Схема Midi клавиатуры MKC64 v1.54

Набор деталей

Прошивка

Таблица клавиш управления функциями :
1 Изменить MIDI канал -1 (1..16)
2 Изменить MIDI канал +1 (1..16)
3 Понижение октавы -1 (1..11)
4 Повышение октавы +1 (1..11)
5 Запуск ноты -1
6 Запуск ноты +1
7 Понижение скорости -1 (1..127)
8 Повышение скорости +1 (1..127)
9 All Notes On message Включить
10 All Notes Off message Отключить
11 NoteOn (скорость = 0)
12 NoteOff
13 MIDI Программа -1
14 MIDI Программа +1
15 MIDI банк -1
16 MIDI Банк +1

В детстве у меня было пианино, такое настоящее, советское, киллограм на 300. Мне нравилось на нем бренчать, а после окончания музыкальной школы даже кое-что играть. Пианино - это классно, аутентично, но совершенно не практично. А чтобы совсем прям для души, нужна еще и барабанная установка, пяток примочек к электрогитаре, кларнет, ситар и сэмпловые лупы…

Конечно, сейчас уже не нужно из квартиры делать гараж-студию на заначку в шесть зарплат, достаточно установить на ПК бесплатный музыкальный редактор. Но, неудобно это все.

Клавиатура ПК совсем не похожа на клавишный инструмент, здесь все не так. Более того, для обучения ребенка это совсем не годится. Кажется выбора не остается, как приобретать синтезатор. Но по-прежнему раздирают меня сомнения.

Синтезатор ведь что из себя представляет? Большое устройство, с музыкальной клавиатурой, которое где-то должно занимать прилично места. В которое встроена акустика, а ведь у меня уже есть ресивер с колонками. В которое встроен плохенький ПК, а ведь у меня есть хороший ПК.

Получается, что за 40 тысяч я покупаю то, что у меня уже есть в лучшем качестве, за исключением лишь клавиатуры. Это просто какой-то максимум нерациональных расходов.

В поисках отдельной клавиатуры я набрел на такой класс устройств как USB MIDI Keyboard.
Мне всегда казалось, что MIDI это из области профессиональной музыкальной деятельности.
Но сейчас все музыку делают на ПК, в любом удобном месте, а значит, музыкантам нужны мобильные музыкальные клавиатуры, которые легко помещаются в рюкзак.

В голове сразу сложился план. Подключаем MIDI-клавиатуру к домашнему медиацентру на базе Raspberry Pi 3, где крутится программный синтезатор, позволяя в любое время любому желающему исполнить свой очередной шедевр. На таких MIDI-клавиатурах как правило есть набор регуляторов и дополнительных кнопок, которые программируются на различные эффекты или дополнительные музыкальные инструменты. Выглядит и звучит это очень круто!

Есть устройства побольше и поменьше, есть подороже и чуть дешевле. Я выбрал вариант за примерно 5 тыр. У него две октавы, нормального размера клавиши, кнопки для ударников, ручки настройки, то есть все, о чем может мечтать начинающий музыкант-электронщик.

Я не спец в создании музыки на ПК, поэтому было сложно искать пути реализации своей задумки. Информацию приходилось собирать по крупицам. Пазл постепенно стал складываться и получилось собрать работающее решение, которым с вами и делюсь. Как ни странно, но в стандартном дистрибутиве Raspbian/Debian нашлось все что нужно, даже не пришлось подключать внешние репозитории.

В качестве секвенсера (приложения, воспроизводящего MIDI-файлы) используется fluidsynth.
MIDI-клавиатура сразу обнаруживается через ALSA и доступна для подключения к секвенсеру.
Для воспроизведения звуков различных инструментов используются открытые базы сэмплов в формате SoundFont2. Для начала установим это все.

Sudo -s apt-get update apt-get -y install alsa-utils fluid-soundfont-gm fluidsynth
Подключаем MIDI-клавиатуру к Raspberry и запускаем секвенсер в режиме сервера:

Fluidsynth -i -s -a alsa -g 3 /usr/share/sounds/sf2/FluidR3_GM.sf2
Выполняем команду:

Aconnect -o
В результате мы увидим список доступных MIDI-клиентов:

Client 14: "Midi Through" 0 "Midi Through Port-0" client 20: "VMini" 0 "VMini MIDI 1 " 1 "VMini MIDI 2 " client 128: "FLUID Synth (1628)" 0 "Synth input port (1628:0)"
Здесь нам важно запомнить номера клиентов клавиатуры и секвенсера, чтобы затем соединить их командой:

Aconnect 20:0 128:0
Теперь у нас все готово для игры на Yamaha Piano (это дефолтный инструмент). Почитайте мануал по fluidsynth , там есть много интересных команд, например, чтобы сменить инструмент на ударники или духовые, задать величину реверберации или хоруса.

Сделаем наш программный синтезатор удобным. Чтобы не соединять вручную клавиатуру с секвенсером каждый раз, напишем простенький демон, который будет это делать при старте автоматом.

Cat > /etc/init.d/fluidsynth << EOF #!/bin/bash ### BEGIN INIT INFO # Provides: fluidsynth # Required-Start: $all # Required-Stop: # Default-Start: 2 3 4 5 # Default-Stop: 0 1 6 # Short-Description: Fluidsynth deamon to play via MIDI-keyboard ### END INIT INFO startDaemon() { sleep 30s && fluidsynth -i -s -a alsa -g 3 --load-config=/home/osmc/midi-router >/var/log/fluidsynth & sleep 60s && aconnect 20:0 128:0 & } stopDaemon() { pkill -9 fluidsynth &> /dev/null } restartDaemon() { stopDaemon startDaemon } case "$1" in start) startDaemon ;; stop) stopDaemon ;; restart) restartDaemon ;; status) ;; *) startDaemon esac exit 0 EOF
Регистрируем демон для автозапуска:

Chmod 755 /etc/init.d/fluidsynth update-rc.d fluidsynth defaults
Обратите внимание, теперь при старте секвенсеру передается конфигурационный файл (/home/osmc/midi-router), содержащий команды, превращающие нашу клавиатуру в настоящий синтезатор.

