用通用單片機(jī)制作MIDI鍵盤

ID:99624 · 發(fā)表于 2015-12-25 03:29

MIDI是電子樂器的語言，隨著MIDI的誕生，數(shù)字化電子樂器已經(jīng)越來越多，MIDI的應(yīng)用也越來越普遍，在電子樂隊(duì)演奏，電子音樂制作等各個(gè)領(lǐng)域，發(fā)揮著越來越大的作用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，聲卡已經(jīng)成為普通計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，通過聲卡的MIDI接口，可以連接各種各樣的MIDI設(shè)備。連上專供輸入的MIDI鍵盤，再配上相應(yīng)的軟件，計(jì)算機(jī)就可以完成電子琴的功能，甚至可以進(jìn)行電子音樂的制作。由于 MIDI自身的特點(diǎn)，它形成的音樂易于進(jìn)行后期制作，越來越為廣大音樂工作者所喜愛，而MIDI鍵盤作為輸入最有效的工具，也越來越普及。

有些計(jì)算機(jī)音序軟件支持用電腦鍵盤模擬琴鍵，可通過計(jì)算機(jī)鍵盤將音符輸入計(jì)算機(jī)，有愛好者就用電腦鍵盤的控制芯片改裝玩具電子琴，將其并接在計(jì)算機(jī)鍵盤上，稱之為電腦琴，但這種控制芯片本身并不是為演奏音樂開發(fā)的，單音演奏還可以，在多個(gè)按鍵壓下時(shí)會(huì)出錯(cuò)。本文將介紹如何用通用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)MIDI鍵盤功能，并改裝各種電子琴，與計(jì)算機(jī)連接，從而實(shí)現(xiàn)通過MIDI接口，把電腦變成真正的，可支持復(fù)音的電子琴。

一、MIDI信號(hào)及聲卡的MIDI接口

MIDI 是一種異步串行通訊協(xié)議，其傳輸速率為31.25 K baud (每秒31250位)，每個(gè)字節(jié)包括10 位，1個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位，每個(gè)音符的開（或關(guān)）命令有3個(gè)字節(jié)，經(jīng)計(jì)算，不到1mS即可傳輸一個(gè)音符的開關(guān)命令。MIDI的數(shù)據(jù)流是單向的，不進(jìn)行應(yīng)答，設(shè)備發(fā)送音樂信息時(shí)，不管接收設(shè)備的狀態(tài)，而接收設(shè)備收到的信息，經(jīng)校驗(yàn)正確的則執(zhí)行，錯(cuò)誤的就忽略——這樣規(guī)定是由音樂本身的特點(diǎn)決定的，可以丟掉音符，但不能搞錯(cuò)節(jié)拍，實(shí)時(shí)性最優(yōu)先。從物理層面上看，MIDI信號(hào)是電流傳輸?shù)模?mA代表邏輯“0”，0mA代表邏輯“1”。MIDI設(shè)備連接時(shí)，必須將輸出與另一設(shè)備的輸入連接。

圖1 典型的多個(gè)MIDI設(shè)備連接方式

　　計(jì)算機(jī)聲卡的MIDI／GAME接口是１５針的D型連接器，其中與MIDI相關(guān)的有：

1 +5V +5 VDC

4 GND 地

12 MIDITXD MIDI 輸出

15 MIDIRXD MIDI 輸入

圖 2 聲卡上的 MIDI/GAME接口

二、單片機(jī)如何產(chǎn)生MIDI信號(hào)

本節(jié)介紹如何用目前在國內(nèi)處于最主流地位的５１系列單片機(jī)產(chǎn)生MIDI信號(hào)。實(shí)際上，這包含了兩層意思　：１．如何產(chǎn)生符合　MIDI協(xié)議的串行數(shù)據(jù)。２．接口電路。

