用通用單片機制作MIDI鍵盤

ID:99624 · 發表于 2015-12-25 03:29

MIDI是電子樂器的語言，隨著MIDI的誕生，數字化電子樂器已經越來越多，MIDI的應用也越來越普遍，在電子樂隊演奏，電子音樂制作等各個領域，發揮著越來越大的作用。隨著計算機技術的發展，聲卡已經成為普通計算機的標準設備，通過聲卡的MIDI接口，可以連接各種各樣的MIDI設備。連上專供輸入的MIDI鍵盤，再配上相應的軟件，計算機就可以完成電子琴的功能，甚至可以進行電子音樂的制作。由于 MIDI自身的特點，它形成的音樂易于進行后期制作，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。

有些計算機音序軟件支持用電腦鍵盤模擬琴鍵，可通過計算機鍵盤將音符輸入計算機，有愛好者就用電腦鍵盤的控制芯片改裝玩具電子琴，將其并接在計算機鍵盤上，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的，單音演奏還可以，在多個按鍵壓下時會出錯。本文將介紹如何用通用單片機實現MIDI鍵盤功能，并改裝各種電子琴，與計算機連接，從而實現通過MIDI接口，把電腦變成真正的，可支持復音的電子琴。

一、MIDI信號及聲卡的MIDI接口

MIDI 是一種異步串行通訊協議，其傳輸速率為31.25 K baud (每秒31250位)，每個字節包括10 位，1個起始位，8個數據位，1個停止位，每個音符的開（或關）命令有3個字節，經計算，不到1mS即可傳輸一個音符的開關命令。MIDI的數據流是單向的，不進行應答，設備發送音樂信息時，不管接收設備的狀態，而接收設備收到的信息，經校驗正確的則執行，錯誤的就忽略——這樣規定是由音樂本身的特點決定的，可以丟掉音符，但不能搞錯節拍，實時性最優先。從物理層面上看，MIDI信號是電流傳輸的，5mA代表邏輯“0”，0mA代表邏輯“1”。MIDI設備連接時，必須將輸出與另一設備的輸入連接。

圖1 典型的多個MIDI設備連接方式

　　計算機聲卡的MIDI／GAME接口是１５針的D型連接器，其中與MIDI相關的有：

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、單片機如何產生MIDI信號

本節介紹如何用目前在國內處于最主流地位的５１系列單片機產生MIDI信號。實際上，這包含了兩層意思�。海保绾萎a生符合　MIDI協議的串行數據。２．接口電路。

絕大多數５１系列單片機都有串行通訊控制器（UART）,配合合適的晶振，正確地設置UART的工作參數，就能夠自動產生所需的串行數據。使用定時／計數器１（T/C1）作為波特率發生器。將串行口設置為方式１工作狀態（１０位異步收發，波特率由定時器控制），使用６MHz晶振，T/C1設為自動裝入８位計數器狀態（TMOD置為2xH），SMOD＝1，TH=FFH，此時正好發生31.25K的串行通訊數據，適用于MIDI協議。

串口及定時／計數器初始化如下：（C語言例程，下同）

void format();

　{　TMOD=0x21;　　　　//T/C1工作于８位自動裝入狀態//

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

SCON=0x50 ; //設串口工作于方式１，//

PCON=0x80 ; //相當于SMOD=1;//

TR1=1; //T/C1開始計數//

}

MIDI協議中，每一次音符操作，命令包含３個字節，連續發送，依次為　“命令＋通道號”，“音符”，“力度”。命令的第一個字節的最高位為１，通道為０－１６，第二字節最高為位０，音符號為０－１２７，第三字節最高位為０，力度０－１２７。

發送一個音符命令：（參數　cc,kk,vv分別為“命令＋通道號”，“音符號”，“力度”）

void send(uchar cc,kk,vv)

{ TR1=1; //開計數器//

SBUF=cc; //寫入寄存器//

while(TI==0); //等待發送結束//

TI=0; //清發送標志//

　　　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	數據kk含義及說明	數據vv含義及說明
8+ 通道號	關閉音符	對應的MIDI音符0－127	關閉音符的速度值
9+ 通道號	開啟音符	對應的MIDI音符0－127	壓下琴鍵的速度值（力度）
A+ 通道號	觸后壓力	對應的MIDI音符0－127	對應音符的觸后壓力值
B+ 通道號	控制器	控制器號0－77 77－7F為通道模式信息	控制器值
C+ 通道號	音色切換	音色號 0－127	無該字節數據
D+ 通道號	通道壓力	該通道全部鍵盤的觸后壓力	無該字節數據
E+ 通道號	彎音輪	彎音輪低位數據	彎音輪高位數據
F	系統普通信息、實時信息、及高級信息代碼	忽略	忽略

前面已經介紹過，MIDI信號是單向的數據流，輸出設備不管接收設備的狀態，只是連續發出命令，因此，MIDI鍵盤作為發送設備，只需輸出，對于51單片機，其TXD即可作為MIDI信號的輸出口，若不用轉發別的MIDI設備信號，RXD實際上就沒必要使用了。用51單片機的TXD腳，與聲卡的MIDI-IN腳（１５腳）相連，就可以很好的產生所需的MIDI信號，驅動聲卡。這種連接方式并不是　MIDI協議中規定的標準的驅動方式，在MIDI協議中，采用了隔離傳輸的方式，兩個設備不是共地的，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系列單片機最小系統的標準電路，聲卡 MIDI接口的1，4腳為供電輸出，分別為 VCC、 GND ； 15腳為MIDI-IN，接單片機串行輸出腳　TXD。單片機的P0，P2口用來掃描鍵盤，可提供8x8的鍵盤掃描能力。絕大多數的電子琴的鍵數小于６４，這樣的安排夠用了。其他剩余的各腳，可用作工作參數預置，用來設置鍵值初值及所占MIDI通道號等。單片機采用89c51或其他兼容單片機，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，一般都標出了其引腳標號，按標號連接即可。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