Тут дело вот в чем. Каждая клавиша и крутилка на клавиатуре посылает определенные события, со своим номером. Я так понял тут особенных стандартов нет, так что каждый производитель творит что хочет. Например, я хочу чтобы квадратные клавиши звучали ударными, остальные клавиши звучали пианино, ручки управляли громкостью, реверберацией и хорусом.

Так вот, мне необходимо замэпить коды событий от клавиатуры на разные инструменты, а коды от ручек на коды, которые понимает секвенсер. В fluidsynth это делается при помощи router. Именно эти команды и содержатся в конфигурационном файле.

Вот пример моего конфигурационного файла, с комментариями того, что он делает.

Cat > /home/osmc/midi-router << EOF # загружаем стандартные инструменты и ударники, найденные где-то на просторах Сети load /usr/share/sounds/sf2/FluidR3_GM.sf2 load /home/osmc/241-Drums.SF2 # связываем инструмент каждый со своим каналом select 1 2 128 0 select 2 1 0 0 # по умолчанию звук идет на канал 0 # перенаправляем события с квадратных клавиш на канал с ударными router_begin note router_chan 0 0 0 1 router_par1 36 48 1 0 router_end # события с остальных клавиш перенаправляем на канал с пианино router_begin note router_chan 0 0 0 2 router_par1 0 35 1 0 router_end router_begin note router_chan 0 0 0 2 router_par1 49 255 1 0 router_end # события с ручек мэпим на события, которые понимает секвенсер, # полный их список есть в документации на сайте fluidsynth router_begin cc router_chan 0 0 0 2 router_par1 14 14 0 98 router_end router_begin cc router_chan 0 0 0 2 router_par1 15 15 0 11 router_end router_begin cc router_chan 0 0 0 2 router_par1 16 16 0 91 router_end router_begin cc router_chan 0 0 0 2 router_par1 17 17 0 93 router_end # выключаем громкость на канале 0, # иначе при нажатии на клавишу # разные инструменты будут звучать одновременнно cc 0 7 0 EOF
Чтобы узнать какие коды генерирует именно ваше устройство, необходимо воспользоваться этой утилитой:

Aseqdump -p 20:0
Она слушает и выводит на консоль события с MIDI-клавиатуры. Нажмите кнопку или покрутите ручку и вы увидите тип, канал и код события. Вы можете запрограммировать свою клавиатуру таким образом, каким захотите, а не так, как это придумали инженеры, разработавшие конкретный синтезатор. За что большое спасибо разработчикам fluidsynth, alsa, SoundFont2, Raspberry и V-Mini.

Кстати, эта тема с DIY-синтезаторами нашла отражение в нескольких изобретениях, рекомендую к изучению.

Клавиатура предназначена для подключения к внешнему саунд-модулю или компьютеру (при наличии соответствующего интерфейса) с использованием MIDI протокола – для записи музыки в секвенсерную программу или живого исполнения. Количество клавиш в предложенном варианте 48, может быть увеличено без переделки схемы до 64. Отличительной особенностью предлагаемой клавиатуры является чувствительность к силе удара по клавише.

История создания устройства

Некоторое время назад в связи с покупкой квартиры я вынужденно лишился шикарного инструмента, выполнявшего у меня роль MIDI клавиатуры – это была легендарная YAMAHA DX-7. Когда печаль поутихла, во всей остроте и неприглядности встал вопрос: а на чем же работать? Именно в этот момент стараниями моего приятеля в мои загребущие ручонки попала полусобранная схема на КР1816ВЕ39 (по супостатски этот процессор зовется 8048). Схема проста и в сборке, и в наладке, и, главное, подвернулась под руку в нужное время. Клавиатуру я собрал в виде матрицы 8×6, применив КР1533ИД7 и КР1533КП7. Не обошлось и без ложки дегтя – два недостатка этой схемы насмерть убивают все ее достоинства: отсутствие чувствительности к скорости нажатия клавиши (динамики) и колеса PITCH WEEL. Ну, я когда-то программировал на Z-80 (и даже сделал работающий секвенсор) и решил тряхнуть стариной. Z-80 как CPU я решительно отмел, как морально устаревший. Кроме того, не хотелось много паять, и я решил взять за основу этот самый девайс на КР1816ВЕ39, оснастив его еще одним мультиплексором для размыкающих (верхних) контактов клавиш. Я отыскал документацию (вы не поверите – в библиотеке, книга «Проектирование цифровых устройств на однокристальных микропроцессорах») на ассемблер КР1816ВЕ39 и накарябал программу… И тут выяснилось, что у приятеля сдох программатор ПЗУ, и зашить программу просто нечем… От горя я совсем потерял разум и решил переписать тот же алгоритм под PIC. За полдня был спаян программатор (LUDIPIPO), затем макет из панельки, КР1533ИД7 и пары КР1533КП7, а весь монтаж сделан МГТФом без всякой печатки. И процесс пошел…

Сначала был запущен нединамический вариант программы (его я тоже привожу для тех, у кого клавиатура имеет один контакт на клавишу). Потом запустилась динамическая версия. И тут созрела мысль добавить кнопки и индикатор. Дело в том, что у меня без дела давно валялась платка WAVEBLASTER (дочерний wavetable синтезатор для очень старых звуковух). Подключивши ее к моему творению, я получил нечто, на чем можно играть (в меру сил и таланта) без компьютера, что иногда довольно удобно. Это и определило набор функций на кнопках – он может пригодиться при подключении к звуковым модулям при “живой” игре. Функции кнопок легко изменить, написав свои обработчики и используя мои процедуры опроса и индикации. Кое-как собранная в железном корпусе клавиатура оказалась удобнее, чем YAMAHA PSS (все же полноразмерные клавиши, педаль и, главное, динамика!). В разгаре творческого процесса возникло труднопреодолимое желание сделать версию MIDI клавиатуры чисто для компьютера – индикатор и кнопки необязательны, но нужны колеса PITCH WEEL и MODULATION. Некоторое время я с ним боролся, но, в конце концов, сдался и снова включил паяльник. Электронику собрать несложно, с механикой – несколько сложнее, и я начал морщить лоб над устройством колеса. Поразмыслив, я решил отказаться от второго колеса – все равно я никогда не кручу их сразу оба, обычно сначала пишу ноты и pitch, затем дописываю modulation. Не последним соображением было и уменьшение в два раза объема столь любимых мною механических работ. Для менее ленивых я ниже объясню, как почти не усложняя схему сделать два колеса. Чтобы все-таки иметь возможность писать modulation, я решил организовать три режима работы колеса: pitch на 2 полутона, pitch на 1 полутон (удобно), и modulation. Переключать это все можно одной кнопкой, а индицировать режим – парой светодиодов. Чтобы упростить схему, остальные кнопки и индикаторы я ликвидировал, для работы с современными программами-секвенсорами это все не нужно.

