解析MIDI电子琴的设计用单片机是如何实现的
摘要:用单片机控制通用MIDI音源模块制作制作出的电子琴，结构简单，可靠性高，并且价格低廉，具有实用的价值。这种电子琴能够支持单音和复音弹奏，如果与高品质的音源芯片连接，音质更可与高档电子琴相媲美。我们在实验过程中，也曾采用手机中通用的音乐芯片构成音源模块，效果不错，价格更低廉，如韩国产的QS6400 等，这些芯片的驱动要复杂一些，需要对芯片进行初始化设置，详细内容可参看国防工业出版社出版的《MIDI原理与开发应用》一书中的相关章节。
关键字:电子琴,单片机,音源板,MD2064
1、电子琴的硬件设计方案
本电子琴包含48个按键键盘，即具有4个8度的音域，单片机AT89C51通过对所弹按键的识别，产生相应的MIDI消息。它支持单音弹奏和最多16个复音弹奏。电子琴结构示意图和电路原理图分别如图1和图2所示。AT89C51作为主控芯片，它使得键盘矩阵模块、通道和音色选择以及串口发送等各功能模块协调工作。48按键行列式键盘矩阵构成MIDI电子琴的键盘扫描输入端，由于89C51的P0口内部没有上拉电阻，故这里采用电阻R14——R21将列线拉至高电平，与六条行线组合完成48个琴键的扫描识别，在图1中，单片机与键盘矩阵间的双箭头线表示单片机在扫描键盘矩阵时，P0口和P2口分别作为输入/输出口使用。人机接口电路则利用了单片机P1口的大部分口线，并通过或门向INT0发出中断请求，该部分电路主要完成MIDI电子琴的通道设置和音色选择等人机交互功能。键盘的弹奏信息以及通道、音色信息经CPU处理后，由串口将标准的MIDI数据发送给MIDI音源及放大器，推动扬声器发声。
图1:MIDI电子琴结构示意图
图2:MIDI电子琴电路图
音源模块采用MD2064 套板，如图3所示。它是一种模块化的MIDI音源产品，由得理电子公司开发，具有标准MIDI接口，该板能接受标准GM MIDI命令进行音乐播放，自带3D, REVERB, CHORUS等效果处理。由于该套板的MIDI 接口采用了光耦合器，电流驱动，故设计了由Q1、Q2等器件组成的驱动电路，使单片机串口数据得以正常传输。在模块的耳机输出端取得信号后，经小功率放大即可推动扬声器发声。
2、电子琴的软件设计特点
该电子琴软件采用模块化设计方法，程序也较简单。软件中各功能模块都由相应的子程序完成，主要包含通道选择模块，音色选择模块，48按键键盘扫描模块，串口发送模块等，其中为了及时完成用户命令，音色选择模块采用了中断服务子程序，可以在演奏中快速响应使用者的请求。
主程序在完成串口初始化、相关变量的初始化以及设置通道后，即进入键盘扫描、发送音符消息流程，为了使按键识别准确可靠，还设置了两个缓冲区BUFF1和BUFF2保存键盘扫描值。主程序流程图如图3。
图3:MIDI电子琴程序的流程图
以下是部分功能模块的程序设计介绍。
2.1 音色选择模块的设计
该模块的功能是使MIDI电子琴能按要求快速改变音色，所以采用了中断服务子程序。当某个音色选择按键压下时，通过或门向单片机的INT0发出中断请求，CPU响应后进入该中断服务子程序。MIDI技术规范规定，标准MIDI含有128种音色，它们的编号范围是0~127，为了能够快速找到所需音色，硬件中设置3个按键，其中2个用于音色编号的单步增加和减小，每次增加或减小1个音色编号，另外一个键用于音色快进，当快进键有效时，每次增加8个音色编号，选择增加8个音色的原因是：标准MIDI的128种音色是按每8个音色一组编排的，共包含16个乐器组。电子琴开机时默认的音色编号是0，即大钢琴音色。
单片机的P1.2口线连接着音色增加按键，P1.3则连接音色减小按键，P1.4连接音色快进键。低电平时按键有效，这三个按键通过与门连接外部中断INT0，以便实时响应音色设置。该外部中断0的中断服务子程序流程图见图4，（图中省去了按键延时去抖动部分）：
图4:音色改变子程序流程图
在该子程序中，变量TAMBER中存放当前音色，其值可在0~127间循环，当TAMBER是最大值127时，加1后又变为0；而当TAMBER为0时，减1则变为127；在边界范围加8取模后，刚好为其对应的音色值。
2.2 串口发送模块
串口发送模块主要用于发送产生的MIDI消息，串口采用的模式1，发送的波特率是31.25KBPS。串口通过驱动电路连接MIDI音源，发送MIDI消息。通道号存放在变量CHANNEL中，通过与90H相与，所得值就是当前所设置的通道号。
2.3 键盘扫描模块
本电子琴提供了48个MIDI按键，即4个8度音的音域范围，当按下单个键时，产生一条MIDI消息，当按下多个键值时产生对应键值的多条MIDI音符开消息，当某个键值被释放时，发送对应的音符关消息。这些MIDI消息通过串口发送给MIDI音源，产生MIDI音乐。音乐的时值由按键的时间长度控制，当按键被释放，实时产生MIDI消息，关闭被释放的键值音。
由P0口和P2口的P2.0~P2.5构成行列式键盘，也可继续扩展键盘，例如改为常用的49键或64键。因为支持复音按键，键盘扫描程序必须扫描到行列式键盘的每个键值，扫描所得的键值存放在缓冲区BUFF1或BUFF2中。键盘扫描程序获得的键盘编号范围是0~47，还需将这个键盘编号值转换为MIDI设备能够识别的钢琴键盘编号，这个功能由一个子程序来完成，限于篇幅本文不再详述。键盘扫描子程序流程如图5。
图5:键盘扫描子程序
追问我就是不想用MIDI模块啊，用单片机软件实现的成本低很多
追答要不，你用一键发两个不同频率的音符输出到末级再合成，只有这样最简单了。