该演奏。用户命令电气系统再现原声音调。然后，自动演奏系统300准备好重放。自动演奏系统300在原声钢琴100上弹奏这首乐曲，并在没有人类演奏者的任何手指弹奏的情况下重演该演奏。
用户可能希望顺着乐曲的节听到电子音调。该用户命令电子音调生成系统700处理这组乐曲数据代码。然后，电子音调生成系统700开始顺次处理该乐曲数据代码，以便顺着乐曲的节产生电子音调。
在下文中详细描述原声钢琴100、自动演奏系统300、记录系统500和电子音调生成系统700。
原声钢琴
在此实例中，原声钢琴100是大钢琴。原声钢琴100包括键盘1、弦槌2、动作单元3、弦4和制音器6。中盘(key bed)102形成钢琴箱体(cabinet)的一部分，并且键盘1安装在中盘102上.键盘1与动作单元3和制音器6链接，并且钢琴家通过键盘1有选择地驱动动作单元3和制音器6.通过键盘1而被有选择地驱动的制音器6与相关的弦4隔开，使得弦4准备好振动.另一方面，通过键盘1而被有选择地驱动的动作单元3引起相关弦槌2的自由旋转，并且该弦槌2在自由旋转的终点撞击相关的弦4.然后，弦4振动，并且通过弦4的振动产生原声音调.当弦槌2与弦4碰撞时，弦槌2在弦4上反弹，并从弦4下落.
键盘1包括多个黑键1a、多个白键1b和键架中板(balance rail)104。黑键1a和白键1b以众所周知的模式放置，并通过平衡键销(balance key pin)106而被可移动地支撑在键架中板104上。
支架(Action bracket)108沿横向彼此隔开。柄状凸缘轨道(shank flangerail)110在支架108上方沿横向延伸，并被固定在其上。弦槌2包括各自的弦槌柄2a，并且弦槌柄2a通过销2b可旋转地连接到柄状凸缘轨道110。弦槌2还包括被分别固定到弦槌柄2a前端的各自的弦槌头2c。尽管托木7从黑键和白键1a/1b的后端部向上伸出，但是托木7形成动作单元3的一部分，并使弦槌头2c在弦4上反弹之后轻轻地降落在其上。换句话说，托木7防止弦槌2在弦槌柄停止毡112上颤动。
当在黑/白键1a/1b上没有施加任何力时，弦槌2和动作单元3将由于自重而导致的力施加到黑/白键1a/1b的后部，并且黑/白键1a/1b的前部与键架前板(front rail)114隔开，如实线画出的那样。实线所指示的键位置是“静止位置”，并且在静止位置处，键行程为0。
当钢琴家按下黑/白键1a/1b的前部时，前部逆着动作单元/弦槌3/2的自重而下降。前部最终到达点划线所指示的“终点位置”。终点位置沿着键轨迹与静止位置隔开预定距离。
当钢琴家按下黑键和白键1a/1b的前部时，黑键和白键1a/1b的后部升高，并引起相关动作单元2的旋转。顶杆(jack)116与调节按钮118相接触，并脱离弦槌2a。该脱离引起弦槌2的自由旋转，使得弦槌头2c向弦4前进。被按下的1a/1b还使制音器6与弦4隔开，使得弦4准备好振动，如上文所述。弦槌2在自由旋转的终点与弦4碰撞以产生原声音调。弦槌3在弦4上反弹，并被托木7挡住。
当钢琴家释放被按下的黑键和白键1a/1b时，动作单元/弦槌3/2的自重引起黑键和白键1a/1b的旋转，并且动作单元/弦槌3/2返回各自的静止位置。制音器6在前往静止位置的途中与相关的弦4相接触，使得原声音调被衰减。在此实例中，弦槌2在静止位置和自由旋转的终点之间的弦槌轨迹上行进，并且自由旋转的终点与静止位置隔开48毫米。
电子系统
在下文中，同时参考图1和2对充当自动演奏系统300、记录系统500和电子音调生成系统700的电子系统进行描述。
自动演奏系统300包括电磁控制(solenoid-operated)的键致动器5的阵列、操纵板(未示出)、数据存储单元23(参见图2)和数据处理单元27。记录系统500包括弦槌传感器26、操纵板(未示出)、数据存储单元23和数据处理单元27，而电子音调生成系统700包括数据存储单元23、数据处理单元27、电子音调生成器13a和声音系统13b。因此，在自动演奏系统300、记录系统500和电子音调生成系统700之间共享数据处理单元27和操纵板(未示出)。
利用黑键和白键1a/1b后部下方的槽来形成中盘102，并且中盘102以穿过槽伸出这样的方式支撑电磁控制的键致动器5的阵列.电磁控制的键致动器5以交错的方式横向排列，并分别与黑键和白键1a/1b相关.螺线管5a、活塞5b、复位弹簧(未示出)和内置的活塞传感器5c与轭一起被装配为每个电磁控制的键致动器5，其中所述轭被与其它电磁控制的键致动器5共享.当螺线管5a在没有任何电流的情况下闲置时，活塞5b的顶端位于相关的黑键或白键1a/1b后部的下表面附近.当活塞5a被驱动信号Ui激励时，产生磁场，并且力被施加到活塞5b上.然后，活塞5b从螺线管5a向上伸出，并向上推动黑键或白键1a/1b的后部.活塞传感器5c监控活塞5b，并产生代表当前活塞位置的活塞位置信号Vy.螺线管5a、内置的活塞传感器5c和伺服控制器12组合形成伺服控制环302，并且，通过伺服控制环302控制活塞运动，并因此控制键运动.
