用通用单片机制作MIDI键盘

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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。

一、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。



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

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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;

}

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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。

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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。

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扫描8X8键盘的程序如下，程序中的key_number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; //查询键值是否改变，xu 为1的位为产生变化的按键

key_number=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

}

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。



图6 钢片琴改装示意



图7 改装后的玩具琴键盘电路图，P0与P2接在控制板相应的连线上

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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 将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 和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


HappyEO 国产软件，模拟电子琴，有自动伴奏风格组，界面漂亮


Cakewalk 音乐编辑制作软件，功能强大


BBW 自动伴奏，功能强大


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。