1. 概述
随着计算机软硬件技术的发展，越来越多现实物品的功能能够由计算机实现。信号发生器原本是模拟电子技术发展的产物，到后来的数字信号发生器也是通过硬件实现的，本文将给出的则是通过计算机软件实现的数字信号发生器。
目前有许多功能强仿真软件(如LabView、EWB)提功了各种模拟信号发生器的功能，从而并没有多少人专门去开发数字信号发生器软件，即使是特殊功能的信号发生器也是基于仿真软件完成的，但是数字信号发生器的软件模块可以用来开发一些别的软件，如数字电子琴。数字电子琴的编程实现已经有许多人已经做过了(例如基于BASIC的模拟电子琴[1])，也出现了很多功能较强大的模拟电子琴软件，如HappyEO、MidiPiano等。
2. 软件设计
2.1. 软件的功能
软件的功能由数字信号发生器和数字电子琴两部分组成。
(1)数字信号发生器的功能
能够产生正弦波、方波、三角波等常见的波形的数字信号，并且提供了图形界面用于选择波形、频率、幅值与相位。能够根据用户指定的波形和参数产生相应的数字信号，然后将数字信号写入声卡的缓冲区，最后由声卡播放出相应的声音。
(2)数字电子琴的功能
数字电子琴的功能是基于数字信号发生器的，通过调用数字信号发生器产生一系列指定的频率的声音，从而达到虚拟的电子琴的功能，界面中包含A、B、…、O共15个琴键，鼠标按下时即发声，松开时发声停止。
2.2. 设计原理
数字信号发生器的功能就是将数字信号通过D/A转换变成所需要的模拟信号。由于声卡本身具有D/A转换的功能，从而可以利用声卡在计算机了模拟信号发生器。
声卡的D/A转换机理是定时将声卡缓冲区中的内容转换成模拟信号并输出，所以软件所做的即是向声卡缓冲区中写数据。以正弦信号为例，其模拟信号计算公式如下
为了实现数字信号的发生，在程序中先根据式(2)计算出需要存放到缓冲区的数据，以数组的形式存放，然后将数据放入声卡的缓冲区。
对于其它波形，可以用类似方法实现。
对于方波，
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式(3)
对于三角波，
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式(4)
式中，x=fn/Fs+φ/2π。
软件的流程如图 1所示。
图 1 数字电子琴的流程图
2.3. 模块划分
模块化就是把程序划分成独立命名且可独立访问的模块，每个模块完成一个子功能，把这些模块集成起来构成一个整体，可以完成指定的功能满足用户需求。根据人类解决一般问题的经验，如果一个问题由两个问题组合而成，那么它的复杂程度大于分别考虑每个问题时的复杂程度之和，也就是说把复杂的问题分解成许多容易解决的小问题，原来的问题也就容易解决了。这就是模块化的根据。
在模块划分时应遵循如下规则[2]：改进软件结构提高模块独立性；模块规模应该适中；深度、宽度、扇出和扇入都应适当；模块的作用域应该在控制域之内；力争降低模块接口的复杂程度；设计单入口单出口的模块；模块功能应该可以预测。
本着上述的启发式规则，对软件进行如图 2所示的模块划分。
图 2 数字电子琴的模块划分
各模块的实现将结合具体语言进行介绍。
3. VC编程实现
在VC中，MFC为界面设计提供了方便，本文采用MFC进行软件的实现。
3.1. 界面设计
根据软件的功能需求，可以设计如图 3所示的主操作界面。
图 3 数字电子琴的界面
主要包括三个部分：第一个是琴键区，包含从A到O共15的音键，为了使程序易于扩充，音键应做成动态按钮；第二个是参数设置区，用于选择波形、频率、幅值和相位；第三个是图形显示区，用于显示波形。
3.2. 类的设计
在VC中新建一个基于对话框的MFC应用程序(工程名为DigitPiano)时，VC会自动生成三个类：CAboutDlg，CDigitPianoApp，CDigitPianoDlg。为了功能的实现，本文添加了三个类：CSound，CPlayButton，CSoundButton。下面分别介绍添加的三个类。
3.2.1. CSound类
声卡有一个声音缓冲区，这里面的内容就是要输出波形信息。声卡每隔一定时间就把缓冲区的数据通过D/A转换器变成模拟的音频信号输出。在windows下，访问这个缓冲区的标准方法就是通过directX的directSound，在这里你即可以直接向缓冲区写数据，也可以先写到directsound的声音缓冲区，在由操作系统将其送到声卡的缓冲区播放。directsoound的缓冲区是环形的，所以，你只要向其中填写一次数据，系统就会不断地将其反复送到声卡的缓冲区中。
由于访问声卡的缓冲区是比较底层的操作，而且有许多参数需要设置，为了使发声操作变得容易，需要设计一个CSound类，将与发声有关的操作封装起来。该类的定义如下：
#include <mmsystem.h>
#pragma comment(lib,"Winmm.lib")
#define SAMPLE_RATE 11025
#define OUT_BUFFER_SIZE 80000
#define PI 3.141592653589793
enum SOUNDTYPE{ST_SIN,ST_SQUARE,ST_TRIANGLE};
class CSound
{public:
UINT StartAudio(int AudioDuration,int freq,char amp=127,float phase=0.0);
UINT StopGen(void);
void FillBuf(SOUNDTYPE soundtype,int freq,char amp,float phase);
UINT GenFreq(void);
UINT PrepareDevice(UINT uDeviceID);
UINT CloseDevice(void);
CSound();
virtual ~CSound();
char *buf;
protected:
MMRESULT mmres;
HWAVEOUT ghwo;
WAVEFORMATEX *pwfx;
WAVEHDR pwh;
};
可以看出，该类包含有5个成员变量，其中一个是缓冲区指针buf，另外四个用于初始化设备与关闭设备。