弦槌传感器26分别与弦槌2相关联，并被分类为光位置变换器。弦槌传感器26具有与弦槌轨迹重合的监控范围，以便将当前物理量例如当前弦槌位置转换为弦槌位置信号Vh。
弦槌传感器26的每一个包括光辐射传感器头、光接收传感器头、光发射元件、光检测元件以及连接在光发射元件/光检测元件和光辐射传感器头/光接收传感器头之间的光纤。光辐射传感器头形成光辐射传感器头组，并且光接收传感器头也形成光接收传感器头组。光辐射传感器头组分别与光发射元件相关联，而光接收传感器头组分别与光检测元件相关联。详细地说，每个光辐射传感器头组通过光纤束耦接到光发射元件之一，并且光接收传感器头通过光纤分别耦接到光检测元件，其中从光接收传感器头组之一中选择每个光接收传感器头，还从光纤束中选择每条光纤。
将时间帧划分为多个时隙，并将所述多个时隙分别分配给光发射元件。使时间帧重复，使得每个时隙以固定间隔出现。因此，顺次在分配给光发射元件的时隙中激励该光发射元件，并将光从刚刚被激励的光发射元件提供给相关联的光纤束。
将光通过光纤束从每个光发射元件同时提供给相关联组的光辐射传感器头，并将其从光辐射传感器头跨过相关联弦槌2的弦槌轨迹而辐射到光接收传感器头。同时从光辐射传感器头输出的光入射到光接收传感器头上，并通过光纤而被传递给光检测元件，其中从光接收传感器头组之一中选择每个光接收传感器头，从所述束中选择每条光纤。光检测元件将入射光转换为光电流，其中所述光电流的量与入射光的量成比例。
在此实例中，为88个黑键和白键1a/1b提供12个光发射元件和8个光检测元件。作为示例，在日本专利申请公开第Hei 9-54584中公开了用于弦槌传感器26的控制序列。
入射光的量随着相关联弦槌2的弦槌轨迹上的当前弦槌位置而变化。出于此原因，光电流量也随着当前弦槌位置而变化，并且光电流作为弦槌位置信号Vh从每个光检测元件流出。
从每个光发射元件发射的光量随着施加到其上的电势差一起变化，并且每个光发射元件连接到电压转换器VR(参见图2)。数据处理单元27将控制信号提供给每个电压转换器VR，使得电势差，以及因此，光量根据控制信号的二进制数而改变。
在此实例中，电压控制器VR包括恒流源和可变电阻器。恒流源连接到电源线路，并将电流通过可变电阻器提供给光发射元件。可变电阻器响应于控制信号，以便改变对恒定电流的电阻。结果，施加到光发射元件的电势差与电阻成反比地变化。可变电阻器可以利用电阻器串和选择器的组合来实现。这样，数据处理单元27可以通过使用控制信号来将光量调整到任意值，并因此将弦槌传感器的增益调整到任意值。
数据处理单元27包括被简写为“CPU”的中央处理单元20、被简写为“ROM”的只读存储器21、被简写为“RAM”的随机存取存储器22、总线系统20B、被简写为“I/O”的接口24和脉冲宽度调制器25.这些系统组件20、21、22、24和25连接到总线系统20B，并且数据存储单元23也连接到总线系统20B.将地址代码、指令代码、控制数据代码和乐曲数据代码有选择地从特定系统组件通过总线系统20B传送给其它系统组件.尽管未在图2中示出，但是时钟生成器和分频器也被合并在数据处理单元27中，并且系统时钟信号和节拍(tempo)时钟信号使系统组件彼此同步，并且产生各种计时器中断.
中央处理单元20是数据处理能力的来源。代表主例程(main routineprogram)和子例程(subroutine program)的指令代码以及数据/参数表被存储在只读存储器21中，并且计算机程序在中央处理单元20上运行，以便完成有选择地分配给预数据处理器10、运动控制器11、伺服控制器12、运动分析器28和后数据处理器30的工作。随机存取存储器22提供临时数据存储，并充当工作存储器。在下文中，用相同的附图标记“22”来标注工作存储器。
数据存储单元23向自动演奏系统300、记录系统500和电子音调生成系统700提供大量数据保存容量。乐曲数据代码被存储在数据存储单元23中以供重放。在此实例中，利用硬盘驱动器来实现数据存储单元23。柔性盘(flexibledisk)驱动器或软盘(商标)驱动器、诸如例如CD-ROM驱动器的光盘驱动器、磁光盘驱动器、ZIP盘驱动器、DVD(数字多用途盘)驱动器和半导体存储板均可用于系统300/500/700。
弦槌传感器26和操纵板(未示出)连接到接口24，并且脉冲宽度调制器25将驱动信号Ui传递给电磁控制的键致动器5。接口24包含多个运算放大器24a和多个模拟数字转换器24b。尽管采样保持电路分别连接到所述多个模拟数字转换器24b，但是为简单起见，在图中没有示出该采样保持电路。光检测元件有选择地连接到运算放大器24a，并且通过运算放大器24a放大弦槌位置信号Vh。运算放大器24a分别通过采样保持电路(未示出)连接到模拟数字转换器24b，使得将关于模拟弦槌位置信号的离散值周期性地转换为形成数字弦槌位置信号的二进制代码。系统时钟信号周期性地引起对中央处理单元20的计时器中断，使得中央处理单元20周期性地从接口24取出代表当前弦槌位置的弦槌数据。将该弦槌数据通过总线系统20B传递给随机存取存储器22，并将其临时存储在其中。在此实例中，数字弦槌位置信号的二进制值落在从0到1023的范围内。
脉冲宽度调制器25响应于代表目标平均电流量或占空比的目标值的控制信号，以便将驱动信号Ui调整到该目标平均电流或目标占空比。驱动信号Ui被有选择地分配给电磁控制的键致动器5。在驱动信号Ui存在时，产生磁场，使得有可能利用控制信号控制施加到活塞5b上的力，并因此控制施加到黑/白键1a/1b上的力。
数据处理单元27还可包括通信接口，其中，通过公共通信网络将乐曲数据代码从远程数据源提供给该通信接口。然而，这些系统组件仅仅间接涉及本发明的主旨，并且为简单起见，不加入进一步的描述。
形成自动演奏系统300的一部分的数据处理单元27的功能分解为预数据处理器10、运动控制器11和伺服控制器12。换句话说，利用在中央处理单元20上运行的子例程来实现预数据处理器10、运动控制器11和伺服控制器12。
将代表要重演的演奏的一组乐曲数据代码加载到预数据处理器10中.作为示例，将这组乐曲数据存储在数据存储单元23中.或者，将这组乐曲数据代码从外部数据源通过公共通信网络和通信接口(未示出)提供给工作存储器22.