絕大多數(shù)５１系列單片機(jī)都有串行通訊控制器（UART）,配合合適的晶振，正確地設(shè)置UART的工作參數(shù)，就能夠自動(dòng)產(chǎn)生所需的串行數(shù)據(jù)。使用定時(shí)／計(jì)數(shù)器１（T/C1）作為波特率發(fā)生器。將串行口設(shè)置為方式１工作狀態(tài)（１０位異步收發(fā)，波特率由定時(shí)器控制），使用６MHz晶振，T/C1設(shè)為自動(dòng)裝入８位計(jì)數(shù)器狀態(tài)（TMOD置為2xH），SMOD＝1，TH=FFH，此時(shí)正好發(fā)生31.25K的串行通訊數(shù)據(jù)，適用于MIDI協(xié)議。

串口及定時(shí)／計(jì)數(shù)器初始化如下：（C語言例程，下同）

void format();

　{　TMOD=0x21;　　　　//T/C1工作于８位自動(dòng)裝入狀態(tài)//

TL1=0xff; TH1=0xff ; // T/C1常數(shù)，確定波特率//

SCON=0x50 ; //設(shè)串口工作于方式１，//

PCON=0x80 ; //相當(dāng)于SMOD=1;//

TR1=1; //T/C1開始計(jì)數(shù)//

}

MIDI協(xié)議中，每一次音符操作，命令包含３個(gè)字節(jié)，連續(xù)發(fā)送，依次為　“命令＋通道號(hào)”，“音符”，“力度”。命令的第一個(gè)字節(jié)的最高位為１，通道為０－１６，第二字節(jié)最高為位０，音符號(hào)為０－１２７，第三字節(jié)最高位為０，力度０－１２７。

發(fā)送一個(gè)音符命令：（參數(shù)　cc,kk,vv分別為“命令＋通道號(hào)”，“音符號(hào)”，“力度”）

void send(uchar cc,kk,vv)

{ TR1=1; //開計(jì)數(shù)器//

SBUF=cc; //寫入寄存器//

while(TI==0); //等待發(fā)送結(jié)束//

TI=0; //清發(fā)送標(biāo)志//

　　　SBUF=kk;

while(TI==0);

　　　TI=0;

　　　SBUF=vv;

while(TI==0);

TI=0;

TR1=0;

}

MIDI命令簡表

命令代碼（cc）	命令說明	數(shù)據(jù)kk含義及說明	數(shù)據(jù)vv含義及說明
8+ 通道號(hào)	關(guān)閉音符	對(duì)應(yīng)的MIDI音符0－127	關(guān)閉音符的速度值
9+ 通道號(hào)	開啟音符	對(duì)應(yīng)的MIDI音符0－127	壓下琴鍵的速度值（力度）
A+ 通道號(hào)	觸后壓力	對(duì)應(yīng)的MIDI音符0－127	對(duì)應(yīng)音符的觸后壓力值
B+ 通道號(hào)	控制器	控制器號(hào)0－77 77－7F為通道模式信息	控制器值
C+ 通道號(hào)	音色切換	音色號(hào) 0－127	無該字節(jié)數(shù)據(jù)
D+ 通道號(hào)	通道壓力	該通道全部鍵盤的觸后壓力	無該字節(jié)數(shù)據(jù)
E+ 通道號(hào)	彎音輪	彎音輪低位數(shù)據(jù)	彎音輪高位數(shù)據(jù)
F	系統(tǒng)普通信息、實(shí)時(shí)信息、及高級(jí)信息代碼	忽略	忽略

前面已經(jīng)介紹過，MIDI信號(hào)是單向的數(shù)據(jù)流，輸出設(shè)備不管接收設(shè)備的狀態(tài)，只是連續(xù)發(fā)出命令，因此，MIDI鍵盤作為發(fā)送設(shè)備，只需輸出，對(duì)于51單片機(jī)，其TXD即可作為MIDI信號(hào)的輸出口，若不用轉(zhuǎn)發(fā)別的MIDI設(shè)備信號(hào)，RXD實(shí)際上就沒必要使用了。用51單片機(jī)的TXD腳，與聲卡的MIDI-IN腳（１５腳）相連，就可以很好的產(chǎn)生所需的MIDI信號(hào)，驅(qū)動(dòng)聲卡。這種連接方式并不是　MIDI協(xié)議中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)方式，在MIDI協(xié)議中，采用了隔離傳輸?shù)姆绞剑瑑蓚€(gè)設(shè)備不是共地的，本文介紹的電路，由于要從MIDI接口取電，必然形成共地的連接方式，這樣，直接用單片機(jī)的高電平輸出 5mA電流，低電平電流接近0，就能工作，但由于不是隔離傳輸，傳輸距離不能太長。