Колесо, конечно же, должно быть надето на ось потенциометра, это-то понятно, а вот к чему его подключить? Первой мыслью было использовать одновибратор на таймере 555. Но расчет показал, что будет трудно добиться точности и стабильности измерения длительности импульса при попытке обеспечить приемлемую частоту опроса колеса, ведь процессор в основном занят измерением времени переключения клавиатурных контактов. Остался путь использования аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Поскольку у меня использовался Pic16F84 без встроенного АЦП, я вспомнил инженерное прошлое (и родной завод) и сделал АЦП из нескольких резисторов с компаратором (и куска программы). Получилось просто, дешево и довольно точно.

Я привожу обе схемы – и с кнопками, и с колесом, а также программы для них. При желании обе схемы можно легко совместить, слегка изменив адреса внешних устройств, нужно только помнить, что режим CHORUS (STEREO) использует pitch для получения расстройки и его нужно или убрать, или озаботится передачей pitch с расстройкой по каналам.

Итак – собственно клавиатура

Схема устройства

Первым появился нединамический вариант, нечувствительный к силе удара по клавише – для проверки работоспособности макета.

Я использовал PIC16F84 в качестве процессора из нескольких соображений: эта микросхема доступна, дешева и удобно программируется, кроме того – именно она оказалась у меня под руками. Внимание: PIC16C84 не годится – у него ОЗУ всего 36 ячеек и программа не будет работать. Впрочем, схема с колесом использует меньше ячеек ОЗУ и ее программу можно втиснуть и в PIC16C84, сократив еще пару ячеек, например MIDCH (присвоив постоянный MIDI канал всем передаваемым данным).

Схема динамической клавиатуры с индикацией приведена ниже:

Схема во многом традиционна – трудно изобрести велосипед без педалей и колес.J Порт B работает на передачу – младшие 7 бит выводят адрес клавиши в матрице или данные для внешних устройств (индикатор и ЦАП колеса). Старший бит используется для вывода MIDI данных последовательным кодом – преобразование и вывод сделаны программными. Поэтому кварц должен быть на 4 MHz, если вы не хотите переписывать процедуру вывода байта по MIDI. Два младших бита порта A работают на прием – на них поступают сигналы с мультиплексоров “отпущенных” и “нажатых” контактов клавиш, а три старших бита определяют адрес внешнего устройства (через еще один дешифратор КР1533ИД7). В схеме с колесом от дешифратора адреса внешнего устройства я отказался для упрощения схемы и освобождения старшего бита порта PA4 для ввода данных с компаратора, поэтому адреса клавиатуры и кнопок другие. При совмещении схем эту микросхему придется вернуть, для дешифрации адреса использовать биты порта PA2 и PA3,и адресовать 4 устройства: клавиатуру, кнопки, регистр данных динамической индикации и регистр знакоместа динамической индикации. Индикацию режимов колеса придется переписать.

Схема с колесом PITCH WEEL / MODULATION выглядит так:

На каждую клавишу ставится один диод для развязки. Резисторы на входах мультиплексоров не должны быть более 8k, иначе возможны глюки из-за емкости монтажа. Индикатор – любой с общим анодом на 3 разряда, если выводы сегментов каждого разряда выведены отдельно, выводы одноименных сегментов нужно объединить – индикация динамическая и разряды зажигаются последовательно. Кнопки любые, без фиксации, дребезг контактов давится программно. Светодиоды установлены возле одноименных кнопок и индицируют включение соответствующих режимов, кнопки «+» и «- » светодиодов не имеют. Транзисторы на индикаторе любые маломощные высокочастотные обратной проводимости. Два регистра КР1533ИР23 использованы для поочередного защелкивания адреса и кода текущего разряда индикатора (светодиоды тоже сгруппированы в два квазиразряда). У меня использована стандартная клавиатура от еще советских электроорганов на 48 клавиш (она выпускалась и отдельно как радиоконструктор «СТАРТ», и довольно широко распространена). Чтобы уменьшить высоту клавиатуры и толщину инструмента, из шести контактных групп под каждой клавишей оставлено две, и все это обрезано и переклеено. Вообще достаточно одной переключающей группы на клавишу, но так было удобней клеить. Сборные шины “отпущенных” и “нажатых” контактов имеют длину 8 клавиш. При желании можно использовать и клавиатуру, где вместо переключающей группы контактов используется две пары замыкающих контактов – одна пара замыкается в начале движения клавиши, другая в конце (как на инструментах YAMAHA). В этом случае сигнал на PA0 нужно подавать с инверсного выхода мультиплексора (вывод 6). Без изменений в схеме можно использовать клавиатуру на 64 клавиши (стандарт – 61, т.е. 5 октав). При необходимости число клавиш может быть увеличено хоть до 127, для этого в схему нужно ввести еще один дешифратор КР1533ИД7.

Очень важно хорошо отстроить механику – верхние контакты ОБЯЗАТЕЛЬНО должны замыкаться при отпускании клавиш. Если этого не сделать, программа считает такие клавиши нажатыми и пытается их обрабатывать, поэтому повторное нажатие этих клавиш звука не дает. Кроме того, максимальное количество одновременно звучащих нот – 10 (если у кого-нибудь на руках выросло больше пальцев, это количество легко изменить), и не отпущенные клавиши уменьшают это количество. Из этих же соображений число клавиш, указанное в процедуре опроса клавиатуры, должно ОБЯЗАТЕЛЬНО совпадать с количеством реальных клавиш. Дребезг контактов давится программно.