预数据处理器10顺次分析乐曲数据代码，并确定要再现的钢琴音调以及再现和衰减该钢琴音调的定时。要产生的钢琴音调由键编号Kni表示，其中，i的范围是从1到88。预数据处理器10确定黑/白键1a/1b的基准键轨迹，并且还确定关于基准键速度的一系列目标键速度(t，Vr)的值。目标键速度Vr随着时间t变化，并且目标键速度Vr与诸如例如目标键位置的另一物理量一起表示时刻t的目标键运动。在期望电磁控制的键致动器5引起匀速运动的情况中，目标键速度Vr是恒定的。伺服控制环302使活塞5b、并因此使黑/白键1a/1b追上目标活塞速度和目标键速度Vr。
在基准键轨迹上存在唯一点，并且该唯一点被称为“基准点”。如果黑/白键1a/1b以目标键速度Vr经过基准点，则该黑/自键1a/1b引起弦槌运动，该弦槌运动导致以最终琴锤速度的目标值撞击弦4。由于最终弦槌速度与原声钢琴音调的响度成比例，因此以目标键速度Vr经过基准键点的黑/白键1a/1b使弦4以由乐曲数据代码表示的目标响度产生原声音调。
预数据处理器10将代表目标键速度(t，Vr)的控制数据信号提供给运动控制器11。运动控制器11在内部时钟中检查时间流逝(lapse)。当时刻t到来时，运动控制器11将代表目标键速度Vr的当前值的控制数据信号提供给伺服控制器12。这样，运动控制器11周期性地向伺服控制器12通知一系列目标键速度Vr的值。
内置的活塞传感器5c将代表当前键位置的活塞位置信号Vy提供给伺服控制器12。伺服控制器12在预定数目的当前键位置值的基础上确定当前键速度。当前键速度和当前键位置表示当前键运动。伺服控制器12将当前键运动与目标键运动相比较，以查看黑/白键1a/1b是否无误地在基准键轨迹上行进。如果出现差异，则伺服控制器12改变驱动信号Ui的平均电流或占空比，并将驱动信号Ui提供给螺线管5a。然而，当伺服控制器12在当前键运动和目标键运动之间没有发现任何差异时，伺服控制器12将平均电流或占空比保持为先前的值。这样，伺服控制环302强迫黑键和白键1a/1b以目标键速度经过基准点。这导致了目标响度的音调。
形成记录系统500的一部分的数据处理单元27的功能分解为运动分析器28和后数据处理器30。运动分析器28和后数据处理器30也是利用在中央处理单元20上运行的另一子例程实现的。
弦槌传感器26将代表相关联弦槌2的当前弦槌位置的模拟弦槌位置信号Vh提供给运动分析器28，并且运动分析器28周期性地取出由数字弦槌位置信号代表的离散值AD。运动分析器28确定在MIDI(乐器数字接口)协议中定义的格式的乐曲数据代码所需的、诸如最终弦槌速度的弦槌数据和碰撞时间等的弦槌数据。
后数据处理器30假定诸如键编号Kni的键数据，并在弦槌数据的基础上确定乐曲数据，将该乐曲数据正规化，并产生在MIDI协议中定义的乐曲数据代码.将持续时间数据代码插入一系列事件数据代码中，其中，每个持续时间数据代码表示连续事件之间的时间流逝.用于产生钢琴音调的向下键运动称为“音符开(note-on)事件”，并且音符开事件由音符开乐曲数据代码表示.另一方面，用于衰减钢琴音调的向上键运动称为“音符关(note-off)事件”，并且音符关事件由音符关乐曲数据代码表示.将表示原声钢琴100上的演奏的一组乐曲数据代码提供给数据存储单元23，并将其存储在其中.或者，以实时的方式将乐曲数据代码从通信接口(未示出)通过公共网络提供给外部数据存储器或另一乐器.
如将在下文中描述的那样，运动分析器28和后数据处理器30在数字弦槌位置信号的离散值AD的基础上确定偏移值。
电子音调生成系统700包括预数据处理器10、电子音调生成器13a和声音系统13b。预数据处理器10测量时间的流逝。当要产生或衰减音调的时刻到来时，预数据处理器10将音符开数据代码或音符关数据代码提供给电子音调生成器13a。从形成电子音调生成器13a的一部分的波形存储器中读出波形数据，并且该波形数据形成代表要产生的电子音调的数字音频信号。将该数字音频信号从电子音调生成器13a提供给声音系统13b。在声音系统13b中，将数字音频信号转换为模拟音频信号，并对该模拟音频信号进行均衡和放大。随后，通过扬声器和/或耳机将该模拟音频信号转换为电子音调。
简要描述自动演奏器钢琴的行为。现在假设钢琴家通过操纵板(未示出)命令记录系统500记录他或她的演奏，记录系统500准备好记录原声钢琴100上的演奏。当钢琴家在键盘1上用手指演奏时，弦槌传感器26通过模拟弦槌位置信号Vh连续地向接口24报告相关联弦槌2的当前弦槌位置。对模拟弦槌位置信号Vh进行放大和采样，以进行模拟数字转换。数字弦槌位置信号的离散值AD在0和1023之间变化，并被传递给运动分析器28。一系列离散值AD被积存在用于黑键和白键1a/1b的每一个的工作存储器22中，并表示相关联弦槌2的轨线(locus)。运动分析器28分析这一系列离散值AD或相关联弦槌2的轨线，以便提取弦槌数据。将这些弦槌数据提供给后数据处理器30，并且后数据处理器30确定产生乐曲数据代码将需要的乐曲数据。这样，运动分析器28与后数据处理器30协作，并将乐曲数据代码积存在工作存储器22中。当完成演奏时，后数据处理器30将表示该演奏的这组乐曲数据代码存储在诸如例如标准MIDI文件的合适的数据文件中，并将该数据文件通过公共通信网络传递到数据存储单元23或外部目的地。
假设用户通过操纵板(未示出)请求自动演奏系统300重演该演奏。这组乐曲数据代码被加载到工作存储器22中，并且自动演奏系统300为该演奏做好准备。
预数据处理器10开始测量时间的流逝，并将该时间流逝与在持续时间数据代码中表示的时间周期相比较。当预数据处理器10判定按下时刻到来时，预数据处理器10确定要按下的黑/白键1a/1b的基准轨迹、以及一系列目标键速度(t，Vr)的值。将这一系列目标键速度(t，Vr)的值传递给运动控制器11，并且周期性地将每个目标键速度Vr的值从运动控制器11提供给伺服控制器12。伺服控制器12在活塞位置信号Vy的基础上确定当前键运动，并在当前键运动和目标键运动之间差值的基础上决定平均电流或占空比。将驱动信号Ui调整到平均电流的目标值或占空比的目标值，并将其从伺服控制器12提供给与要按下的黑/白键1a/1b相关联的电磁控制的键致动器5的螺线管5a。这样，周期性地将平均电流或占空比调节到目标值，以便强迫活塞5b和相关联的黑/白键1a/1b在基准键轨迹上行进。黑/白键1a/1b驱动相关联的键动作单元3，并使顶杆116脱离相关联的弦槌2。该弦槌2在脱离处开始自由旋转，并在自由旋转的终点与相关联的弦4碰撞。弦槌2在弦4上反弹，并下落到弦槌柄停止毡112上。托木7将弦槌2托住，并使弦槌2轻轻地降落在弦槌柄停止毡112上。
当预数据处理器10发现黑/白键1a/1b的音符关事件代码时，预数据处理器10确定朝向静止位置的键轨迹，即基准反向键轨迹和一系列目标释放键速度值.预数据处理器10向运动控制器11通知目标释放键速度.运动控制器11周期性地向伺服控制器12通知目标键速度值，并请求伺服控制器12强迫黑/白键1a/1b在基准反向键轨迹上行进.当活塞5b收缩进螺线管5a中时，伺服控制器12将当前键运动和目标键运动相比较，以查看黑/白键1a/1b是否无误地在基准反向键轨迹上行进，并且动作单元3和弦槌2返回静止位置.在衰减时刻，制音器6与振动的弦4相接触，并且原声钢琴音调被衰减.
