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MIDI是音樂(lè )設備數字接口的簡(jiǎn)答，是各種電子音樂(lè )設備之間數據傳輸的標準接口，廣泛應用于各種電子樂(lè )器上，目前較高檔的電子琴子均帶有MIDI接口。筆者在開(kāi)發(fā)用于音樂(lè )教學(xué)的產(chǎn)品“音樂(lè )電教板”的過(guò)程中，遇到了有關(guān)MIDI信號解碼的問(wèn)題，產(chǎn)品要求能夠接受電子琴傳送來(lái)的MIDI信號，并將相應的音符顯示出來(lái)。經(jīng)過(guò)對MIDI協(xié)議的研究，用AT89C51單片機和128段LED顯示控制芯片BC7281構成的系統完成了設計要求。 1 MIDI信號簡(jiǎn)介及與單片機的接口 MIDI信號的傳輸采用異步串行方式，其速率為31.5kbps，數據格式為8個(gè)數據位、1個(gè)起始位和1個(gè)停止位。因此，完全可以采用MCS51單片機內部的硬件UART串口完成MIDI信號的接收和發(fā)送（本設計中只用到其接收部分），在硬件方面只需采取適當的電路進(jìn)行電平轉換即可。 MIDI接口采用標準的5芯DIN連接器，如圖1。傳送電纜使用屏蔽層的雙絞線(xiàn)電纜，因為信號的傳輸利用的是電流信號而不是電壓信號，所以其抗干擾能力比較強，盡管其速率高達31.5kbps，傳輸距離仍可以達到15m，比常見(jiàn)的RS-232接口的傳送距離要遠。一般的MIDI接收電路如圖2，本文采用與之相同的電路。 其中RX接單片機的串口RX端，電路中的光耦既起到隔離的作用，又有電平轉換的作用，因為速率較高，必須選用開(kāi)關(guān)速度較高的型號，這里使用的是6N136。D1是保護二極管。 MIDI中共有16個(gè)通道（channel），一般稱(chēng)之為通道1至通道16，每個(gè)通道相當于樂(lè )曲中的個(gè)聲部，使用者可以為每個(gè)通道指定一種音色。音色可以是MIDI規范中規定的128種音色中的任何一種，每一個(gè)通道只能有一種音色。也就是說(shuō)，在一個(gè)標準的MIDI系統中，最多相當于可以有16種樂(lè )器同時(shí)演奏。 按照MIDI協(xié)議的規定，傳送的數據可以分為兩類(lèi)：狀態(tài)字節和數據字節。所謂狀態(tài)字節實(shí)際就是命令字，表明其后所跟數據的種類(lèi)，狀態(tài)字節總是大于等于80H，而數據字節總是小于80H，因此，可以很容易地區分狀態(tài)字節和數據字節。在狀態(tài)字節中，用數據的低4位表示通道號，高4位表示不同的命令。比如，設定音色為ChH指令，其中n是通道號。 在各種MIDI的指令中，與本機有關(guān)的只有兩種：8nH和9nH（n為通道號），兩種指令的基本格式一樣，一般由3個(gè)字節組成，格式是： 8n(9n) aa bb 其中，aa是音符數據，表明所演奏的音符，其范圍為0～7fH，這樣共有128個(gè)音符，足以覆蓋整個(gè)音域；bb是速度數據，表明擊鍵的速度，又稱(chēng)力度數據，其范圍也是0～7fH。 第一個(gè)字節是狀態(tài)字節（指令），其具體含義說(shuō)明如下： 8nH——“音符關(guān)”指令，在多數MIDM設備中，該指令中的速度數據bb被忽略。 9nH——“音符開(kāi)”指令，如果速度數據等于0，則等同于8nH指令。在本機中，因為只需要顯示音符的開(kāi)關(guān)，而不必考慮其聲音的大小，故速度數據被忽略（速度數據不等于0時(shí)）。 