Made with KiCad（139）：Canta-Cart触摸式卡片拇指琴-电子发烧友网

“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。”

?Made with KiCad 系列将支持新的展示方式。直接将以下链接复制到浏览器中(或点击“阅读原文”)：https://www.eda.cn/ecadViewer/viewerPage/?xmlId=52f314b6-e02d-4747-bc15-5cd0527847bc&fileZip=%2Fdata%2Fdesign%2Fdemo%2F52f314b6-e02d-4747-bc15-5cd0527847bc.zip即可动态查看设计的原理图、PCB、3D 及 BOM，查询设计中器件、走线、焊盘的属性详情。还可以在原理图中与AI小助手互动，帮您更高效地学习设计细节：

概览

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：

https://ayu.land/canta-cart/play

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。

其背后的原理是，大多数旋律（在与西方调性理论相兼容的音乐文化中）在短时间内通常跨越大约十度以内的音域，这是由于人声的音域范围以及乐器和作曲往往模仿和唤起人声的方式所决定的。因此，十个音键通常足以重现大多数旋律。在需要的情况下，移调按钮可以通向十音大调音阶之外的音高，覆盖其余情况，并为和声、音乐织体等创造丰富的机会，从而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：

https://github.com/ayuusweetfish/Canta-Cart/blob/master/fw/src/main.c

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VIH=k?VCC以上（典型值k=0.7），所需的时间为?ln?(1?k)?RC?ln(1?k)?RC，与感应电容CC成线性关系。

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 I?S 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

性价比是本次设计中的首要考量。这导致了一些看似奇怪的选择，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。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，因此上述即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，电子制作仅是我在设计学之外的副业，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。当然每个人的情况也会不同啦。）

微控制器是装置的核心部件，通常也占据物料成本中的很大比例。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。

我在中国，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（小批量对应的阶梯价格）。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。

音乐从来不是谁的专属话语。全世界音乐梦想家，联合起来！