对声卡的初始化工作主要包括：(1)向WAVEFORMATEX与WAVEHDR结构体中加入相关参数；(2)执行waveOutOpen函数以指定参数打开音频设备，获得音频输出设备资源；(3)为buf分配动态内存空间；(4)执行waveOutPrepareHeader函数为第2步获得的资源配缓冲区。具体操作很复杂，CSound类将其封装为一个初始化函数PrepareDevice。
对buf的操作，CSound类将其封装为FillBuf函数，功能是将指定波形、频率、幅值和相位的数字信号写入buf中。以下是该函数的源码。可以看出，该函数主要由三部分组成，分别用于实现正弦波、方波、三角波，具体算法在2.2中已经给出。
void CSound::FillBuf(SOUNDTYPE soundtype, int freq, char amp, float phase)
{ double fAngle=0.0;
int i;
if(amp>127)amp=127;
if(amp<0)amp=0;
switch(soundtype){
case ST_SIN: //生成正弦波
for(i=0;i<OUT_BUFFER_SIZE;i++)
{ buf[i]=(char)(amp*sin(fAngle+phase));
fAngle+=2*PI*freq/SAMPLE_RATE;
if(fAngle>2*PI)fAngle-=2*PI;
}
break;
case ST_SQUARE: //生成方波
for(i=0;i<OUT_BUFFER_SIZE;i++)
{ buf[i]=(char)(amp*sin(fAngle+phase));
if(buf[i]>0)buf[i]=amp;
else buf[i]=-amp;
fAngle+=2*PI*freq/SAMPLE_RATE;
if(fAngle>2*PI)fAngle-=2*PI;
}
break;
case ST_TRIANGLE: //生成三角波
double x=phase/2/PI;
x=x-(int)x;
for(i=0;i<OUT_BUFFER_SIZE;i++)
{ if(x>=0&&x<=0.5) buf[i]=(char)(amp*(1-4*x));
else buf[i]=(char)(amp*(4*x-3));
x+=(double)freq/SAMPLE_RATE;
if(x>1)x-=1;
}
break;
}
}
另外还有几个主要成员函数是GenFreq、StopGen、CloseDevice，分别用于开始发声、停止发声、关闭音频设备以释放资源。其中CloseDevice在析构函数中被调用。
3.2.2. CPlayButton类
设计CPlayButton类的目的是响应鼠标按下与鼠标松开两个消息，因为MFC中直接使用CButton类是不能单独响应鼠标按下与鼠标松开两个消息的。因此在该类中添加了两个消息响应函数OnLButtonDown和OnLButtonUp。
由于该类的对象都被初始化为CDigitPianoDlg的子窗口，故在两个新的成员函数中用GetParent获得父类对象指针。另外，在CDigitPianoDlg类中，定义了一个CSound类型的成员变量m_sound，所以可以两个新的成员函数可以访问m_sound。下面给出代码。
在OnLButtonDown中加入以下代码。
CDigitPianoDlg *pParent=(CDigitPianoDlg *)GetParent();
pParent->m_sound.FillBuf(pParent->m_soundtype,pParent->m_frequency,
pParent->m_amp,(float)pParent->m_phase);
pParent->m_sound.GenFreq();
pParent->Invalidate();
在OnLButtonUp中加入以下代码。
((CDigitPianoDlg *)GetParent())->m_sound.StopGen();
可以看出，按钮按下时调用GenFreq发声，松开时调用StopGen停止发声。该类的对象对应于图 3中的“播放”按钮。
由于CSoundButton是以CPlayButton为基类，且将会重载其中一个成员函数，为了程序便于扩充，将两个新增成员函数都申明为虚函数。
3.2.3. CSoundButton类
该类是为动态生成音键的需要而定义的。由于也要响应鼠标按下与鼠标松开两个消息，故以CPlayButton类为基类。由于每个音键对应一个频率，故加入无符号整型成员变量m_frequency，相应的需要加入SetFrequency函数来为该变量赋值。另外，需要重载OnLButtonDown函数，主要是将FillBuf中的频率参数从pParent->m_frequency改为m_frequency，从而发出自己的频率对应的声音。
3.3. 主控程序的实现
主控程序主要包含三部分内容，初始化、参数输入和图形显示，都是在CDigitPianoDlg类中实现的。
(1)初始化。在OnInitDialog函数中，加入以下代码。可以看出功能是音频设备的初始化、部分变量赋初始值和动态创建音键
m_sound.PrepareDevice(WAVE_MAPPER);
m_SoundButtons=new CSoundButton[NUM_OF_SOUND_BTN];
for(int i=0;i<NUM_OF_SOUND_BTN;i++)
{ CString str;
str.Format("%c",'A'+i);
m_SoundButtons[i].Create(str,WS_CHILD|WS_VISIBLE|BS_PUSHBUTTON,
CRect(25*i,10,25+25*i,100),this,8888+i);
m_SoundButtons[i].SetFrequency(FreqTable[i]);
}
((CComboBox *)GetDlgItem(IDC_TYPE))->SetCurSel(0);<