用通用单片机制作MIDI键盘

用通用单片机制作MIDI键盘

作者:徐斌

    MIDI是电子乐器的语言,随着MIDI的诞生,数字化电子乐器已经越来越多,MIDI的应用也越来越普遍,在电子乐队演奏,电子音乐制作等各个领域,发挥着越来越大的作用。随着计算机技术的发展,声卡已经成为普通计算机的标准设备,通过声卡的MIDI接口,可以连接各种各样的MIDI设备。连上专供输入的MIDI键盘,再配上相应的软件,计算机就可以完成电子琴的功能,甚至可以进行电子音乐的制作。由于 MIDI自身的特点,它形成的音乐易于进行后期制作,越来越为广大音乐工作者所喜爱,而MIDI键盘作为输入最有效的工具,也越来越普及。

有些计算机音序软件支持用电脑键盘模拟琴键,可通过计算机键盘将音符输入计算机,有爱好者就用电脑键盘的控制芯片改装玩具电子琴,将其并接在计算机键盘上,称之为电脑琴,但这种控制芯片本身并不是为演奏音乐开发的,单音演奏还可以,在多个按键压下时会出错。本文将介绍如何用通用单片机实现MIDI键盘功能,并改装各种电子琴,与计算机连接,从而实现通过MIDI接口,把电脑变成真正的,可支持复音的电子琴。

 MIDI信号及声卡的MIDI接口

MIDI 是一种异步串行通讯协议,其传输速率为31.25 K baud (每秒31250),每个字节包括10 位,1个起始位,8个数据位,1个停止位,每个音符的开(或关)命令有3个字节,经计算,不到1mS即可传输一个音符的开关命令。MIDI的数据流是单向的,不进行应答,设备发送音乐信息时,不管接收设备的状态,而接收设备收到的信息,经校验正确的则执行,错误的就忽略——这样规定是由音乐本身的特点决定的,可以丢掉音符,但不能搞错节拍,实时性最优先。从物理层面上看,MIDI信号是电流传输的,5mA代表逻辑“0”,0mA代表逻辑“1”。MIDI设备连接时,必须将输出与另一设备的输入连接。

 1 典型的多个MIDI设备连接方式

 

  计算机声卡的MIDIGAME接口是15针的D型连接器,其中与MIDI相关的有:

1     +5V               +5 VDC

4     GND                

12    MIDITXD             MIDI 输出    

15    MIDIRXD             MIDI 输入   

声卡上的 MIDI/GAME接口

二、 单片机如何产生MIDI信号

本节介绍如何用目前在国内处于最主流地位的51系列单片机产生MIDI信号。实际上,这包含了两层意思 :1.如何产生符合 MIDI协议的串行数据。2.接口电路。

绝大多数51系列单片机都有串行通讯控制器(UART,配合合适的晶振,正确地设置UART的工作参数,就能够自动产生所需的串行数据。使用定时/计数器1(T/C1)作为波特率发生器。将串行口设置为方式1工作状态(10位异步收发,波特率由定时器控制),使用6MHz晶振,T/C1设为自动装入8位计数器状态(TMOD置为2xH),SMOD1TH=FFH,此时正好发生31.25K的串行通讯数据,适用于MIDI协议。

串口及定时/计数器初始化如下:(C语言例程,下同)

void format();

    { TMOD=0x21;    //T/C1工作于8位自动装入状态//

           TL1=0xff; TH1=0xff ;  // T/C1常数,确定波特率//

            SCON=0x50 ;       //设串口工作于方式1,//

         PCON=0x80 ;         //相当于SMOD=1;//

         TR1=1;            //T/C1开始计数//

}

 

MIDI协议中,每一次音符操作,命令包含3个字节,连续发送,依次为 “命令+通道号”,“音符”,“力度”。命令的第一个字节的最高位为1,通道为0-16,第二字节最高为位0,音符号为0-127,第三字节最高位为0,力度0-127。

发送一个音符命令:(参数 cc,kk,vv分别为“命令+通道号”,“音符号”,“力度”)

 

void send(uchar cc,kk,vv)

 {   TR1=1;      //开计数器//

 SBUF=cc;    //写入寄存器//

 while(TI==0); //等待发送结束//

 TI=0;        //清发送标志//

    SBUF=kk;

 while(TI==0);

    TI=0;

    SBUF=vv;

 while(TI==0);

   TI=0;

TR1=0;

}

 

MIDI命令简表

命令代码

cc

命令说明

数据kk含义及说明

数据vv含义及说明

8+ 通道号

关闭音符

  对应的MIDI音符0127

关闭音符的速度值

9+ 通道号     

开启音符

对应的MIDI音符0127

    压下琴键的速度值(力度)

A+ 通道号

触后压力

  对应的MIDI音符0127

    对应音符的触后压力值

B+ 通道号

控制器

  控制器号077

  777F为通道模式信息

    控制器值

C+ 通道号

音色切换

  音色号 0127

    无该字节数据

D+ 通道号

通道压力

 该通道全部键盘的触后压力

    无该字节数据

E+ 通道号

弯音轮

 弯音轮低位数据

弯音轮高位数据

F

系统普通信息、实时信息、及高级信息代码

忽略

忽略

 

