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。 一  MIDI信号及声卡的MIDI接口 MIDI 是一种异步串行通讯，其传输速率为31.25 K baud (每秒31250位)，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。 图1      典型的多个MIDI设备连接方式 计算机声卡的MIDI／GAME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            地 12    MIDITXD        MIDI 输出    15    MIDIRXD        MIDI 输入    图 2    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），SMOD＝1，TH=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0－127 关闭音符的速度值 9+ 通道号 开启音符 对应的MIDI音符0－127 压下琴键的速度值（力度） A+ 通道号 触后压力 对应的MIDI音符0－127 对应音符的触后压力值 B+ 通道号 控制器 控制器号0－77 77－7F为通道模式信息 控制器值 C+ 通道号 音色切换 音色号 0－127 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1，4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P0，P2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。 图3  单片机MIDI控制器电路图 图 4    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 图5    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 为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++)          //作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