三、控制板電路

電路原理圖如3所示。采用51系列單片機(jī)最小系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)電路，聲卡 MIDI接口的1，4腳為供電輸出，分別為 VCC、 GND ； 15腳為MIDI-IN，接單片機(jī)串行輸出腳　TXD。單片機(jī)的P0，P2口用來掃描鍵盤，可提供8x8的鍵盤掃描能力。絕大多數(shù)的電子琴的鍵數(shù)小于６４，這樣的安排夠用了。其他剩余的各腳，可用作工作參數(shù)預(yù)置，用來設(shè)置鍵值初值及所占MIDI通道號(hào)等。單片機(jī)采用89c51或其他兼容單片機(jī)，包括89s51,89f51,8751,97c51等。上拉電阻排選10kΩ, MIDI接口插頭是15針的D型連接器，一般都標(biāo)出了其引腳標(biāo)號(hào)，按標(biāo)號(hào)連接即可。給出的原理圖及印制版圖，都是完整的，可直接使用。

圖3 單片機(jī)MIDI控制器電路圖

圖 4 控制部分印制板圖采用89c51或兼容單片機(jī)

四、用玩具琴鍵盤改裝MIDI鍵盤

要分辨數(shù)十個(gè)按鍵的狀態(tài)，最簡單經(jīng)濟(jì)的方式就是采用矩陣式掃描鍵盤，其電路原理圖如圖5所示

圖5 鍵盤的電路原理圖

鍵盤以掃描方式工作，具體過程：

先由P0口發(fā)出段選通，每次選通一段，相應(yīng)段選線被置為低電平，讀P2口，被壓下的鍵因與段選線接通，相應(yīng)的端口輸入為低電平，這樣就完成了一段鍵盤（8個(gè)鍵）的狀態(tài)讀入過程，做8次循環(huán)，每次P0口的段掃移位一次，就完成了64個(gè)鍵的狀態(tài)讀入。由于樂器演奏時(shí)經(jīng)常會(huì)有多個(gè)鍵同時(shí)壓下的狀態(tài)，若不加處理，則可能出現(xiàn)幾個(gè)段選通過按鍵短接在一起的情況，從而互相干擾導(dǎo)致邏輯不清，因此，在每個(gè)按鍵上串接二極管，用來阻隔無效的段選信號(hào)（高電平），使其不起作用，這樣就可完全分辨出每個(gè)鍵的狀態(tài)，而不會(huì)產(chǎn)生混亂。

樂器鍵盤的掃描與響應(yīng)方式也有自己的特點(diǎn)，在掃描到鍵盤值后，與前一次的鍵盤狀態(tài)比較，如不變，則不響應(yīng)，有變化，則判斷是被壓下還是抬起，發(fā)出相應(yīng)的MIDI命令，并紀(jì)錄新的狀態(tài)。

掃描8X8鍵盤的程序如下，程序中的key_number[ i]是全局?jǐn)?shù)組，用來存貯按鍵狀態(tài)，addition是全局變量，是設(shè)定該鍵盤第一個(gè)按鍵對(duì)應(yīng)的MIDI音符的鍵值，全局?jǐn)?shù)組和全局變量要在主程序中定義，程序中調(diào)用了前面給出的send(cc,kk,vv)函數(shù)：