前面已经介绍过,MIDI信号是单向的数据流,输出设备不管接收设备的状态,只是连续发出命令, 因此,MIDI键盘作为发送设备,只需输出,对于51单片机,其TXD即可作为MIDI信号的输出口,若不用转发别的MIDI设备信号,RXD实际上就没必要使用了。用51单片机的TXD脚,与声卡的MIDI-IN脚(15脚)相连,就可以很好的产生所需的MIDI信号,驱动声卡。这种连接方式并不是 MIDI协议中规定的标准的驱动方式,在MIDI协议中,采用了隔离传输的方式,两个设备不是共地的,本文介绍的电路,由于要从MIDI接口取电,必然形成共地的连接方式,这样,直接用单片机的高电平输出 5mA电流,低电平电流接近0,就能工作,但由于不是隔离传输,传输距离不能太长。 

三、控制板电路                      

电路原理图如3所示。采用51系列单片机最小系统的标准电路,声卡 MIDI接口的14脚为供电输出,分别为 VCC GND 15脚为MIDI-IN,接单片机串行输出脚 TXD。单片机的P0P2口用来扫描键盘,可提供8x8的键盘扫描能力。绝大多数的电子琴的键数小于64,这样的安排够用了。其他剩余的各脚,可用作工作参数预置,用来设置键值初值及所占MIDI通道号等。单片机采用89c51或其他兼容单片机,包括89s51,89f51,8751,97c51等。上拉电阻排选10kΩ, MIDI接口插头是15针的D型连接器,一般都标出了其引脚标号,按标号连接即可。给出的原理图及印制版图,都是完整的,可直接使用。

 

 

 3  单片机MIDI控制器电路图

 

    

控制部分印制板图   采用89c51或兼容单片机

四、用玩具琴键盘改装MIDI键盘

  要分辨数十个按键的状态,最简单经济的方式就是采用矩阵式扫描键盘,其电路原理图如图5所示

键盘的电路原理图

 

键盘以扫描方式工作,具体过程:

先由P0口发出段选通,每次选通一段,相应段选线被置为低电平,读P2口,被压下的键因与段选线接通,相应的端口输入为低电平,这样就完成了一段键盘(8个键)的状态读入过程,做8次循环,每次P0口的段扫移位一次,就完成了64个键的状态读入。由于乐器演奏时经常会有多个键同时压下的状态,若不加处理, 则可能出现几个段选通过按键短接在一起的情况,从而互相干扰导致逻辑不清,因此,在每个按键上串接二极管,用来阻隔无效的段选信号(高电平),使其不起作用, 这样就可完全分辨出每个键的状态, 而不会产生混乱。

乐器键盘的扫描与响应方式也有自己的特点,在扫描到键盘值后,与前一次的键盘状态比较,如不变,则不响应,有变化,则判断是被压下还是抬起,发出相应的MIDI命令,并纪录新的状态。

扫描8X8键盘的程序如下,程序中的key_number[i]是全局数组, 用来存贮按键状态,addition是全局变量,是设定该键盘第一个按键对应的MIDI音符的键值,全局数组和全局变量要在主程序中定义,程序中调用了前面给出的send(cc,kk,vv)函数:

      void scan_key()

      { uchar i,j,k,r,mmm,xu;  

k=0xfe;             // k值为段选输出初值,第一位为0

       for (i=0;i<8;i++)

{  P2=0xff;

          P0=k;             //输出段选值

           k=(k<<1)+1;        //段选标志左移,末位补1,为下一循环准备

          mmm=0x01;        // 设按键查询指针初值

           r=P2;             // 读入键值

         P0=0xff;             //关闭段选输出

           xu=r^key_number[i];         //查询键值是否改变,xu 1的位为产生变化的按键

           key_number[i]=r;        //新的键值存入数组

      for (j=0;j<8;j++)           //8次循环, 判断具体产生变化的键

{ if((xu&mmm)!=0)           //用指针选择被测的键

        {  if ((r&mmm)!=0)   //判断最终情况,以确定是被压下还是释放

              {send(0x80+chnal,i*8+j+addition,40);}  //关闭声音,键值=i*8+j+addition

             else{send(0x90+chnal,i*8+j+addition,127);}  //开始发声

               }

    mmm=mmm<<1;            //指针左移, 判断下个键

   }

}

}

 

MIDI协议中规定,全部的音符共128个,中央C音符对应的键值为60,为适合不同键数的键盘,必须为扫描到的键值加上相应的初值,使得第一个键正是所需的音符,程序中的变量addition 就是这个初值。

主程序的工作过程是上电复位后初始化,随后循环调用键盘扫描程序,在本人提供的程序中还加进了诸如移调,通道号设置,初始值设定等功能,全部用单片机剩余的I/O口对地短路来设定,以适合各种不同的键盘,详见程序文件。将程序用C51编译软件编译成执行代码,烧录至51单片机芯片,和外围器件一起装到印制板上,就制成了MIDI键盘控制板。

