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MIDI信號(hào)的解碼及實(shí)時(shí)音符顯示
摘要：介紹了MIDI數(shù)據(jù)的格式，討論了一種使用AT89C51系列單片機(jī)完成MIDI信號(hào)的實(shí)時(shí)解碼，從中提高音符數(shù)據(jù)，并隨時(shí)利用專用LED驅(qū)動(dòng)芯片將音符顯示出來(lái)的設(shè)計(jì)方案。該方案經(jīng)實(shí)際產(chǎn)品應(yīng)用，證明合理可靠。MIDI是音樂(lè)設(shè)備數(shù)字接口的簡(jiǎn)答，是各種電子音樂(lè)設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)接口，廣泛應(yīng)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(hào)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(hào)，并將相應(yīng)的音符顯示出來(lái)。經(jīng)過(guò)對(duì)MIDI協(xié)議的研究，用AT89C51單片機(jī)和128段LED顯示控制芯片BC7281構(gòu)成的系統(tǒng)完成了設(shè)計(jì)要求。
1 MIDI信號(hào)簡(jiǎn)介及與單片機(jī)的接口
MIDI信號(hào)的傳輸采用異步串行方式，
其速率為31.5kbps，數(shù)據(jù)格式為8個(gè)數(shù)據(jù)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(jī)內(nèi)部的硬件UART串口完成MIDI信號(hào)的接收和發(fā)送（本設(shè)計(jì)中只用到其接收部分），在硬件方面只需采取適當(dāng)?shù)碾娐愤M(jìn)行電平轉(zhuǎn)換即可。
MIDI接口采用標(biāo)準(zhǔn)的5芯DIN連接器，如圖1。傳送電纜使用屏蔽層的雙絞線電纜，因?yàn)樾盘?hào)的傳輸利用的是電流信號(hào)而不是電壓信號(hào)，所以其抗干擾能力比較強(qiáng)，盡管其速率高達(dá)31.5kbps，傳輸距離仍可以達(dá)到15m，比常見的RS-232接口的傳送距離要遠(yuǎn)。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(jī)的串口RX端，電路中的光耦既起到隔離的作用，又有電平轉(zhuǎn)換的作用，因?yàn)樗俾瘦^高，必須選用開關(guān)速度較高的型號(hào)，這里使用的是6N136。D1是保護(hù)二極管。
MIDI中共有16個(gè)通道（channel），一般稱之為通道1至通道16，每個(gè)通道相當(dāng)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(guī)范中規(guī)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(biāo)準(zhǔn)的MIDI系統(tǒng)中，最多相當(dāng)于可以有16種樂(lè)器同時(shí)演奏。
按照MIDI協(xié)議的規(guī)定，傳送的數(shù)據(jù)可以分為兩類：狀態(tài)字節(jié)和數(shù)據(jù)字節(jié)。所謂狀態(tài)字節(jié)實(shí)際就是命令字，表明其后所跟數(shù)據(jù)的種類，狀態(tài)字節(jié)總是大于等于80H，而數(shù)據(jù)字節(jié)總是小于80H，因此，可以很容易地區(qū)分狀態(tài)字節(jié)和數(shù)據(jù)字節(jié)。在狀態(tài)字節(jié)中，用數(shù)據(jù)的低4位表示通道號(hào)，高4位表示不同的命令。比如，設(shè)定音色為ChH指令，其中n是通道號(hào)。
在各種MIDI的指令中，與本機(jī)有關(guān)的只有兩種：8nH和9nH（n為通道號(hào)），兩種指令的基本格式一樣，一般由3個(gè)字節(jié)組成，格式是：
8n(9n) aa bb
其中，aa是音符數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)，表明擊鍵的速度，又稱力度數(shù)據(jù)，其范圍也是0～7fH。
第一個(gè)字節(jié)是狀態(tài)字節(jié)（指令），其具體含義說(shuō)明如下：
8nH——“音符關(guān)”指令，在多數(shù)MIDM設(shè)備中，該指令中的速度數(shù)據(jù)bb被忽略。
9nH——“音符開”指令，如果速度數(shù)據(jù)等于0，則等同于8nH指令。在本機(jī)中，因?yàn)橹恍枰@示音符的開關(guān)，而不必考慮其聲音的大小，故速度數(shù)據(jù)被忽略（速度數(shù)據(jù)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(jié)奏樂(lè)器的專用通道，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(jié)奏樂(lè)器，因?yàn)楣?jié)奏樂(lè)器是沒有音高的，一般如各種鼓等，在本機(jī)中，所要顯示的是各種旋律的音符，因此，通道10的數(shù)據(jù)要過(guò)濾掉。
2 顯示電路
音符的顯示，通過(guò)一個(gè)鋼琴鍵盤的面板，在鍵盤的每個(gè)鍵上，都有一個(gè)LED指示燈，用LED的亮和滅代表音符的開和關(guān)。一個(gè)完整的鋼琴鍵盤，83個(gè)鍵，再加上系統(tǒng)中用于指示工作狀態(tài)的指示燈等，本機(jī)需要顯示LED達(dá)100多個(gè)。因此，選用了16位數(shù)碼管（128位LED）及64鍵鍵盤接口芯片BC7281，該芯片可以驅(qū)動(dòng)128個(gè)獨(dú)立的LED，同時(shí)還可以提供鍵盤管理，筆者設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中16個(gè)按鍵，完全可以滿足要求。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，為簡(jiǎn)單起見，這里只給出本系統(tǒng)中鍵盤、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(shù)據(jù)位都對(duì)應(yīng)著顯示矩陣中的一個(gè)LED，每個(gè)數(shù)據(jù)位都有一個(gè)位地址，用以做尋址，樣每一個(gè)LED的開關(guān)都可以單獨(dú)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(tǒng)狀態(tài)指示用，共余LED顯示不用。
3 程序設(shè)計(jì)
因?yàn)镸IDI數(shù)據(jù)的傳送速率較高，因此，決定采用中斷的方式來(lái)處理MIDI數(shù)據(jù)。對(duì)于顯示部分，則在數(shù)據(jù)區(qū)中設(shè)立一個(gè)特定的緩沖區(qū)，處理MIDI數(shù)據(jù)的中斷程序只負(fù)責(zé)對(duì)緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，而不直接完成對(duì)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(shù)據(jù)的串口中斷程序，必須完成以下工作：
（1）根據(jù)狀態(tài)字節(jié)，過(guò)濾掉不必要的數(shù)據(jù)；
（2）根據(jù)保留下的“音符開”和“音符關(guān)”數(shù)據(jù)，更新顯示數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。
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