void scan_key()
{ uchar i,j,k,r,mmm,xu;
k=0xfe; // k值為段選輸出初值，第一位為0
for (i=0;i<8;i++)
{ P2=0xff;
P0=k; //輸出段選值
k=(k<<1)+1; //段選標(biāo)志左移，末位補(bǔ)1，為下一循環(huán)準(zhǔn)備
mmm=0x01; // 設(shè)按鍵查詢指針初值
r=P2; // 讀入鍵值
P0=0xff; //關(guān)閉段選輸出
xu=r^key_number[i]; //查詢鍵值是否改變，xu 為1的位為產(chǎn)生變化的按鍵
key_number[i]=r; //新的鍵值存入數(shù)組
for (j=0;j<8;j++) //作8次循環(huán)，判斷具體產(chǎn)生變化的鍵
{ if((xu&mmm)!=0) //用指針選擇被測的鍵
{ if ((r&mmm)!=0) //判斷最終情況，以確定是被壓下還是釋放
{send(0x80+chnal,i*8+j+addition,40);} //關(guān)閉聲音，鍵值=i*8+j+addition
else{send(0x90+chnal,i*8+j+addition,127);} //開始發(fā)聲
}
mmm=mmm<<1; //指針左移，判斷下個(gè)鍵
}
}
}

復(fù)制代碼

MIDI協(xié)議中規(guī)定，全部的音符共128個(gè)，中央C音符對(duì)應(yīng)的鍵值為60，為適合不同鍵數(shù)的鍵盤，必須為掃描到的鍵值加上相應(yīng)的初值，使得第一個(gè)鍵正是所需的音符，程序中的變量addition 就是這個(gè)初值。

主程序的工作過程是上電復(fù)位后初始化，隨后循環(huán)調(diào)用鍵盤掃描程序，在本人提供的程序中還加進(jìn)了諸如移調(diào)，通道號(hào)設(shè)置，初始值設(shè)定等功能，全部用單片機(jī)剩余的I/O口對(duì)地短路來設(shè)定，以適合各種不同的鍵盤，詳見程序文件。將程序用C51編譯軟件編譯成執(zhí)行代碼，燒錄至51單片機(jī)芯片，和外圍器件一起裝到印制板上，就制成了MIDI鍵盤控制板。

本人利用上述控制板，分別用玩具琴和低檔電子琴的鍵盤，改裝了多個(gè)MIDI鍵盤，均獲成功，受到好評(píng)，現(xiàn)一一介紹：

1.鋼片琴：老式的阻容震蕩式電子琴，等效電路如圖6，它是用按鍵選通不同阻值的電阻，改變振蕩器的頻率來產(chǎn)生音符的，當(dāng)兩鍵同時(shí)壓下，將導(dǎo)致電阻并聯(lián)，參數(shù)混亂，還有的采用串聯(lián)電阻網(wǎng)絡(luò),多鍵壓下時(shí),只有與振蕩電路最近的一個(gè)電阻有效, 而其他的被短路, 因此都不能支持復(fù)音，只能單鍵演奏，不能直接改成掃描式鍵盤，須作較大改動(dòng)。

改裝時(shí)，去除所有的振蕩電阻，將鋼片電極剪為數(shù)段，每8個(gè)鍵為一段，每段接一位段掃，從左至右對(duì)應(yīng)單片機(jī)P0口，從低到高。每段按鍵都由8個(gè)鍵組成，經(jīng)二極管（1n4148）按順序?qū)⒚慷蜗鄳?yīng)的按鍵連在一起，接入一路位掃(P2)，最后一段不足8個(gè)可空著，共8路，最終電路參考圖7。

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圖6                鋼片琴改裝示意



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圖7 改裝后的玩具琴鍵盤電路圖，P0與P2接在控制板相應(yīng)的連線上

2．掃描式電子琴：這類電子琴已經(jīng)做好了鍵盤的電路板，多數(shù)的琴線路與圖7類似，只是鍵數(shù)不等，斷開原來的電路，按照?qǐng)D7 將P0,P2連接到控制板上即可。

注意有些型號(hào)的電子琴掃描電路的工作邏輯不一樣，為充分利用其線路板，可通過修改掃描程序來實(shí)現(xiàn)硬件最少的改變，這需要能充分分析原琴的電路，并弄懂鍵盤掃描原理，有編程能力的人做，否則，須對(duì)原板的線路按照?qǐng)D7 電路改裝，用本人的程序來實(shí)現(xiàn)。有能力編程的讀者，對(duì)原程序稍加修改，把鍵值換算正確，就可以適合各種掃描式鍵盤，直接與控制板連上，而不需要對(duì)鍵盤硬件做改動(dòng)。這些琴大致有兩種情況：

