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如何利用单片机模拟Switch控制器自动完成鬼难度6星的《恋》曲目？

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2021-9-18 07:50:28　　评论淘帖0 邀请回答您可以邀请以下用户，快速回答问题 × liutiefu 该类别下有 13 个回答。邀请回答 kasdlak 该类别下有 11 个回答。邀请回答 yuxiangxyz 该类别下有 11 个回答。邀请回答 fansz 该类别下有 10 个回答。邀请回答 szj0213 该类别下有 10 个回答。邀请回答 dfgsdf 该类别下有 10 个回答。邀请回答 uuwyfsdfsf 该类别下有 10 个回答。邀请回答悬崖勒马2 该类别下有 9 个回答。邀请回答 gXDhn 该类别下有 9 个回答。邀请回答剪刀脚该类别下有 9 个回答。邀请回答胡扯123 该类别下有 9 个回答。邀请回答乔伊斯e 该类别下有 9 个回答。邀请回答山中老虎该类别下有 9 个回答。邀请回答哥儿该类别下有 9 个回答。邀请回答 jiuri1989 该类别下有 8 个回答。邀请回答 uvysdfydad 该类别下有 8 个回答。邀请回答邓长生该类别下有 8 个回答。邀请回答程序诗人该类别下有 8 个回答。邀请回答 lining870815844 该类别下有 8 个回答。邀请回答 pingnai 该类别下有 8 个回答。邀请回答举报李凤津相关推荐 • 如何利用单片机C51设计自动打铃器？ 1442 • 怎样实现基于51单片机的自动电梯控制模拟系统设计？ 910 • 如何利用AVR单片机设计一智能风扇控制器？ 2484 • ARM和单片机的区别 5064 • 请问怎样去设计一种基于AVR单片机的智能风扇控制器？ 1068 • 请问单片机如何控制nand flash 4549 • 基于单片机的温湿度控制器 3513 • 只有6个引脚的AVR单片机ATtiny10微控制器可以玩RunTiny游戏吗？ 698 • 单片机8路模拟量采集，4个继电器控制，GPRS传输 5652 • 怎样去设计一种基于单片机的汽车车门节点控制器呢 952 1个回答

答案对人有帮助，有参考价值 0 一、前言 1.1 项目由来前些天，在b站上看到有人分享单片机模拟NS手柄，在《精灵宝可梦》、《异度之刃》等游戏中实现自动操作的视频。我是个有着多年“鼓龄”的太鼓达人玩家，于是产生想法，将该方案用于自动完成太鼓达人曲目，实现类似TAS的效果。经过一周的实验，取得了一定的成果：开发板通过USB TypeB转TypeC转接线连接至Switch游戏机的USB接口上，系统能够在操作者手动给出曲目开始信号（按下按键模块上的特定按键）的情况下，自动完成鬼难度6星的一首曲目，获得了“全良”的成绩，验证了方案的可行性。展示视频如下： [自制] 单片机模拟Switch控制器_半自动完成太鼓达人曲目《恋》_20200224 备用链接下面将简单介绍我的完成过程 1.2 前期调研工作项目参考了以下链接中的内容： “当单片机取代橡皮筋——解放双手，放飞双眼，我的宝可梦自动化成果” “在 Switch上使用 Arduino Uno R3 开发板模拟连续 A 键” 此类项目基本是基于：https://github.com/progmem/Switch-Fightstick 二次开发而成。其中，单片机模拟USB功能的实现，主要依靠LUFA开源框架的使用，它可以让AVR单片机模拟成想要的USB设备。移植工作并不复杂，初始化函数无需自己修改；只需要自行编写业务代码即可。 1.3 测试曲目选择测试曲目的选择方面：不能过于简单，否则达不到验证的目的。曲目在“鬼”难度中选择；为方便验证，简化编码工作，曲目速度不能过快或存在过多变化。最好是一个速度从头到尾；所选曲目不可过长，否则一方面会带来很多编码工作，另一方面也会受到单片机存储空间的限制。综合考虑，选择了鬼难度的《恋》这首曲目。