Для резистивной матрицы R-2R АЦП желательно подобрать резисторы с точностью 1–2%, причем абсолютные значения могут быть и другие, важно отношение. Впрочем, сильно увеличивать номинал не стоит, это увеличит время преобразования из-за входной емкости компаратора. Я использовал SMD резисторы без подбора, хотя измерения показали, что в одной монтажной полоске резисторы обычно согласованы с точностью выше 1%. Я уверен, что схема будет работать и с неточными резисторами, но линейность характеристики ухудшится. Само колесо сделано из ручки от старого телевизора и имеет пружинку на оси потенциометра, возвращающую его в среднее положение. Для удобства настройки механики, при включении питания с нажатой кнопкой режима, включается отладочная программа, зажигающая светодиод, когда колесо находится в среднем положении, это позволяет точно настроить нулевой положение колеса на оси потенциометра. Если есть потребность и желание сделать отдельное колесо MODULATION, его нужно подключить к свободному элементу компаратора (их там четыре), причем матрица R-2R у обоих колес общая. Для коммутации выходов компараторов лучше применить дополнительную микросхему, а в качестве управляющего сигнала использовать PA2.

При желании можно собрать динамический вариант клавиатуры и без индикации, кнопок и колеса PITCH WEEL / MODULATION – просто не собирая неиспользуемую часть схемы. Все изменяемые параметры будут установлены по умолчанию при включении питания…

Питать это все можно от чего угодно, ток потребления зависит от конкретного индикатора и не превышает 100 mA. У меня прямо на плате стоит стабилизатор 7805 без радиатора (его хорошо видно на фотографии). Небольшой радиатор нужен, если на него подавать более 9v. Компаратор питается напряжением 9 – 12 v, желательно стабилизированным. Да, я использовал микросхемы советского производства из старых запасов – существует большое количество их современных аналогов, замена возможна и даже желательна – современные аналоги имеют меньшее потребление.

Программа

Алгоритм обработки нажатых клавиш происходит от предложенного в журнале «Микропроцессорные средства и системы» №5 за 1986г. Именно эта публикация (а точнее, ошибка в предложенной программе) и побудила меня к изучению ассемблера. Собственно, оттуда взята лишь идея записывать номер каждой нажатой клавиши в специально выделенную область ОЗУ (CHAN), чтобы при повторном опросе клавиатуры не обрабатывать снова уже обработанную клавишу. У меня под каждую из нажатых клавиш (всего не более 10) отведено две ячейки ОЗУ: в первой записывается номер нажатой клавиши, во второй – ее VELOCITY (скорость нажатия). Повторюсь – этих ячеек всего 20 и начальный адрес задан именем CHAN. Признаком свободной пары является установленный старший бит первой ячейки. Установленный старший бит второй ячейки означает, что NOTE ON для этой клавиши уже передано и в дальнейшей обработке она не нуждается.

Подробно описывать всю программу я не буду, исходник изобилует комментариями и для подготовленного человека вполне доступен. Для остальных я даю сразу готовые прошивки в файле Dinamic.hex и Pitchmod.hex. Поясню только некоторые неочевидные моменты. Ну, прежде всего о динамике: в момент размыкания верхних контактов клавиши ее номер записывается в первую ячейку первой же свободной пары из области CHAN, одновременно сбрасывая признак свободной пары. Во вторую ячейку записывается начальное значение VELOCITY = 127. Чувствительность клавиатуры определяется частотой следования прерываний, так как обработка прерывания уменьшает значения VELOCITY для всех клавиш, NOTE ON которых еще не передано. Прерывания вызываются встроенным таймером. В момент замыкания нижних контактов клавиши в соответствующей ячейке CHAN устанавливается признак «переданности» и передается NOTE ON с текущей VELOCITY. Для улучшения кривой чувствительности уменьшение значений VELOCITY идет по логарифмическому закону: из текущего значения VELOCITY вычитается 1/16 его часть, уменьшенная на 1. Таким образом, во время движения клавиши от верхнего контакта к нижнему значение VELOCITY в соответствующей ячейке CHAN уменьшается по логарифмическому закону, и чем быстрее движется клавиша, тем больше VELOCITY в момент замыкания нижних контактов клавиши и передачи NOTE ON. Прерывания также управляют динамической индикацией, это сделано для устранения мерцания индикатора.

Функции кнопок: TRANSPOSE – все тональности приводятся к любимому ля-минору: диапазон +/- 15 полутонов. PRG назначает тембр (инструмент) для заданного пресета (UP1-UP5), а VOL – его громкость. Текущий параметр выводится на индикатор и может изменяться кнопками «+» и «-».TWIN выводит «двойной» тембр – звучат одновременно один из пресетов (UP1-UP5) и, одновременно пресет LOWER. STEREO выводит звук текущего пресета в правый и левый стереоканалы с небольшой «расстройкой» (эффект «хорус»). Кнопка SPLIT не задействована. Педаль SUSTAIN схемотехнически выполнена, как одна из кнопок, емкость ее провода не должна быть очень большой. Адреса обработчиков кнопок собраны в таблицу в начале программы, при изменении функций кнопок можно подставить свои.

АЦП колеса наполовину программный, работает по алгоритму последовательных приближений, матрица R-2R выполняет преобразование “цифра – аналог”. Вначале на матрицу R-2R подается 1 в старшем разряде, и компаратор определяет, много это или мало. Если мало, в старшем разряде остается 1, если много – 0.Далее то же самое происходит с каждым следующим младшим разрядом (всего 6 шагов) и мы получаем шестибитное число, соответствующее углу поворота колеса. Такая точность мне представляется достаточной, но можно добавить еще один бит, увеличив матрицу и программу преобразования.

Конструкция

В качестве собственно клавиатуры я использовал конструктор «Старт» советского производства, сейчас, пожалуй, легче найти старую неработоспособную Ямаху или Касио, это решит и проблему изготовления корпуса – если он конечно у старого инструмента относительно цел…

Печатная плата не разрабатывалась – я посчитал нецелесообразным для изготовления единичного экземпляра устройства тратить время на разводку и изготовление платы, а макет был изготовлен на монтажной плате с помощью перемычек из МГТФа. В качестве разъема и шлейфа к клавиатуре был использован шлейф от флоппи-дисководов из компьютера с соответствующим разъемом с каждой стороны – это облегчает сборку/разборку готового устройства.

В моем случае корпус был выгнут из тонкой листовой стали (что было под руками) – с деревянными боковинами (как у старых советских инструментов).

Ну вот, вкратце, и все. Творческих успехов!