当自动演奏系统300重演演奏时，对于在原始演奏中被按下和释放的黑键和白键1a/1b，重复上述控制序列，并且顺着乐曲的节产生原声钢琴音调。
假设用户顺着乐曲的节产生电子音调。这组乐曲数据代码也被加载到工作存储器22中，并且预数据处理器10开始测量时间的流逝。预数据处理器10周期性地检查内部时钟，以查看产生电子音调的时刻是否到来。当答案为否定时，预数据处理器10重复该检查。对于肯定答案，预数据处理器10将音符开事件代码传递给电子音调生成器13a，并使声音系统13b发出电子音调。预数据处理器10重复上述工作，直到乐曲节的末尾为止，使得顺着乐曲的节顺次产生电子音调。
用于确定偏移电压的方法
按照下面所述来确定噪声分量。图3示出了实验结果。对于该实验，本发明人准备了包括光发射元件和光检测元件的光变换器26、运算放大器24a和模拟数字转换器24b。电压转换器VR连接在电源线路和光发射元件之间。
光跨过弦槌2的轨迹而延伸，并入射到光检测元件上。入射光被转换为光电流，并且将该光电流作为模拟弦槌位置信号Vh从光检测元件的输出节点输出到运算放大器24a。通过运算放大器24a将模拟弦槌位置信号放大，并随后将其提供给模拟数字转换器24b。在此实例中，模拟数字转换器24b是具有运算放大器的类型，使得还由于偏移电压而将噪声分量引入运算放大器24a的输出信号中。对模拟弦槌位置信号进行采样，并且，通过模拟数字转换器24b将关于模拟弦槌位置信号的电压的离散值转换为二进制数AD。
本发明人首先命令数据处理单元27将控制信号调整为大的值，使得光发射元件发射强光。当弦槌2逐渐与这束光交叉时，入射光的量减少，并且因此，所述二进制数改变。本发明人测量了光检测元件的输出节点处的电压，并命令数据处理单元27在模拟数字转换器24b的输出节点处取出离散值AD，并根据弦槌2的当前位置绘制电压电平，如图3所示。
本发明人命令数据处理单元27减小控制信号的二进制数，使得光发射元件发射弱光。当弦槌2逐渐与这束光交叉时，本发明人还命令数据处理单元27在模拟数字转换器24a的输出节点处取出离散值AD，并且也在图3中绘制电压电平。
在图3中，横坐标和纵坐标轴表示所测量的电压和弦槌位置，并且“R”和“E”分别代表静止位置和终点位置。曲线A表示在强光存在时光检测元件的输出节点处的电势电平，而曲线B表示也是在强光存在时模拟数字转换器24b的输出节点处的离散值AD。曲线C表示在弱光存在时模拟数字转换器24b的输出节点处的离散值AD。
比较曲线A和曲线B，本发明人确认运算放大器24a和模拟数字转换器24b引入了偏移电压x，并且由于偏移电压x导致的电势差是恒定的，而与弦槌位置无关.另一方面，曲线B和曲线C之间的电势差随着从静止位置R到终点位置E的弦槌位置而减小，并被认为是归因于所发射的光量的减少.例如，在静止和终点位置处，由于偏移电压x导致的电势差等于40的二进制数，如图4所示.然而，由于所发射的光的减少导致的电势差，即曲线B和曲线C之间的差在静止位置R处等于700的二进制值，而在终点位置E处等于350的二进制值.这样，由于老化衰退导致的电势差沿着弦槌2的轨迹而减小.
根据实验结果，可以理解，在日本专利申请公开第2000-155579号中公开的现有技术方法可用于从离散值AD中消除由于偏移电压x导致的噪声分量之后的校准。
偏移值x表示为
x＝(r2×e1-r1×e2)/(r1-r2+e2-e1) 方程1
其中，r1是曲线B上静止位置R处的测量值，e1是曲线B上终点位置E处的测量值，r2是曲线C上静止位置R处的测量值，而e2是曲线C上终点位置E处的测量值。
将图4示出的表中的测量值代入r2、e2、r1和e1。然后，该计算导致40的偏移值x。
制造商进行实验，并在组装工作中确定自动演奏器钢琴的每个产品的偏移值x。在交付给用户之前，将偏移值x存储在由电可擦除和可编程只读存储器实现的只读存储器21中，并在记录时将其从只读存储器21读出。
图5示出了合并在用于确定偏移值x的子例程中的工作序列。在此实例中，计算机程序安装在电子系统中，并在完成组装工作时开始在中央处理单元20上运行。当然，当操作员在用户家里修理自动演奏器钢琴时，他或她可以重新计算偏移值x。在以下描述中，在弦槌2停留在静止位置，即弦槌2未被移动的条件下，从模拟数字转换器24b中取出静止位置处的离散值AD。另一方面，在弦槌2撞击弦4时，从模拟数字转换器24b中取出终点位置处的离散值AD。
假设电气系统被初始化。当操作员通过操纵板(未示出)命令中央处理单元20计算偏移值x时，中央处理单元20确认操作员的指令，如步骤S1，并且主例程分支到子例程。
当进入子例程时，中央处理单元20将键编号Kni设置为0，如步骤S2，并且随后，中央处理单元20将键编号Kni增大1，如步骤S3。键编号“1”指示键盘1中最左边的白键1b。
随后，中央处理单元20将指示“强光”的控制信号从接口(未示出)提供给电压转换器VR，并且电压转换器VR开始将大量电流提供给光发射元件，该光发射元件将强光提供给最左边的白键1b的光辐射头。强光从该光辐射传感器头辐射到光接收传感器头，并且入射光被转换为光电流或模拟弦槌位置信号Vh。通过运算放大器24a将模拟弦槌位置信号Vh放大，并将其转换为二进制值或离散值AD。中央处理单元20从模拟数字转换器24b的输出节点取出离散值AD，并将该离散值AD存储在工作存储器22中，如步骤S4。离散值AD对应于曲线B上的“r1”。
随后，中央处理单元20在测试数据的基础上确定基准键轨迹，并使运动控制器11通过伺服控制器12控制最左边的白键1b，如步骤S5。基准轨迹表示普通的键运动，使得最左边的白键1b以适中的速度在朝向终点位置E的基准轨迹上行进。
当最左边的白键1b到达终点位置E时，中央处理单元20从模拟数字转换器24b的输出节点取出离散值e1，并将对应于离散值e1的离散值AD存储在工作存储器22中，如步骤S6.当离散值AD减到最小时，中央处理单元20确认到达终点位置E.或者，当活塞位置信号Vy具有恒定值时，中央处理单元20确认到达终点位置E.当完成强光存在时的测量时，中央处理单元20将基准反向轨迹提供给运动控制器11，使得最左边的白键1b返回静止位置R.