这首曲目是日剧《逃避可耻但有用》的片尾曲，官方难度为鬼6星，速度为BPM158，全曲不变。曲目基本涵盖了常用的节奏型，复杂度适中，适合验证使用。二、项目实现 2.1 硬件平台硬件平台为ARDUINO UNO R3开发板。特别要指出的是，此次开发中使用的是开发板上用作USB接口芯片的ATmega16U2（下图中红框圈出），并不是常规情况下用来开发的核心芯片ATMEGA328P。为避免干扰，减少功耗，可以将其从开发板上去除（下图中绿框圈出）。通过研究硬件原理图可以发现，板子上的TX、RX两颗LED是连接在ATmega16上的，可供我们使用，项目中将用它来指示演奏音符的种类（鼓心、鼓边）；同时，开发板上还提供了一些排针，连接至单片机的IO口上。我们将用来连接外部按键模块，用于输入。开发板原理图中ATMEGA16U2相关部分如下：完成搭建的测试系统如图所示： 2.2 工具链及开发环境单片机程序的编译环境为WinAVR-20100110，在windows和Linux下均可使用。为开发方便，本项目选择在Windows系统下进行开发。本工程没有现成的集成开发环境（如Keil、Visual Studio等）可以使用，必须手写makefile，通过终端执行make指令进行编译。于是，本项目的软件开发工作选择宇宙第一的文本编辑器——微软Visual Studio Code进行。不但代码编辑、makefile编辑非常方便，还自带终端，可以随时进行生成（make）、清理（clean）等操作，如下图。项目进行make（生成）操作后，会生成用于执行的hex文件。下载hex文件使用Flip软件，通过USB线连接开发板和电脑，之后手动短接单片机的RESET引脚和GND（地）（如下图），待系统将设备枚举成功后，再进行下载，如下图。 2.3 软件实现 2.3.1 软件流程设计拟定软件工作流程如下：初始化（IO初始化、USB初始化等）。完成初始化后，循环执行以下 2 3 两项工作：单片机持续检测按键模块上的SW1按键（连接至单片机PB2引脚），如果按下，则向Switch输出“A键按下”指令。即，用按键模块的SW1按键，模拟了Switch的A键。安排此功能，主要用于在菜单中进行曲目和难度的确认；以及演奏完毕的成绩确认。单片机持续检测按键模块上的SW4按键（连接至单片机PB1引脚），如果按下，则立即调用“演奏”函数，按照程序的设计，向Switch有序发送按键信号，进行曲目的演奏。接下来介绍软件实现过程中的几个关键点 2.3.2 音符时长标定 ·音符和休止符曲目的完成，实际上就是按照谱面演奏音符和休止符。具体到该项目，进行设计如下：音符的演奏为，输出相应的按键信号（鼓心“咚”音色输出B键、鼓边“咔”音色输出A键），之后，等待（延时）一定的时间，使得时值完整；休止符的演奏为，按照正确的时值，等待（延时）一定的时间。为实现上述功能，我们首先要得到“一次输出动作”的最短时间。 ·单次输出动作实验结果我们在只使用B键用于输出“咚”音色，只使用A键用于输出“咔”音色的情况下，要完成一次完整、无误判的按键信号输出动作，需要进行以下步骤（以输出一次B键为例）： HID_Task(B); USB_USBTask(); _delay_ms(10); _delay_ms(10); HID_Task(PAUSE); USB_USBTask(); _delay_ms(10); _delay_ms(10); 首先调用一次HID_Task(B)及USB_USBTask()函数进行输出，之后延时20毫秒；之后调用HID_Task(PAUSE)及 USB_USBTask()输出一个“PAUSE”信号，再延时20毫秒。总共需要40毫秒左右。 ·使用逻辑分析仪进行音符时长标定在明确了上述信息后，我们就可以对曲目中使用的音符、休止符进行标定了。曲目速度为BPM158,4/4拍。经过计算，得到如下结果：四分音符、休止符时长为379.7毫秒（一拍）八分音符、休止符时长为189.87毫秒十六分音符、休止符时长为93.9毫秒三十二分音符、休止符时长为47.46毫秒。曲目中的滚奏（“黄条”）暂定使用三十二分音符演奏为减少编码量，节约存储空间，本项目中，使用毫秒作为最小计时单位。