本人利用上述控制板,分别用玩具琴和低档电子琴的键盘,改装了多个MIDI键盘,均获成功,受到好评,现一一介绍:

1.钢片琴:老式的阻容震荡式电子琴,等效电路如图6,它是用按键选通不同阻值的电阻, 改变振荡器的频率来产生音符的,当两键同时压下,将导致电阻并联,参数混乱,还有的采用串联电阻网络,多键压下时,只有与振荡电路最近的一个电阻有效, 而其他的被短路, 因此都不能支持复音,只能单键演奏,不能直接改成扫描式键盘,须作较大改动。

改装时,去除所有的振荡电阻,将钢片电极剪为数段,每8个键为一段,每段接一位段扫,从左至右对应单片机P0口,从低到高。每段按键都由8个键组成,经二极管(1n4148)按顺序将每段相应的按键连在一起,接入一路位扫(P2),最后一段不足8个可空着,共8路,最终电路参考图7

钢片琴改装示意

  改装后的玩具琴键盘电路图 P0P2接在控制板相应的连线上

 

2.扫描式电子琴:这类电子琴已经做好了键盘的电路板,多数的琴线路与图7类似,只是键数不等,断开原来的电路,按照图7 P0,P2连接到控制板上即可。

注意有些型号的电子琴扫描电路的工作逻辑不一样,为充分利用其线路板,可通过修改扫描程序来实现硬件最少的改变,这需要能充分分析原琴的电路,并弄懂键盘扫描原理,有编程能力的人做,否则,须对原板的线路按照图7 电路改装,用本人的程序来实现。有能力编程的读者,对原程序稍加修改,把键值换算正确,就可以适合各种扫描式键盘,直接与控制板连上,而不需要对键盘硬件做改动。这些琴大致有两种情况:

一种情况是每段的按键少于8个,这种情况下,在换算键值时,按照具体情况,把算式中的常数改一下即可;

键值=段号x常数+键号+addition

另一种是二极管的方向相反, 这种情况下,扫描方式可不变, 但按键的排列会产生变化,连接控制板的段选和位选接线对调,把计算键值的算式改变,同样可不用改动键盘硬件。

键值=键号x常数+段号+addition

上两个算式中的“段号”“键号”分别是扫描程序中规定的变量i j

改装好的MIDI键盘,直接插到计算机声卡的 MIDI/GAME接口即可,安装好支持MIDI键盘输入的音序软件,你的电脑就变成了一台集演奏,制作于一身的MIDI音乐制作设备了。使用模拟电子琴软件,就是一台电子琴,而且可以直接利用电脑的强大功能进行录音,重放,或生成MIDI格式文件, 这是普通电子琴做不到的功能。如果使用音乐制作软件, 还可以进行后期制作,在不同的MIDI通道中用不同的音色演奏,编辑合成后可达到小型乐队的效果。

在这里,列出一些MIDI软件及其官方网站,可去下载软件的演示版,利用搜索引擎也可以找到其他的下载站点,它们都是本人试用过的,支持 MIDI 键盘的音序软件。

MidiRunner    英文软件,模拟电子琴

http://web.tiscali.it/midirunner/midirunner.htm

HappyEO      国产软件,模拟电子琴,有自动伴奏风格组,界面漂亮

              http://www.happyeo.com

Cakewalk     音乐编辑制作软件,功能强大

http://www.cakewalk.com

BBW       自动伴奏,功能强大

http://www.pgmusic.com/

还有其他一些电子琴模拟软件,从互联网上可以查到, 只要支持MIDI口输入,都可以使用。软件安装没有特别要求,需注意的是,电脑声卡的驱动程序要装好,软件使用时, 要设置允许外部MIDI设备输入,输入口选择为 MPU401, 输出口要选择能让声卡演奏MIDI的选项,因声卡不同,名称各异,如果在使用软波表时有延迟,可选择频率合成输出。

在本文中给出了MIDI命令简表,表中所列的控制器(cc=B+通道号,kk,vv),音色切换和弯音轮命令,也是MIDI中也很常用的命令,其中有开关量, 也有模拟量,有兴趣的读者, 可以利用芯片的剩余接口,扩展测量能力,给你的MIDI键盘增加更多的功能。

本文给出的程序,没有MIDI转发功能,所以只能发出在本键盘上演奏的MIDI命令,有兴趣的读者可以自编程序,加入转发部分,就可以把几个键盘串接在一起,利用不同的MIDI通道 共用一台电脑演奏。给本控制器单独提供5V电源后,还可以接入其他的MIDI设备,比如具有MIDI输入口的电子琴或合成器,变成双键盘,使其发挥更大的效能。

配合本文电路的单片机源程序和已编译的16进制代码文件,随本刊光盘提供,也可到d-originality.51.net 网站的资料区免费下载,如果有烧写51系列芯片的设备,就可以自行编程。

 
 

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