随后，中央处理单元20将代表“弱光”的控制信号提供给电压转换器VR，使得光发射元件将弱光提供给光辐射传感器头。这束光入射到光接收传感器头，并且通过光检测元件将该入射光转换为模拟弦槌位置信号。通过运算放大器24a放大该模拟弦槌位置信号，并随后通过模拟数字转换器24b将其转换为离散值r2。
中央处理单元20从模拟数字转换器24b的输出节点取出对应于离散值r2的离散值AD，并将离散值r2存储在工作存储器22中，如步骤S7。
当存储了离散值r2时，中央处理单元20将基准键轨迹提供给运动控制器11，并使伺服控制器12强迫最左边的白键1b在基准键轨迹上行进，如步骤S8。
当最左边的白键1b到达终点位置E时，中央处理单元20从模拟数字转换器24b的输出节点取出离散值e2，并将离散值e2存储在工作存储器22中，如步骤S9。中央处理单元20将基准反向键轨迹提供给运动控制器11，并使最左边的白键1b返回静止位置R。
随后，中央处理单元20从工作存储器22中读出离散值r1、e1、r2和e2，并通过使用方程式1来计算由于偏移值x而导致的噪声分量，如步骤S10。中央处理单元20将偏移值x存储在电可擦除和可编程存储器21中，如步骤S11。
当完成步骤S10处的工作时，中央处理单元20将键编号Kni与最大键编号“88”相比较，以查看是否为所有黑键和白键1a/1b确定了偏移值x，如步骤S12。当步骤S12处的答案给出为否定的“否”时，中央处理单元20返回步骤S3，并将键编号Kni增大1。当步骤S12处的答案给出为否定时，中央处理单元20重复由步骤S3至S12组成的循环，并积存黑键和白键1a/1b的偏移值x。
当偏移值x被存储在用于最右边的白键1b的工作存储器中时，步骤S12处的答案改变为肯定的“是”，并且中央处理单元20终止该子例程，即，返回主例程。
如果离散值r2、e2、r1和e1等于图4示出的表中的那些离散值，则偏移值x为“40”，并且将离散值r1和e1估计为800和400。离散值r1和离散值e1之间的比率是2∶1。在下文中，将任何弦槌位置和静止位置R之间的比率称为“位置比”。静止位置R具有50％的位置比。当把偏移值x加到离散值r2和e2上时，校准后的离散值等于100和50，并且校准后的离散值之间的比率也是2∶1。在此情形中，有可能将任何位置-电压特性上任何光量处的离散值AD移动到曲线A上。如果曲线C表示当前的位置-电压特性，则将偏移值“40”加到曲线C上的离散值上，并将校准后的离散值乘以8。这样，有可能估计曲线A上的离散值AD。
制造商在向用户交付之前将基准位置-电压特性和偏移值x存储在只读存储器21中。中央处理单元20周期性地对这88个黑键和白键1a/1b进行实验，以便确定校准比率，并将该校准比率存储在只读存储器21中。当用户记录他或她的演奏时，中央处理单元20校准离散值AD，并在校准后的离散值的基础上估计基准位置-电压特性上的离散值AD，并准确地确定当前弦槌位置。
系统初始化时的校准
当用户打开操纵板(未示出)上的电源开关时，中央处理单元20开始将电子系统初始化，并在系统初始化时按照下面所述来校准弦槌传感器26.如上文所述，弦槌行程为48毫米长.换句话说，当在静止位置处弦槌行程2为0时，终点位置处的弦槌与静止位置处的弦槌隔开48毫米.在每个弦槌轨迹上确定另外两个基准点.第一基准点与终点位置隔开8毫米，并用“M1”来标注.第二基准点M2与终点位置隔开0.5毫米.因此，第一和第二基准点M1和M2是关于终点位置的相对位置.
图6示出了在校准时由中央处理单元20执行的工作序列。首先，中央处理单元20从用于最左边的弦槌2的接口24取出静止位置处的离散值AD，并将该离散值AD存储在工作存储器22中。中央处理单元20从只读存储器21中读出偏移值x，并将偏移值x加到该离散值AD上，如步骤S13。该和数或校准后的离散值对应于图3中的值r，并且，校准后的离散值r被存储在工作存储器21中。
随后，中央处理单元20将校准后的离散值r乘以终点位置处的位置比，并确定终点位置处的校准后的离散值e，如步骤S14。在假定离散值AD处于曲线A上的情况中，位置比为50％，并且中央处理单元20通过将校准后的离散值r乘以0.5来确定终点位置处的校准后的离散值e。校准后的离散值e也被存储在工作存储器22中。
随后，中央处理单元20确定第一基准点M1处的位置比和第二基准点M2处的位置比，并将校准后的离散值r乘以第一基准点M1处的位置比和第二基准点M2处的位置比，如步骤S15。该乘积表示第一基准点M1处的校准后的离散值m1和第二基准点M2处的校准后的离散值m2，并且校准后的离散值m1和m2被存储在工作存储器22中。
对于其它黑键和白键1a/1b，中央处理单元20重复步骤S13至S15处的工作，并且校准后的离散值r、e、m1和m2被存储在工作存储器22中，如步骤S16。当校准后的离散值r、e、m1和m2被存储在用于所有黑键和白键1a/1b的工作存储器22中时，中央处理单元20前进到下一个初始化工作。如将在下文详细描述的那样，中央处理单元20参照校准后的离散值m1和m2来计算弦槌速度，并通过使用校准后的离散值m1和m2来确认对弦4的撞击。
这样，中央处理单元20通过将偏移值x加到离散值AD上来直接校准仅仅在静止位置处的弦槌传感器26。从减小中央处理单元20上的负荷的观点来看，这一特征是理想的。
对弦槌运动的分析
图7示出了用于分析弦槌运动的工作序列。在记录时，中央处理单元20周期性地重复用于分析弦槌运动的子例程。当钢琴家命令记录系统500记录他或她的演奏时，主例程周期性地分支到用于记录的子例程，并且对88个弦槌2的每一个执行用于分析弦槌运动的子例程，作为用于记录的子历程的一部分。
中央处理单元20首先从接口24取出指示目前关注的弦槌2的当前弦槌位置的离散值AD，如步骤S20.中央处理单元20从只读存储器21中读出偏移值x，并将该偏移值x加到离散值AD上，以便确定校准后的离散值AD’，如步骤S21.中央处理单元20在内部时钟中检查取出离散值AD的时刻TIME，并将校准后的离散值AD’和时刻TIME积存在图8A示出的表TBL1中.在工作存储器22中准备88个表，并将其分别分配给88个弦槌2.假设将图8A中示出的表TBL1分配给目前关注的弦槌2.表TBL1包含20个存储位置，并且分别将20个校准后的离散值AD’和时刻TIME对存储在这20个存储位置中.将新的校准后的离散值AD’和时刻TIME对积存在第一存储位置1中，并分别将校准后的离散值AD’和时刻TIME对移动到下一存储位置2-19.最旧的对被推出表TBL1.这样，在表TBL1中积存最新的20对校准后的离散值AD’和时刻TIME.