以演奏四分音符的“咚”音色为例，我们应当进行的操作如下：首先输出一次B键，约40毫秒；再延时379.7-40 ≈ 340毫秒。演奏四分休止符时，应进行的操作如下：延时379.7-40 ≈ 340毫秒。由于毫秒级延时精度有限，我们需要对实际的输出时间进行测量，以得到不同音符的误差，便于进行补偿。由于家中条件所限，没有示波器，我们使用逻辑分析仪进行标定工作，用以确定“演奏音符”操作中，完成按键输出后，需要延时的毫秒数；以及“演奏空拍”操作中，需要延时的毫秒数。完成连接的硬件如下图所示：逻辑分析仪通过杜邦线，连接至单片机的IO口。测量时可以先将该IO口拉低，然后进行待测操作，之后再将IO口拉高。低电平的持续时间即为待测操作占用的时间。IO口翻转占用的时间为微秒级别，忽略不计。下图为测量上个章节提到的“单次按键输出”操作的结果图。从波形中可以看出，低电平（待测操作）持续时间为40.0733毫秒。经过测试，我们可以得到各音符、休止符演奏时的实际时间，如下表所示（单位毫秒）。我们根据测量结果，首先对部分延时的毫秒数进行修正，并记录下修正完毕依然残留的误差。 2.3.3 曲谱数据建立及演奏函数设计进行如下设计：用16位整数（unsigned short int）组成的数组来描述曲目。数字“1”表示演奏“咚”音色，数字2表示演奏“咔”音色，数字“5”表示曲目结束。其余数字则表示延时相应的毫秒数，如378表示将会调用_delay_ms()函数延时378毫秒。为方便编码，设计宏定义如下： //休止符#define R4 (378) #define R8 (189)#define R16 (95)#define R32 (47) //演奏音符 1为演奏don 2为演奏ka #define PLAY_DON 1#define PLAY_KA 2#define HITDUR (40)#define D4 PLAY_DON,(R4-HITDUR+1) //修正#define D8 PLAY_DON,(R8-HITDUR)#define D16 PLAY_DON,(R16-HITDUR)#define D32 PLAY_DON,(R32-HITDUR)#define K4 PLAY_KA,(R4-HITDUR) #define K8 PLAY_KA,(R8-HITDUR)#define K16 PLAY_KA,(R16-HITDUR) 曲目方面，图片格式的曲谱可以在太鼓达人wiki上获得，如图所示：以前四小节为例，图中所示为：在乐理上表示的意义为（谱例中普通符头为表示“咚” ×型符头表示“咔”，由于例程中没有给出左手上下左右按键的输出方法，所以大音符简化为同音色小音符处理）：按照前述宏定义，则前四小节编码为： const unsigned short music[] PROGMEM = { //M1 D4, K4, D4, K4, //M2 D4, K4, D8, K16,K16,K8, D8, //M3 D4, D4, D8, K8, K8, D8, //M4 R8, D4, D4, K8, K16,K16,K16,K16, 代码中为方便查看，以小节为单位分行编写。依次类推，完成整首曲目的编码。要注意的是，由于单片机的内存空间极其有限（仅512Byte），所以该数组不能像普通变量一样放在RAM中，而必须存放在FLASH中。数组定义时需要加入PROGMEM宏进行标志。演奏函数设计为：在遇到结束标志之前，从数组中依次取出数字，判断数字并做出相应的动作。代码如下： void play(void){ unsigned short i = 0; while(1) { if( pgm_read_word(&music) == PLAY_DON) { PLAY_DON_B(); //通过B键演奏“咚”音色 } else if(pgm_read_word(&music)== PLAY_KA ) { PLAY_KA_A(); //通过A键演奏“咔”音色 } else if (pgm_read_word(&music) == MUS_END) { break; } else { _delay_ms(pgm_read_word(&music)); } i++; }//while(1)}//play() 为了访问FLASH中的数组数据，必须使用pgm_read_word()函数。