Олег Якубов

После публикации моей страницы на сайте, мне пришло несколько писем с просьбой написать или выслать схему миди-клавиатуры, которую я собрал. И я решил подготовить статью о миди-клавиатуре.

Схему миди-клавиатуры я, выбрал из журнала Радио за 1997 год № 3, 4. Если кто действительно хочет собрать себе хороший инструмент, то рекомендую сходить в библиотеку и взять там журналы, ну а для тех, кому не хочется бегать и тратить время, я отсканировал полностью эту статью (думаю, не в ущерб автору). Миди-клавиатурой я очень доволен. Проблем со сборкой не было в общем-то никаких, за исключением некоторых опечаток в схеме (допущенных, наверное, редакцией при верстке статьи). Я перед сканированием сделал поправки, это можно увидеть при внимательном изучении схемы. Прошу обратить внимание: при "прошивке" ПЗУ не делайте ошибок при введении кодов, иначе инструмент или вообще не заиграет, либо будет работать неправильно. Особую благодарность я хотел бы передать самому автору этой статьи, за распечатку контрольных кодов таблицы ПЗУ, так как без ошибок трудно ввести все символы, и при вводе я сам ошибся в двух местах, и благодаря контрольным суммам я быстро нашел у себя ошибки. Так же в отсканированной мною таблице, я выделил те места, где автором указывается в случае замены двух символов. Это на случай, если клавиатура начинается не с ноты Фа, а с ноты До. Все детали и узлы устройства, я смонтировал на монтажной плате, а соединения между выводами микросхем, я распаял тонким проводом во фторопластовой оплетке, только между клавиатурой и платой, я распаял плоским кабелем. Единственно, что я сделал, так это увеличил емкость конденсатора С1, так как не запускался процессор. Миди-клавиатура работает очень устойчиво, и никаких проблем я не испытываю до сих пор!!! Если для кого-то эта схема покажется очень сложной, тогда попробуйте собрать другую схему, напечатанную так же в журнале Радио за 1993 год № 11. Но в этой схеме, нет таких возможностей, как в схеме, о которой я только что писал. Поэтому рекомендую запастись небольшим терпением и собрать схему из журнала Радио за 1997 год № 3, 4. Отсканированная статья находится ниже. Если все же у кого-то возникнут проблемы со сборкой, обращайтесь ко мне, может что-нибудь посоветую. Единственный недостаток этой схемы, я считаю, это неудобство быстрого выбора инструмента, и так же маленькая возможность эффекта "PITCH". Обычно на клавиатурах стоит этот эффект в виде колеса с левой стороны клавиатуры.

Желаю приятной сборки!!!

MIDI-КЛАВИАТУРА ДЛЯ МУЛЬТИМЕДИА-КОМПЬЮТЕРОВ И MIDI-СИНТЕЗАТОРОВ

С. Кононов, г. Тула

Разработанная автором этой статьи MIDI-клавиатура относится к электронно-музыкальным инструментам повышенной сложности и адресуется, прежде всего, читателям, имеющим определенные знания и опыт конструирования подобной аппаратуры. Поэтому и описание конструкции дается в кратком изложении. Редакция полагает, что содержание этой публикации привлечет внимание и тех, кто вообще интересуется электронной музыкой и, возможно, собирается заняться конструированием современной аппаратуры. Для них полезно будет познакомиться со статьями А. Студнева "Что такое MIDI?" и "MIDI-клавиатура", опубликованными в январском и ноябрьском номерах "Радио" за 1993 г., а также статьей К. Быструшкина "Мультимедиа придет в каждый дом" ("Радио", 1996, № 3).

Рекомендуемая MIDI-клавиатура представляет собой "глухой" клавишный инструмент, основное назначение которого - совместная работа с персональными компьютерами, оснащенными музыкальными картами Creative, Sound Blaster, Gravis, YAMA-HA и другими, имеющими midi-вход. Он, кроме того, позволяет работать и с внешними синтезаторами, тон генераторами и любой аппаратурой, также имеющими midi-вход.При разработке сервисных функций MIDI-клавиатуры образцами для "подражания" были изделия итальянской фирмы "MASTER STAR". Сначала я сконструировал универсальный MIDI-пульт для баяна и аккордеона, который был представлен на выставке MUSIKMESSE-95 (Франкфурт-на-Майне). Именно тогда возникла мысль превратить это конструктивно сложное устройство в более простую MIDI-клавиатуру, доступную для повторения читателями журнала "Радио". Инструмент располагает солидным сервисом. В частности, он позволяет каждой клавишей управлять двумя MIDi-каналами, задавая каждому из них собственные программы (тембры), и запоминать их вместе с уровнем громкости каждого канала в памяти устройства. Таким образом, можно произвольно комбинировать и наслаивать любые два образца звуков из имеющихся в подключенном к клавиатуре тон генераторе. В "крутых" аппаратах этот режим называют "COMBY".Клавиатура позволяет также изменять строй инструмента на одну октаву вверх или вниз, назначать до 127 программ, управлять большим числом MIDI-каналов (от 1 до 16), контролировать звуковые эффекты PITCH BEND, VOLUME, MODULATION, SUSTAIN и многое другое. Темп исполняемого произведения - от 20 до 240 ударов в мин. Граница деления клавиатуры на два мануала произвольная.Инструмент, схема , состоит из трех функционально законченных частей: блока процессора (А1), пульта управления (А2) и блока клавиатуры (A3). Комплект используемых в них микросхем аналогичен комплектующим таких устройств, как Спектрум и АОН, так что любители конструирования ЭМИ не будут испытывать затруднений в поисках элементной базы.Блок процессора по схемотехнике похож на процессор АОНа. На логических элементах DD1.1 - DD1.3 и кварцевом резонаторе ZQ1 собран задающий генератор процессора Z80 (DD2). Собственная частота кварцевого резонатора должна быть 4 МГц, иначе изменится скорость передачи MIDI-информации со старшего разряда регистра С микросхемы DD6 через буферный элемент DD1.4.На транзисторах VT1, VT2 собран узел, обеспечивающий сигнал сброса на входе RES (RESET - вывод 26) микросхемы DD2 при включении/выключении источника питания, когда его напряжение не превышает +4,5 В. Это повышает надежность хранения информации в энергонезависимой памяти микросхемы DD5 в момент включения или выключения питания. Батарея GB1 совместно с конденсатором C3, резистором R8 и диодом VD2 поддерживает питание микросхемы DD4 для долговременного хранения в ней информации при отключенном общем источнике питания инструмента.Микросхемы DD7 и DD8 панели управления обеспечивают опрос кнопок SB1-SB19 пульта управления, динамическую индикацию четырехразрядного семиэлементного дисплея, образованного индикаторами HG1, HG2, и оцифровку единственной аналоговой части устройства - регулятора громкости R40 "Volume". Для дисплея я применил очень удобные, на мой взгляд, яркие сдвоенные индикаторы VQE14 (старое название КИПЦ09И), установленные в телевизорах "Горизонт" 4-го и 5-го поколений. Включение индикатора HQ2 аналогично показанному на схеме включению индикатора HG1.