随后，中央处理单元20检查表TBL1，以查看弦槌2是否已经开始在弦槌轨迹上行进，如步骤S22。在此实例中，中央处理单元20将校准后的离散值AD’与校准后的离散值r相比较，并回答所述问题。如果中央处理单元20发现弦槌2处于静止位置，则答案给出为否定“否”，并且中央处理单元20返回步骤S20。这样，中央处理单元20重复由步骤S20至S22组成的循环，以便发现一个或多个弦槌2已经离开了静止位置。
假设钢琴家按下了与目前关注的弦槌2相链接的黑键或白键1a/1b。步骤S22处的答案给出为肯定“是”。对于肯定答案“是”，中央处理单元20前进到步骤S23，并将最新的校准后的离散值AD’与校准后的离散值m2相比较，以查看弦槌2是否经过了第二基准点M2，如步骤S23。如上文所述，第二基准点M2与终点位置仅隔开0.5毫米。当步骤S23处的答案给出为否定“否”时，弦槌2仍然在前往第二基准点M2的途中，并且中央处理单元20前进到步骤S25，而不进行步骤S24处的任何执行。出于此原因，中央处理单元20将弦槌状态标志st1保持为“非撞击状态”。
另一方面，当弦槌2到达或超过第二基准点M2时，步骤S23处的答案给出为肯定“是”，并且弦槌2被发现处于撞击弦4之前的瞬间。换句话说，有可能假定弦槌2将很快与弦4碰撞。这样，第二基准点M2充当该假定的阈值。
第二基准点M2使得有可能判别撞击弦4之前瞬间的弦槌2。校准后的离散值AD’指示靠近实际弦槌位置的弦槌轨迹上的位置，使得中央处理单元20可以准确地假定弦槌2的当前状态。
对于步骤S23处的肯定答案“是”，中央处理单元20前进到步骤S24，并将弦槌状态标志st1从“非撞击状态”改变为“撞击状态”。当弦槌2在静止位置和第二基准点M2之间的弦槌轨迹上行进时，弦槌状态标志st1指示非撞击状态。
随后，中央处理单元20检查表TBL1，以查看弦槌2是否改变了弦槌运动方向，如步骤S25。如上文所述，将一系列校准后的离散值AD’存储在表TB L1中。如果校准后的离散值AD’简单地朝着最新的校准后的离散值AD’增大或减小，则中央处理单元20判定弦槌2正在向终点位置前进或正在离开终点位置，并且步骤S25处的答案给出为否定“否”。然后，中央处理单元20返回步骤S20，并重复由步骤S20至S25组成的循环，直到该答案改变为肯定为止。
如果这一系列校准后的离散值AD’在某个取出时刻TIME达到最高点，则中央处理单元20判定弦槌2改变了弦槌运动方向，并且步骤S25处的答案改变为肯定答案“是”。中央处理单元20假设弦槌2在某个取出时刻TIME在弦4上反弹，并准备图8B中示出的表TBL2。表TBL2具有11个存储位置，其被分配给5对校准离散值AD’(-5)至AD’(-1)和时刻t(-5)至t(-1)、转折点处的校准后的离散值AD’(0)和时刻t(0)对、以及5对校准后的离散值AD’(1)至AD’(5)和时刻t(1)至t(5)。计算弦槌速度V(-4)至V(5)以及弦槌加速度a(-4)至a(4)，并分别将其写入这11个存储位置。假设弦槌运动是匀速的，并且中央处理单元20将每个点与前一个点之间的行程增量除以它们之间的时间增量。中央处理单元20通过对所计算的弦槌速度的微分来确定加速度。存在多种速度和加速度的计算方法。任何计算方法都可用于弦槌2。
可以在步骤S21与表TBL1一起准备表TBL2.可以在步骤S21计算速度和加速度.如果在步骤S21计算了速度，则有可能在表TBL2中的速度的基础上确定弦槌运动的方向.