相应的音色演奏函数如下（以PLAY_DON_B()函数为例）： void PLAY_DON_B(void){ RXLED_ON; HID_Task(B); USB_USBTask(); _delay_ms(10); _delay_ms(10); HID_Task(PAUSE); USB_USBTask(); _delay_ms(10); _delay_ms(10); RXLED_OFF;} 在演奏时，通过宏定义RXLED_ON、RXLED_OFF，操作IO口，使用了LED进行指示。演奏“咚”时，使用的是RXLED；相应的，在PLAY_KA_A()函数中，使用的是TXLED。 2.3.4 时间误差补偿由于选择的最小时间单位为仅为毫秒，误差会随着演奏过程不断积累，导致后半段演奏出现问题。所以，应当统计各段落的误差，进行补偿。曲目中各音符单独导致的误差是已知的，我们将各个片段的音符进行统计，计算总误差，再拟定各段落中补偿修正的毫秒数，将累计残余误差控制在1毫秒以内。如下表所示（单位毫秒）：例如，前8小节中，经过统计，按照现有程序演奏完后，会比实际时间多出3.19毫秒。为了尽可能减少误差，就需要在8小节中平均的分配出用于补偿的-3毫秒。补偿时尽量选择时长较长的休止符。完成补偿的前八小节编码如下： const unsigned short music[] PROGMEM = { //M1 D4, K4, D4, K4, //M2 D4, K4, D8, K16,K16,K8, D8, //M3 D4, D4, D8, K8, K8, D8, //M4 R8, D4, D4, K8, K16,K16,K16,K16, //M5 D4, R4-2, R8, D4, R8, //M6 D4, R8, D4, R8, K4, //M7 D4, R4-1, R8, D4, R8, //M8 D4, R8, D4, R8, K4, 以此类推，完成整首曲目的误差修正。 2.3 实验验证完成开发后进行验证实验。先在游戏的“曲目选择”中，将光标放到待选曲目上，连接开发板和Switch游戏机，待USB设备枚举完成后，按动按键模块上的SW1，代替Switch的A键，进行曲目和难度确定。进入曲目后，在合适的时机，手动按动SW4按键，启动输出流程。经过测试，只要首个音符能够抓出“良”，那么整首曲目基本可以保证全良。测试成绩如图所示：理论上，只要单片机存储空间足够，使用该系统可以全良《太鼓达人Switch版》上任意一首曲目。三、后记后续可以改进的点（咕咕咕）：描述曲目用的数据结构可以优化。为减少误差，可改成使用两个unsigned short int变量表示一次延时，分别用来表示毫秒级延时和微秒级延时，同时相对应的修改演奏函数。启用微秒级的延时，可大大减少误差，减小误差补偿方面的工作量。理论上可实现为全自动系统。将Switch的视频信号通过采集卡采集至上位机，上位机编写实时图像处理软件，用以检测第一个音符，在合适的时机通过串口向开发板发送开始信息，以代替人手操作。已有大神在《精灵宝可梦》中实现该技术方案。项目完成后，我颇有些感慨。太鼓达人这款游戏，给予了我太多，改变了我太多。还记得上大学时，经常在街机厅忘我地练习，一有时间就和同好们愉快地交流、竞技。战胜过自己，也取得过成绩。甚至因为太鼓，开始与音乐结缘。它让我知道了自己的可能性，也让我了解了自己的天花板。曾几何时，也曾希望自己能够像传说中的大神们那样，鲜衣怒马，全良数百首曲目，功德圆满。怎奈天资不足，又没有条件保持一定强度的训练，只好安心当一名娱乐玩家。现在，通过自己完成的单片机系统，代替自己来实现全良的梦想，也算是对自己的一种交代。欢迎交流联系方式 gurn@tju.edu.cn 617442575@qq.com

2021-9-22 14:52:28 评论举报李红