Блок клавиатуры образуют пяти-октавная (61 клавиша) музыкальная клавиатура, начинающаяся с ноты "Фа", микросхемы D09, DD10 и разъемы Х1-ХЗ для подключения к инструменту ао двух внешних MIDI-приемников и педали "SUSTAIN". Каждая клавиша клавиатуры оснащена парой нормально разомкнутых контактов, которые объединены в матрицу 8х8 с диодной (VD14-VD74) развязкой. На схеме символом SA1 обозначена крайняя левая клавиша, символом SA61 - крайняя правая. Опрос матрицы обеспечивают микросхемы DD9 и DD10. Если музыкальная клавиатура, используемая для конструируемого инструмента, начинается с ноты "До", то строй матрицы необходимо сместить на семь клавиш. Для этого в ПЗУ нужно увеличить на семь единиц код в ячейках, с адресами 025FH и 0268Н (см. таблицу программирования ПЗУ КР573РФ5 ) , т. е. вместо кода "05" записать "ОСН". Блок питания клавиатуры представляет собой микросхемный стабилизатор напряжения КР142ЕН5В, на вход которого подают от внешнего источника постоянное напряжение 9 В. Таким источником может быть любой малогаборитный сетевой блок питания, в том числе импортный, обеспечивающий ток нагрузки не менее 500 мА. Конденсаторы С6-С9 на выходе стабилизатора - блокиривочные для цепей питания микросхем.Детали и узлы устройства смонтированы на четырех печатных платах, которые соединены между собой плоскими кабелями и размещены под лицевой панелью корпуса клавиатуры. Нажимные кнопки переключателей SB1-SB19, индикаторы HG1, HG2 и вал переменного резистора R40, пропущенные через отверстия в панели, образуют пульт управления MIDI-клавиатуры.Педаль SUSTAIN может быть любой конструкции с парой нормально разомкнутых контактов. Ее подключают к инструменту через разъем Х3 типа Джек (1/4 JACK), расположенный на задней панели инструмента. Внешний вид МIDI-клавиатуры и схема размещения на ее панели управления дисплея (индикаторы HG1, GH2), регулятора громкости (резистор R40 "VOLUME") и кнопок (SB1 - SB19) показаны на рис. Пользуясь ими, музыкант может выполнять все необходимые MIDI-опeрации по выбору тембров, номера каналов, перераспределению голосов и т. д., а также управлять внешними ритм-компьютером или секвенсером. Оцифрованными кнопками, находящимися справа от дисплея, вводят соответствующие номера программы, MIDI-канала, темпа, а функциональными кнопками слева от дисплея управляют различными параметрами клавиатуры. При последовательном нажатии на кнопку "PROG" (программа) дисплей индицирует параметры клавиатуры: -тип трека и номер звуковой программы этого трека. Буквы в левой части дисплея обозначают: А - левый (нижний) мануал, В - правый (верхний) мануал, С - дополнительное midi-устройство. За буквой следует трехзначный номер (000-127) звуковой программы, присвоенной данному треку;

- контроль темпа для генератора ритма; при этом на дисплее, индицируется буква Т и трехзначное число, характеризующее частоту ударов (сильных долей) в минуту, а запятые на дисплее создают эффект "бегущих огней"" для визуального контроля скорости генератора темпа. Диапазон перестройки темпа - от 20 до 240; - режим каналов и номер собственной программы инструмента: в этом случае буква Р в левой части дисплея означает, что вся клавиатура "сидит" а треке *А*. буква U - информация с клавиатуры передается одновременно и в трек "В" (режим "COMBY"), буква L - левый мануал, т. е. трек "А" (правый мануал - "В"). За буквой на дисплее индицируется двузначный номер (00-99) собственной программы, хранящейся в памяти ОЗУ DD5. Собственная программа инструмента характеризует номера звуковых программ и MIDI-каналов для треков, а также следующую информацию: PITCH - скорость тональной перестройки, MODULATION - уровень глубины модуляции, VOLUME - уровень громкости, SPUT - граница разделения мануалов, MODE-режим каналов (Р. U, L), Ost A - +/- октава для левого мануала, Ost В - +/- октава для правого мануала. Кнопки "-1" и +1 обеспечивают уменьшение (увеличение) числовых данных на дисплее. Кнопка "MIDI" служит для назначения MIDI-канала каждому треку, а последовательным нажатием на нее выбирают трек. На дисплее при этом отображаются трек Ac (Bc, Сс) и номер (1-16) MIDI-канала. Кнопкой "START" запускают или останавливают (вторым нажатием) внешний ритм-компьютер или сeквенсер - на дисплее на пару секунд высвечиваются соответственно "Strt" или "Stop". У кнопки "WHITE" два функциональных назначения. Если все выбранные параметры клавиатуры удовлетворяют и их необходимо запомнить под текущим номером собственной программы, дважды нажимают на эту кнопку. При первом нажатии дисплей высветит четыре черточки, приглашая устройство к режиму программирования. При втором нажатии происходит запоминание всех режимов и параметров в памяти собственных программ устройства, а дисплей индицирует текущий номер собственной программы. Второе назначение кнопки "WRITE" - работа с устройством в режиме программирования функций. Этот режим включают первым нажатием на кнопку "WRITE". На дисплее появляются четыре черточки, символизирующие приглашение к режиму программирования. Оцифрованные кнопки при этом начинают выполнять функции программаторов следующих режимов: - PITCH - скорость тональной перестройки. Дисплей высвечивает "РЬ" (PITCH BEND) и цифру (1-4). Индикация "РЬ" соответствует минимальной, "РЬ4" - максимальной скоростям изменения этого параметра; - MODULATION - глубина модуляции 25, 50, 75 и 100%. Индицируется буквами LF (LONG FREQUENCY) и цифрами 1. 2, 3 и 4 соответственно; - VELOCFTY - скорость нажатия клавиши - фиксированная для всей клавиатуры. На дисплее индицируется трехзначным числом (000-127); - VOLUME - уровень громкости (О- 15). На дисплее отображается двумя цифрами: слева - для левой части клавиатуры (трек А) в режиме разделения мануалов, справа - для правой части (трек В): - SPLIT - граница разделения клавиатуры на два мануала. Дисплей высвечивает "SP" (SPLIT) и двузначный номер клавиши, последней для левой части клавиатуры; - MODE - программирование режима каналов (Р, U, L). Дисплей высвечивает "Рг" - соответствующую режиму каналов букву (Р, U, L); - TRANSPORT - транспонирование, т. е. изменение высоты тона клавиатуры на 12 полутонов вниз или на столько же полутонов вверх. Режим транспонирования вниз дисплей индицирует двузначным числом 01-12 со знаком "-", транспонирования вниз - без знака. Число 00 обозначает отсутствие транспонирования; - Ost A - +/- октава для левого мануала. Это значит, что строй клавиатуры трека А может быть сдвинут на октаву вниз или на октаву вверх. Дисплей высвечивает "Ао"-1", "Ao-0", "Aо-1, что означает соответственно сдвиг на октаву вниз, отсутствие сдвига и сдвиг на октаву вверх: - Ost В - +/- октава для правого мануала. Дисплей соответственно индицирует "Во -1, "Во 0" и "Во 1"; - PAUSE - размер паузы между MIDI-посылками. Дисплей высвечивает "РА" и двузначное число 01-50, означающее размер паузы в условных единицах.