当完成步骤S25处的工作时，中央处理单元20前进到步骤S26。步骤S26处的工作将在下文中参考图9进行描述。
当完成步骤S26处的工作时，中央处理单元20前进到步骤S27，并完成在分析结果基础上进行的其它工作。一个重要工作是要产生音符开事件代码和音符关事件代码。诸如被按下/释放的键的编号Kni和弦槌速度的乐曲数据被存储在如MIDI协议中定义的音符开事件/音符关事件中。
当产生乐曲数据代码时，中央处理单元20将该乐曲数据代码存储在工作存储器22中，并返回步骤S20。这样，中央处理单元20重复由步骤S20至S27组成的循环，直到钢琴家命令记录系统500完成记录为止。
转到图9，中央处理单元20首先访问表TBL2，并检查速度和加速度，以查看弦槌2是否改变运动方向，如步骤S30。详细地说，中央处理单元20分析从t(-5)到t(0)的速度和加速度，并确定朝向弦4的弦槌行为。随后，中央处理单元20分析从t(0)到t(5)的速度和加速度，并确定反弹之后的弦槌行为。中央处理单元20研究该弦槌行为，以查看弦槌2是否满足以下条件之一。
条件1：
在速度v(0)、v(-1)和v(-2)的值之一大于临界速度的情况下，中央处理单元20确认弦槌2足够快以撞击弦4，并假定弦槌2一定与弦4碰撞，其中，作为示例，所述临界速度为0.3m/s。
条件2：
在绝对值|a(-3)|、|a(-2)|、|a(-1)|、|a(0)|、|a(1)|、|a(2)|和|a(3)|组中绝对值|a(0)|最大的情况下，中央处理单元20假定弦槌2有可能与弦4碰撞。
条件3：
在中央处理单元20发现另一绝对值大于绝对值|a(0)|的情况下，即弦槌2不满足条件2，并且/或者在通过二次曲线逼近确定的速度v(0)几乎等于0的情况下，中央处理单元20假定弦槌2不撞击弦4存在较高的可能性。
当完成所述假定时，中央处理单元20根据弦槌2满足的条件将弦槌状态标志st2改变为假定的状态，如步骤S31。这样，该弦槌状态标志表示对应于条件1或条件2的肯定假定状态、或者对应于条件3的否定假定状态。或者，弦槌状态标志st2可以表示确认弦槌2一定与弦4碰撞的假定状态、弦槌可能与弦4碰撞的假定状态或者弦槌可能不与弦4碰撞的假定状态。
随后，中央处理单元20将弦槌状态标志st1和弦槌状态标志st2相比较，以查看在所述假定之间是否出现不一致，如步骤S32。如果假定状态st1与假定状态st2一致，则步骤S32处的答案给出为否定“否”，并且中央处理单元20返回由步骤S20至S27组成的循环。当发现不一致时，步骤S32处的答案给出为肯定“是”，并且中央处理单元20前进到步骤S33，并执行图10示出的工作。当完成图10示出的工作时，中央处理单元20返回由步骤S20至S27组成的循环。
转到附图的图10，中央处理单元20检查所述不一致，以查看该不一致被分类为哪种情况，如步骤S40。
情况1：弦槌状态标志st1表示“非撞击状态”，而另一弦槌状态标志st2表示肯定假定状态。
情况2：弦槌状态标志st1表示“撞击状态”，而另一弦槌状态标志st2表示否定假定状态。
当中央处理单元20将不一致分类为情况1时，中央处理单元20前进到步骤S41，并重新计算静止位置和终点位置之间的位置比，如步骤S41。详细地说，存储在弦槌状态标志st2中的肯定假定状态比存储在另一弦槌状态标志st1中的假定更可靠，这是因为该假定状态基于实际弦槌运动。中央处理单元20假定终点位置E处的校准后的离散值e小于终点位置处的真实值。较小的校准后的离散值e使基准点M2更靠近静止位置R。由于静止位置处的校准后的离散值r是在从模拟数字转换器24b的输出节点取出的离散值AD的基础上确定的，因此校准后的离散值r正确地指示静止位置R，并且静止位置R和终点位置E之间的位置比将是不可靠的。出于此原因，中央处理单元20重新计算静止位置R和终点位置之间的比。校准后的离散值AD’(0)正确地指示终点位置E。中央处理单元20确定校准后的离散值AD’(0)和静止位置处的校准后的离散值r之间的比，并将正确的位置比存储在电可擦除和可编程存储器21中。还在校准后的离散值r和新的校准后的离散值e的基础上重新计算基准点M1和M2处的校准后的离散值m1和m2。
当中央处理单元20将不一致分类为情况2时，中央处理单元20重新计算位置比，如步骤S42。详细地说，否定假定状态也比存储在弦槌状态标志st1中的假定更可靠。中央处理单元20假定撞击状态的原因在于终点位置E处的校准后的离散值e大于终点位置E处的真实值，并重新计算静止位置R和终点位置E之间的位置比。终点位置E处的真实值有可能小于校准后的离散值AD’(0)，使得中央处理单元20从校准后的离散值AD’(0)中减去预定数量。中央处理单元假设和数AD’(0-x)指示终点位置E，并确定校准后的离散值r和差AD’(0-x)之间的比。将校准后的离散值r和差AD’(0-x)之间的比存储在电可擦除和可编程存储器21中，作为静止位置R和终点位置E之间的位置比。随后，中央处理单元20重新计算基准点M1/M2处的校准后的离散值m1/m2。如果预定值x太大，则不一致再次发生，并且在下一次执行时将该不一致分类为情况1。
当完成步骤S41或S42处的工作时，中央处理单元20返回图9示出的工作序列。
如将从上面的描述理解的那样，中央处理单元20通过不同的过程两次假定对弦4的撞击，并将假定结果互相比较，以查看校准后的离散值e是否正确地指示终点位置E。即使弦槌传感器26的光发射元件由于老化衰退而改变了入射光-光电流转换特性，即，中央处理单元在步骤S21和S33处的工作中校准弦槌传感器26，使得弦槌传感器26准确地向中央处理单元20报告弦槌位置。由于乐曲数据代码是在由校准后的离散值表示的弦槌运动的基础上产生的，因此该乐曲数据代码准确地表示演奏，并且自动演奏器300可以以高保真度重演演奏。如果动作单元3由于老化衰退而改变了它们的尺寸，则动作单元3与黑键和白键1a/1b之间的相对位置也发生变化，并且终点位置E在所述轨迹上移动。即使这样，仍然通过步骤S33处的工作校准弦槌传感器26。
出于此原因，记录器500可以通过使用一组乐曲数据代码准确地表示键盘1上的演奏。
第二实施例
转向附图的图11，数据处理单元27A、电磁控制的键致动器5和弦槌传感器26A被合并在电子系统中，其中所述电子系统形成实施本发明的另一自动演奏器钢琴的一部分。实现第二实施例的自动演奏器钢琴还包括在构造上与原声钢琴100相似的原声钢琴。出于此原因，用指定原声钢琴100的对应组成部件的标号来标注该原声钢琴的组成部件，而为简单起见不做任何详细描述。
电子系统还充当自动演奏器300A和记录器500A。电磁控制的键致动器5与合并在第一实施例中的电磁控制的键致动器相似，并且除了接口24A以外，数据处理单元27A与数据处理单元27相似。然而，弦槌传感器26A与弦槌传感器26不同。出于此原因，在下文中将描述集中于接口24A和弦槌传感器26A。