四、用玩具琴鍵盤改裝MIDI鍵盤

要分辨數十個按鍵的狀態，最簡單經濟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口發出段選通，每次選通一段，相應段選線被置為低電平，讀P2口，被壓下的鍵因與段選線接通，相應的端口輸入為低電平，這樣就完成了一段鍵盤（8個鍵）的狀態讀入過程，做8次循環，每次P0口的段掃移位一次，就完成了64個鍵的狀態讀入。由于樂器演奏時經常會有多個鍵同時壓下的狀態，若不加處理，則可能出現幾個段選通過按鍵短接在一起的情況，從而互相干擾導致邏輯不清，因此，在每個按鍵上串接二極管，用來阻隔無效的段選信號（高電平），使其不起作用，這樣就可完全分辨出每個鍵的狀態，而不會產生混亂。

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

掃描8X8鍵盤的程序如下，程序中的key_number[ i]是全局數組，用來存貯按鍵狀態，addition是全局變量，是設定該鍵盤第一個按鍵對應的MIDI音符的鍵值，全局數組和全局變量要在主程序中定義，程序中調用了前面給出的send(cc,kk,vv)函數：

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; //段選標志左移，末位補1，為下一循環準備
mmm=0x01; // 設按鍵查詢指針初值
r=P2; // 讀入鍵值
P0=0xff; //關閉段選輸出
xu=r^key_number[i]; //查詢鍵值是否改變，xu 為1的位為產生變化的按鍵
key_number[i]=r; //新的鍵值存入數組
for (j=0;j<8;j++) //作8次循環，判斷具體產生變化的鍵
{ 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);} //關閉聲音，鍵值=i*8+j+addition
else{send(0x90+chnal,i*8+j+addition,127);} //開始發聲
}
mmm=mmm<<1; //指針左移，判斷下個鍵
}
}
}

復制代碼

MIDI協議中規定，全部的音符共128個，中央C音符對應的鍵值為60，為適合不同鍵數的鍵盤，必須為掃描到的鍵值加上相應的初值，使得第一個鍵正是所需的音符，程序中的變量addition 就是這個初值。

主程序的工作過程是上電復位后初始化，隨后循環調用鍵盤掃描程序，在本人提供的程序中還加進了諸如移調，通道號設置，初始值設定等功能，全部用單片機剩余的I/O口對地短路來設定，以適合各種不同的鍵盤，詳見程序文件。將程序用C51編譯軟件編譯成執行代碼，燒錄至51單片機芯片，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MIDI鍵盤，均獲成功，受到好評，現一一介紹：

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生音符的，當兩鍵同時壓下，將導致電阻并聯，參數混亂，還有的采用串聯電阻網絡,多鍵壓下時,只有與振蕩電路最近的一個電阻有效, 而其他的被短路, 因此都不能支持復音，只能單鍵演奏，不能直接改成掃描式鍵盤，須作較大改動。

改裝時，去除所有的振蕩電阻，將鋼片電極剪為數段，每8個鍵為一段，每段接一位段掃，從左至右對應單片機P0口，從低到高。每段按鍵都由8個鍵組成，經二極管（1n4148）按順序將每段相應的按鍵連在一起，接入一路位掃(P2)，最后一段不足8個可空著，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接在控制板相應的連線上

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

注意有些型號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現硬件最少的改變，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，須對原板的線路按照圖7 電路改裝，用本人的程序來實現。有能力編程的讀者，對原程序稍加修改，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，而不需要對鍵盤硬件做改動。這些琴大致有兩種情況：

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

鍵值=段號x常數+鍵號+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，但按鍵的排列會產生變化，連接控制板的段選和位選接線對調，把計算鍵值的算式改變，同樣可不用改動鍵盤硬件。

鍵值=鍵號x常數+段號+addition

上兩個算式中的“段號”“鍵號”分別是掃描程序中規定的變量i 和j 。

改裝好的MIDI鍵盤，直接插到計算機聲卡的 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集演奏，制作于一身的MIDI音樂制作設備了。使用模擬電子琴軟件，就是一臺電子琴，而且可以直接利用電腦的強大功能進行錄音，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，編輯合成后可達到小型樂隊的效果。

在這里，列出一些MIDI軟件及其官方網站，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，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 國產軟件，模擬電子琴，有自動伴奏風格組，界面漂亮

http://www.happyeo.com

Cakewalk 音樂編輯制作軟件，功能強大

http://www.cakewalk.com

BBW 自動伴奏，功能強大

http://www.pgmusic.com/

還有其他一些電子琴模擬軟件，從互聯網上可以查到，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，電腦聲卡的驅動程序要裝好，軟件使用時，要設置允許外部MIDI設備輸入，輸入口選擇為 “MPU401”, 輸出口要選擇能讓聲卡演奏MIDI的選項，因聲卡不同，名稱各異，如果在使用軟波表時有延遲，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，kk,vv），音色切換和彎音輪命令，也是MIDI中也很常用的命令，其中有開關量，也有模擬量，有興趣的讀者，可以利用芯片的剩余接口，擴展測量能力，給你的MIDI鍵盤增加更多的功能。

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

配合本文電路的單片機源程序和已編譯的16進制代碼文件，隨本刊光盤提供，也可到d-originality.51.net 網站的資料區免費下載，如果有燒寫51系列芯片的設備，就可以自行編程。