К сожалению, некоторые музыкальные карты а мультимедиа-компьютерах при смене зеуковой программы "буксуют", т. е. останавливают прием MIDI-сообщеиий на время загрузки новой звуковой программы, что приводит к потере принимаемой информации. Например, карта YAMAHA SW20 меняет звуки за 0.5...1 с, a GRAV1S ULTRASOUND загружает звуковые программы с жесткого диска, на что уходит еще больше времени. Для четкой работы звуковой карты YAMAHA SW20 размер паузы соответствует 16. Для дешевых же карт типа SOUNDBLASTER и для музыкальных инструментов с MIDI-входом PAUSE=1. " Параметры перечисленных функций можно изменять кнопками "-1" и "+1". При повторном нажатии на кнопку "WRITE" в память собственных программ устройства вводятся звуковая программа трека А(0-127), звуковая программа трека В (0-127), звуковая программа трека С (0-127), номер MIDI-канала A (1-16), номер MIDI-канала В (1-16), номер MIDI-канала С (1-16), громкость трека А (0-15), громкость трека В (0-15), октава А (-1,0,1),октава В (-1, 0. 1),режим работы мануалов (Р, U, L), уровни, модуляции (1-4), скорость PITCH BEND (1-4). Независимо от порядковой нумерации собственных программ описываемого инструмента в его памяти хранятся также граница раздела SPLIT (1-61), смещение высоты тона TRANSPORT (-12, 0, +12), скорость нажатия VELOCITY (0-127), темп исполняемой композиции (2&-240). Регулятор "VOLUME" и кнопки "PITCH-", "Р1ТСН+", "MOD" на пульте MlDI-клавиа-туры относятся к органам оперативного контроля. Первым из них регулируют громкость внешнего устройства. Если клавиатура обслуживает два MIDI-канала (режимы U, L), значит и регулятор обслуживает эти каналы, но по очереди. К какой части клавиатуры (мануалу) в последний момент прикасалась рука человека, по такому MIDI-каналу и будут передаваться параметры регулятора громкости. Нагляднее это можно сделать, выйдя в режим программирования функций - нажать на кнопку "WRITE" и кнопкой "4" включить функцию VOLUME. При плавном вращении ручки резистора R40 по часовой стрелке дисплей должен отобразить 16 градаций уровня от 0 до 15. Если работаем на левой части клавиатуры, то регулятор будет действовать только на громкость канала "А", а уровень громкости покажет левая часть дисплея. При работе на правой части клавиатуры регулятор будет влиять Кнопки "PITCH-" и "PITCH+"" обеспечивают удобство имитации работы колеса-регулятора PITCH BEND с плавным смещением тона вниз / вверх и обратно. В режиме программирования функций можно ускорить или замедлить работу имитатора PITCH BEND. выбрав одну из четырех скоростей изменения высоты тона. Кнопка "MOD" - орган контроля четырех уровней модуляции (25, 50, 75 и 100%). При нажатии и удержании ее в таком положении включается по MIDI модуляция тона. При отпускании кнопки модуляция отключается. Владельцам компьютеров, оснащенных звуковыми картами с MIDI-интерфейсом, понадобится еще переходник (MIDI-адаптер), необходимый для гальванической развязки между MIDI-входом инструмента и ТТЛ midi-входом звуковой карты компьютера. Его схема приведена на рис. 2.

Развязку обеспечивает оптрон АОТ127А (U1). Питание переходника осуществляется через разъем звуковой карты (выводы 1,8 и 9 - +5 В, выводы 4 и 5 - общий). Входы "MIDI THRU- и "MIDI OUT" предназначены для подключения синтезаторов, тон генераторов и других внешних MIDI-приемников, не встроенных в компьютер. При налаживании MIDI-клавиатуры особое внимание следует уделить настройке узла R38-R40 аналого-цифрового преобразования уровня регулятора громкости. Делайте это на отлаженном и полностью функционирующем инструменте в таком порядке. Включите инструмент, нажмите кнопку "WRITE" на пульте и тут же кнопкой "4" включите функцию VOLUME. При плавном вращении ручки резистора R40 по часовой стрелке дисплей должен отобразить все шестнадцать градаций уровня - от 0 до 15. Если диапазон регулировки смещен или узок, нормальной работы аналого-цифрового преобразования добивайтесь подбором резистора R38.