MIDI中有一個(gè)特殊的通道即通道10，通道10是節奏樂(lè )器的專(zhuān)用通道，與其它通道不同，其它通道中不同的音符表示不同的音高，而在通道1中，不同音符表示不同的節奏樂(lè )器，因為節奏樂(lè )器是沒(méi)有音高的，一般如各種鼓等，在本機中，所要顯示的是各種旋律的音符，因此，通道10的數據要過(guò)濾掉。 2 顯示電路 音符的顯示，通過(guò)一個(gè)鋼琴鍵盤(pán)的面板，在鍵盤(pán)的每個(gè)鍵上，都有一個(gè)LED指示燈，用LED的亮和滅代表音符的開(kāi)和關(guān)。一個(gè)完整的鋼琴鍵盤(pán)，83個(gè)鍵，再加上系統中用于指示工作狀態(tài)的指示燈等，本機需要顯示LED達100多個(gè)。因此，選用了16位數碼管（128位LED）及64鍵鍵盤(pán)接口芯片BC7281，該芯片可以驅動(dòng)128個(gè)獨立的LED，同時(shí)還可以提供鍵盤(pán)管理，筆者設計的系統中16個(gè)按鍵，完全可以滿(mǎn)足要求。而其本身僅為18腳DIP封裝，體積小巧。 該芯片與MCU之間采用串行通信，只需要3根引線(xiàn)，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，這里只給出本系統中鍵盤(pán)、顯示部分的電路框圖如圖3。 BC7281中有16位顯示寄存器，其每一數據位都對應著(zhù)顯示矩陣中的一個(gè)LED，每個(gè)數據位都有一個(gè)位地址，用以做尋址，樣每一個(gè)LED的開(kāi)關(guān)都可以單獨控制，其地址范圍是07FH。將地址0～52H的LED作為音符顯示用，69H～7FH的地址作為系統狀態(tài)指示用，共余LED顯示不用。 3 程序設計 因為MIDI數據的傳送速率較高，因此，決定采用中斷的方式來(lái)處理MIDI數據。對于顯示部分，則在數據區中設立一個(gè)特定的緩沖區，處理MIDI數據的中斷程序只負責對緩沖區內的數據進(jìn)行更新，而不直接完成對顯示芯片的操作，這樣可以提高中斷處理速度。顯示的刷新，則放在程序的主循環(huán)中來(lái)完成。 用于處理MIDI數據的串口中斷程序，必須完成以下工作： （1）根據狀態(tài)字節，過(guò)濾掉不必要的數據； （2）根據保留下的“音符開(kāi)”和“音符關(guān)”數據，更新顯示數據緩沖區。 因為設計要求所有旋律通道的音符都要顯示出來(lái)，也就是說(shuō)，除第10通道外，每個(gè)通道的音符都要顯示出來(lái)。這樣就存在著(zhù)音符重疊的問(wèn)題，比如第一通道中的C音和第二通道中的C音同時(shí)演奏，這時(shí)如果單片機收到一個(gè)“音符關(guān)”指令，則必須判斷其它通道中有沒(méi)有相同的音符處在“開(kāi)”的狀態(tài)，如果有，則相應的音符指示燈就不能關(guān)閉。為了到達這個(gè)目的，將音符顯示的緩沖區設置為一個(gè)128單元的數組，數組單元和MIDI的128個(gè)音符一一對應（雖然只需要顯示其中的8個(gè)音符），但是為了簡(jiǎn)化程序及日后升級的方便，仍將數組設為128單元，只在主程序中顯示刷新的部分才將多余的數據忽略），每當收到一個(gè)“音符開(kāi)”指令時(shí)，相應的數組單元就加一，而收到“音符關(guān)”指令時(shí)，則減一，在顯示時(shí)，只要數組單元不等于零，對應的音符指示LED就點(diǎn)亮，而只有在數組單元等于零時(shí)，才將已經(jīng)點(diǎn)亮的LED關(guān)閉，“音符關(guān)”指令不直接控制LED，這樣就很好地解決了省符重疊的問(wèn)題。 AT89C51串口中斷處理程序流程圖如圖4。 目前該產(chǎn)品已經(jīng)批量生產(chǎn)，并已成功進(jìn)入市場(chǎng)銷(xiāo)售一年有余，實(shí)踐證明該設計方案是合理和可靠的。 |