一種情況是每段的按鍵少于8個(gè)，這種情況下，在換算鍵值時(shí)，按照具體情況，把算式中的常數(shù)改一下即可；

鍵值=段號(hào)x常數(shù)+鍵號(hào)+addition

另一種是二極管的方向相反，這種情況下，掃描方式可不變，但按鍵的排列會(huì)產(chǎn)生變化，連接控制板的段選和位選接線對(duì)調(diào)，把計(jì)算鍵值的算式改變，同樣可不用改動(dòng)鍵盤硬件。

鍵值=鍵號(hào)x常數(shù)+段號(hào)+addition

上兩個(gè)算式中的“段號(hào)”“鍵號(hào)”分別是掃描程序中規(guī)定的變量i 和j 。

改裝好的MIDI鍵盤，直接插到計(jì)算機(jī)聲卡的 MIDI/GAME接口即可，安裝好支持MIDI鍵盤輸入的音序軟件，你的電腦就變成了一臺(tái)集演奏，制作于一身的MIDI音樂制作設(shè)備了。使用模擬電子琴軟件，就是一臺(tái)電子琴，而且可以直接利用電腦的強(qiáng)大功能進(jìn)行錄音，重放，或生成MIDI格式文件，這是普通電子琴做不到的功能。如果使用音樂制作軟件，還可以進(jìn)行后期制作，在不同的MIDI通道中用不同的音色演奏，編輯合成后可達(dá)到小型樂隊(duì)的效果。

在這里，列出一些MIDI軟件及其官方網(wǎng)站，可去下載軟件的演示版，利用搜索引擎也可以找到其他的下載站點(diǎn)，它們都是本人試用過的，支持 MIDI 鍵盤的音序軟件。

MidiRunner 英文軟件，模擬電子琴

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

HappyEO 國產(chǎn)軟件，模擬電子琴，有自動(dòng)伴奏風(fēng)格組，界面漂亮

http://www.happyeo.com

Cakewalk 音樂編輯制作軟件，功能強(qiáng)大

http://www.cakewalk.com

BBW 自動(dòng)伴奏，功能強(qiáng)大

http://www.pgmusic.com/

還有其他一些電子琴模擬軟件，從互聯(lián)網(wǎng)上可以查到，只要支持MIDI口輸入，都可以使用。軟件安裝沒有特別要求，需注意的是，電腦聲卡的驅(qū)動(dòng)程序要裝好，軟件使用時(shí)，要設(shè)置允許外部MIDI設(shè)備輸入，輸入口選擇為 “MPU401”, 輸出口要選擇能讓聲卡演奏MIDI的選項(xiàng)，因聲卡不同，名稱各異，如果在使用軟波表時(shí)有延遲，可選擇頻率合成輸出。

在本文中給出了MIDI命令簡表，表中所列的控制器（cc=B+通道號(hào)，kk,vv），音色切換和彎音輪命令，也是MIDI中也很常用的命令，其中有開關(guān)量，也有模擬量，有興趣的讀者，可以利用芯片的剩余接口，擴(kuò)展測量能力，給你的MIDI鍵盤增加更多的功能。

本文給出的程序，沒有MIDI轉(zhuǎn)發(fā)功能，所以只能發(fā)出在本鍵盤上演奏的MIDI命令，有興趣的讀者可以自編程序，加入轉(zhuǎn)發(fā)部分，就可以把幾個(gè)鍵盤串接在一起，利用不同的MIDI通道共用一臺(tái)電腦演奏。給本控制器單獨(dú)提供5V電源后,還可以接入其他的MIDI設(shè)備，比如具有MIDI輸入口的電子琴或合成器，變成雙鍵盤，使其發(fā)揮更大的效能。

配合本文電路的單片機(jī)源程序和已編譯的16進(jìn)制代碼文件，隨本刊光盤提供，也可到d-originality.51.net 網(wǎng)站的資料區(qū)免費(fèi)下載，如果有燒寫51系列芯片的設(shè)備，就可以自行編程。