Наличие midi-посылок контролируйте следующим образом. К выводу 5 разъема "MIDI OUT подключите щуп входа осциллографа, нажмите на педаль "SYS-TAIN" или соедините (временно) входы РСО и PC1 микросхемы DD6 с общим проводником, после чего включите питание инструмента. При таком соединении работает циклическая программа вывода MIDI-кода 55Н. На экране осциллографа это выглядит как последовательность пачек из пяти импульсов. Длительность каждого бита кодовой посылки равна 32 мне, что соответствует 31250 бит/с-скорости передачи MIDI-сообщений.

Предисловие

Так как и я, и моя жена были в детстве обучены нажимать на клавиши, то дома явно не хватало некоего устройства с черными и белыми клавишами для передачи опыта нажатия на оные подрастающему поколению. Увы в маленькой "однушке" не то что "Стенвею" - простому "Красному октябрю" не было места. Выход был найден - MIDI клавиатура! Тем более, что попытки сделать самому нечто подобное предпринимались еще на заре моего "радиогубительства". Опять же из за нехватки места было решено ограничиться для начала 4 октавами. Да и финансы не позволяли прикупить какой нибудь "Роланд".

Немного поискав в интернете я наткнулся на объявление о продаже за 50 вечнозеленых девайса под названием Fatar 49. Поискав все в той же паутине нашел описание этого чуда.

MIDI клавиатура Fatar StudioLogic CMK 49

• 4-октавная, полноразмерная, динамическая (чувствительная к скорости нажатия), невзвешенная; 49 клавиш
• Разъемы MIDI выход, к нему подключается штекер с надписью "IN"
• Питание Адаптер питания может не входить в комплект поставки.
• Нужный адаптер питания - 9В, 0.5А. Внутренний контакт "+", внешний "-".
• Размеры внешние 75.2 х 15 х 8 см
• Вес 2 кг

Семейный совет постановил - БЕРЕМ!!! Прежний владелец продемонстрировав что она работает даже приложил к ней адаптер питания. MIDI шнурок у меня уже был (запас давно как чуствовал). И вот привезя домой и подключив ее к компьютеру, я наконец смог вспомнить детство. И... понять что за 15 лет все забыто почти полностью.

В просторах сети была добыта очень интересная программа "Play Piano" компании Midisoft. Она может практически любого научить играть. Она следит за правильностью игры и указывает на ваши ошибки, как хороший преподаватель. Жаль только что за это время так и не удалось найти чего-нибудь похожего, но поновее (программка 96-го года).

Было это все в прошлом веке. Как говорят в романах - прошли годы... Родились и подросли дети. Клавиатура на столе и тогда была не особенно удобна - очень высоко получалось по сравнению с обычным пианино.

Подставка на стул помогала, но... В этом году было принято решение начать мучить старшего. Надо же на ком-то отыграться за наше обучение. Для него вообще приходилось городить пирамиду на стуле. Да и клавиатура постоянно от него пыталась уехать. Попытки ставить клавиатуру на детский столик помогли не сильно. Теперь он был слишком низким.

Да и малышка теперь постоянно лезла нажимать на клавиши, но особо ей нравилась кнопка выключения, подсвеченная лампочкой. И тогда пришлось заняться проблемой всерьез.

Во-первых стало понятно, что делать клавиатуру на высоту стандартного пианино смысла нет, так как делалось это уже под конкретных людей. Во-вторых сделав только подставку под клавиатуру я быстро понял, что придется удлинять MIDI-кабель. И тогда созрело решение сделать полностью автономный музыкальный инструмент. Покопавшись в запасниках компьютерного железа, из него были извлечены вполне рабочие (хотя морально давно устаревшие) компоненты: материнская плата, процессор, видеокарта и жесткий диск. Найден был также старый блок питания. Не хватало малого - памяти. Хороший человек из сервисной службы подарил мне перед новым годом модуль. Теперь было все что нужно.

Конфигурация получилась самая что ни на есть примитивная для нынешних времен:

• CPU: Pentium MMX 166 MHz разогнаный до 200
• RAM: SDRAM PC100 128 Mb
• HDD: Coner 340 Mb
• VIDEO: TRIDENT
• AUDIO: Onboard Yamaha OPL3

Потратив половину выходного дня получил вот такой агрегат:

Сверлим отверстия для кнопки включения и индикаторов "Power" и "HDD".

Вставляем клавиатуру.

Отпиливаем шасси корпуса по размеру материнской платы. Прикручиваем ее установив процессор память и видеокарточку.

Все пустые гнезда шасси закрываем красивыми блестящими заглушками.

Прикручиваем корзину HDD c диском к корпусу.

Подключаем блок питания и все остальные шлейфы и провода

Операционка была установлена заранее. На такой объем удалось поставить только Win98. Подключаем монитор, клавиатуру и мышь. Убеждаемся, что все работает.

Теперь переходим к акустике. Раньше все шло через компьютер, который был подключен к хорошему усилителю и который, в свою очередь, был подключен к приличным колонкам. В объем нового устройства все это не впихнешь. Да и нет смысла. Для такой звуковой карточки хватит чего-нибудь попроще. Опять ныряем в запасники и достаем вот такую (если можно так сказать) акустическую систему:

Разбираем ее и видим внутри:

Да уж, но на безрыбье и рак рыба. Надо будет съездить на дачу, там где-то лежат неплохие динамики и спаянный мной лет 12 назад усилок на К174УН7 - все же мощности у него побольше будет.

Подключаем этот "Звук".

Ну вот... что получилось.

Динамики на даче не были найдены (очевидно уже где-то использовал и забыл), но мир не без добрых людей и сосед отдал мне два автомобильных среднечастотника.

В процессе перетыкания туда-сюда клавиатуры одна из клавиш стала звучать только при сильном нажатии. Пришлось все разобрать и напоить родимую C 2 H 5 OH. Каждую клавишу, каждую резиночку протер, высушил и поставил обратно. Заодно щелкнул фотиком внутреннее устройство.

Усилитель на К174УН7 был обнаружен, но то ли кондеры на нем за это время приказали долго жить, то ли он слишком чувствительный. В общем, жутко фонит. Пришлось пока оставить старый усилитель.