在接口24A中没有合并任何运算放大器。尽管接口24A包括信号缓冲器、采样保持电路和模拟数字转换器24c，但在图11中仅示出模拟数字转换器24c。对于本领域技术人员来说，那些电路的电路行为是公知的，并省略详细描述。
分别为88个弦槌2提供弦槌传感器26A，并且每个弦槌传感器26A包括光耦合器26a/26b、可变电阻器26c和放大器26B。可变寄存器26c由电阻器阵列和选择器的组合电路实现，并且该选择器响应于从中央处理单元20提供的控制信号，以便有选择地将电阻器阵列中的抽头连接到发光二极管26a。将所发射的光通过光纤(未示出)传送到光辐射传感器头(未示出)，并且所辐射的光跨过相关联弦槌2的轨迹而延伸。所辐射的光入射到光接收传感器头(未示出)上，并且将入射光通过光纤(未示出)传送到光检测晶体管26b。光检测晶体管26b将入射光转换为光电流，并且通过电阻器26d将该光电流转换为输出电压。将该输出电压施加到放大器26B。
在此实例中，利用达林顿对(Darlington pair)来实现放大器26B，并且将输出信号或模拟弦槌位置信号从达林顿对提供给接口24A的信号缓冲器(未示出)。该信号缓冲器(未示出)将模拟弦槌位置信号传递给采样保持电路(未示出)，并且通过与第一实施例中的模拟数字转换器相似的模拟数字转换器24c将关于模拟弦槌位置信号的离散值转换为数字弦槌位置信号。由于双极型晶体管26e和26f被插入地和放大器26B的输出节点，因此由于基极-射极电压导致的偏移电压是不可避免的。这样，偏移电压被不可避免地引入模拟弦槌位置信号、以及第一实施例中的模拟弦槌位置信号。
图5、6、7、9和10中示出的子例程在中央处理单元20上运行，以便校准弦槌传感器26A的位置-电压特性。这样，通过第二实施例也获得了第一实施例的优点。
如将从上文的描述意识到的那样，确定偏移值x，并将其存储在数据处理单元27/27A中，并且合并在乐器中的数据处理单元27/27A通过使用偏移值x来校准位置-电压特性。出于此原因，即使老化衰退影响了光-光电流转换特性和/或原声乐器100的机械组件之间的相对位置，数据处理单元27/27A也使当前位置-电压特性与原始位置-电压特性一致，并在校准后的数据的基础上准确地进行数据处理。
尽管示出并描述了本发明的特定实施例，但是对本领域技术人员来说将清楚的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种改变和修改。
MIDI协议不对本发明的技术范围设置任何限制。可以将任意协议用于乐曲数据，只要该数据代码可以表示乐曲数据即可。
光位置变换器不对本发明的技术范围设置任何限制.任意种类的弦槌传感器，其可以是在日本专利申请公开第2001-175262号中公开的弦槌传感器中的一种.在弦槌传感器报告弦槌速度或加速度的情况中，数据处理单元20通过积分和微分来计算其它物理量.
弦槌传感器26的构造不对本发明的技术范围设置任何限制。可以分别为88个弦槌2提供多对光耦合器，并且在光发射元件和光检测元件之间跨过弦槌的轨迹而直接产生光束。
电磁控制的键致动器不对本发明的技术范围设置任何限制。气动致动器或电动机可以充当键致动器。
可以利用诸如例如位置和加速度或者位置、速度和加速度的另一物理量组合来表示目标键运动和当前键运动。因此，键位置和键速度不对本发明的技术范围设置任何限制。
在上述实施例中，在步骤S41或S42处校正位置比。可以通过算术运算来校正校准后的离散值e和r，或者可以校正离散值AD。
在步骤S30处的假定中的速度和加速度不对本发明的技术范围设置任何限制。可以仅为所述假定分析速度。在振动传感器监控弦4的情况中，中央处理单元20在振动传感器的输出信号的基础上假定对弦4的撞击。可以利用麦克风或频率分析器来代替振动传感器。
可以将校准后的离散值AD’用于对黑键和白键1a/1b的伺服控制。在此实例中，数据处理单元在校准后的离散值的基础上假定当前键位置，并将键位置数据提供给伺服控制器12。在此实例中，内置的活塞传感器5c对于伺服控制不是必需的，从而减少了生产成本。因此，使用校准后的离散值AD’的记录不对本发明的技术范围设置任何限制。
在上述实施例中，当前位置-电压特性是在静止位置R处的校准后的离散值AD’的基础上确定的。然而，静止位置R不对本发明的技术范围设置任何限制。可以在除了静止位置和终点位置R和E之外的轨迹上的预定点处的校准后的离散值AD’的基础上确定当前位置-电压特性。
离散值r1、r2、e1和e2不对本发明的技术范围设置任何限制。可以通过使用每条曲线B/C上多于2个点处的离散值来确定偏移值。在假定偏移值x时使用多于4个偏移值的情况中，可以将曲线B和C假设为非线性的。
可以通过使用逻辑电路而不是软件来完成偏移值x的假定和/或校准。
本发明可应用于键传感器、踏瓣传感器、制音器传感器和/或柄(shank)传感器。在将电子系统安装在诸如例如打击乐器、管乐器和弦乐器的另一种乐器中的情况下，将本发明应用于监控合并在该乐器中的操纵器的传感器。
权利要求语言与实施例的组成部件相关如下。弦槌2的每一个充当“移动对象”，并且电压转换器VR和可变电阻器26c充当“增益控制器”。弦槌位置是“物理量”，并且曲线B和曲线C分别代表“第一范围”中的离散值和“第二范围”中的离散值。弦槌传感器26/26A、包含模拟数字转换器24b/24c和运算放大器24a或放大器26B的接口24/24A、总线系统20B、中央处理单元20和在图5、6、7、9和10中示出的、在中央处理单元20上运行的计算机程序作为整体组成“变换器”。包含光耦合器26a/26b的弦槌传感器26/26A充当“转换器”，并且模拟数字转换器24b/24c和运算放大器24a或放大器26B作为整体组成“电路”。弦槌位置信号Vh和代表离散值AD的一系列代码分别对应于“模拟信号”和“数字信号”。中央处理单元20与图5、6、7、9和10中示出的计算机程序作为整体组成“校准器”。
中央处理单元20与步骤S4、S5、S6、S7、S8和S9处的工作作为整体组成“数据收集器”，中央处理单元20与步骤S5和S8处的工作作为整体组成“移位器(shifter)”，并且中央处理单元20和步骤S10处的工作作为整体组成“信息处理器”。
中央处理单元20和步骤S13处的工作充当“计算器”，并且中央处理单元20与步骤S14和S15处的工作充当“估计器”。终点位置E由关于静止位置的2∶1的“位置比”表示。弦槌状态st1和st2对应于“第一当前状态”和“第二当前状态”。中央处理单元20与步骤S20-S25、S30-S32和S40-S42处的工作作为整体组成用于重新计算终点位置和基准点处的校准后的离散值的“校准器”。
黑键和白键1a/1b、动作单元3和弦槌2组合形成“多个链接构件”，并且弦槌2对应于“特定链接件”。
弦槌2的每一个充当“对象”，并且曲线B和曲线C分别代表“第一电势范围”中的离散值和“第二电势范围”中的离散值。