Что это?
Наверняка вы слышали про такой старинный музыкальный инструмент, как шарманка. Когда, вращая ручку, исполняется записанная заранее по нотам мелодия. В этой статье мы решили воссоздать забытый инструмент, используя новые технологии.
Мы решили написать для нашей шарманки два варианта работы:
Что нам понадобится?
Как собрать?
Алгоритм
В этом проекте мы используем Arduino Leonardo, потому что она распознается компьютером как HID-устройство и может притворяться компьютерной клавиатурой. Если у вас другая платформа, например Arduino UNO, вы можете использовать второй вариант с подключением к MIDI-синтезатору, поменяв в скетче Serial1 на Serial .
Для виртуальной клавиатуры
Каждые 10 миллисекунд опрашиваем по очереди каждый датчик на предмет изменения, если датчик изменил своё состояние и увидел чёрное, отправляем подсоединенному компьютеру сигнал о нажатии клавиши, которой соответствует данный датчик.
Для M >
В случае с MIDI-синтезатором ситуация будет похожа на предыдущий случай. Также, каждые 10 миллисекунд опрашиваем по очереди каждый датчик на предмет изменения. Если датчик изменил своё состояние и увидел чёрное, отправляем на синтезатор MIDI-сообщение, в котором будет содержаться информация о нажатии ноты, которая закреплена за этим датчиком. Как только значения датчика опять вернётся к нулю, отправляем MIDI-сообщения, в котором будет содержаться информация о снятии ноты, которая закреплена за этим датчиком.
Большинство статей в интернете по изготовлению MIDI клавиатур, контроллеров, пультов и т.п. основываются на использовании MIDI-разъемов, подключение которых к современному компьютеру может оказаться проблематично. На старых звуковых картах был Game-порт, к которому можно было подключить джойстик или MIDI-устройство:
Однако, все новые материнские платы идут с встроенным звуковым контроллером, да и на звуковых картах зачастую отсутствует возможность подключения MIDI-устройств.
Остается либо покупать современную MIDI-клавиатуру, ди-джейский пульт и т.п. с USB выходом подключения к компьютеру, либо покупать/паять переходник, или же покупать специальную звуковую карту с возможностью подключения MIDI-устройств. Купить конечно не проблема, но мы же на этом сайте не для этого собрались, верно?
В данной статье я хочу показать, как можно на недорогом контроллере Arduino изготовить простейшую MIDI-клавиатуру с USB-подключением на 8 клавиш и колесом прокрутки.
Итак, я использовал:
контроллер Arduino UNO
8 шт. кнопок
8 резисторов 10 кОм
поворотный энкодер 25LB22-Q
макетная плата и перемычки
Схема подключения следующая:
Для подключения я использовал самый простейший вариант: 1 клавиша — 1 вход. Однако при большем числе клавиш, различных контролеров и т.п. входов может не хватить, поэтому придётся задействовать считывание данных либо через аналоговые входы (путем добавления резисторов разного номинала), либо путем мультиплексирования. Однако, если повесить несколько клавиш на аналоговый вход, то могут возникнуть проблемы со считыванием состояния, когда нажаты одновременно несколько клавиш. Поэтому, на мой взгляд мультиплексирование более приемлемый вариант.
Программное обеспечение Arduino
Структуру MIDI-данных я не буду рассматривать, т.к. это описано в статье: передача MIDI данных от Arduino в компьютер
Энкодер подключен к входам аппаратного прерывания, описание работы с ним я рассматривать не буду, т.к. программа проста и взята с официального сайта Arduino.
В данном проекте энкодер используется как колесо прокрутки для изменения модуляции (modulation wheel), однако его можно переназначить и для других целей (pitch bend и т.п.).
MIDI-данные от энкодера, с Arduino посылаются следующей строкой:
noteOn(0xB0, 0x01, encoder0Pos);
где 0xB0 — сообщение контроллера (control change)
0x01 — код контроллера (в нашем случае Modulation)
encoder0Pos — значение контроллера (в нашем случае 0-127).
Меняя коды контроллера вы можете использовать колесо прокрутки (энкодер) для самых разных контроллеров.
Отдельно стоит упомянуть Pitch Bend. Из спецификации MIDI следует, что необходимо послать сообщение из трех байт: 0xE0 (код Pitch Bend), MSB (старший байт), LSB (младший байт).
Два крайних байта хранят 14-битное значение pitch которое может лежать в пределах 0. 16383 (0x3FFF). Середина находится 0x2000, все что выше этого значения — происходить изменение высоты тона вверх, если ниже, то высота тона изменяется вниз.
В коде программы я закомментировал строчки если вы вдруг вместо modulation захотите использовать Pitch Bend (середина значения, разложение на 2 байта и др.)
Код определения нажатия клавиши включает в себя три состояния: клавиша нажата, клавиша удерживается и клавиша отпущена. Сделано это для того, чтобы можно было передавать значение длительности нажатия клавиши. Если это не нужно, то можно оставить только одно состояние (нажатие клавиши), программа в данном случае существенно упростится.
Для обработки состояния каждой из восьми клавиш, используется следующий код:
Обратите внимание, что если будет использоваться pitch bend, то encoder0Pos нужно будет возвращать не в ноль, а в 0x2000 (а лучше задать define в начале программы).
Итак, схема собрана, скетч в контроллер залит, запускаем Serial Monitor, меняем скорость передачи на 115200 и нажимая клавиши или крутя энкодер смотрим значения.
Если все нормально, то переходим к следующей части. Сразу скажу, что для меня она оказалось самой проблемной, и если бы я не нашел виртуального USB -> Midi конвертора, то этой статьи не было бы.
Программное обеспечение ПК (Windows)
Для того, чтобы принимать данные через USB виртуальный COM-порт от Arduino и передавать их в какую-либо программу MIDI-секвенсор, необходима специальная утилита: Serial MIDI Converter V2D (оф. сайт)
Программа мультиплатформенная, у меня заработала под Windows 7 x64, правда с некоторыми тормозами.
Запускаем ее, выбираем порт USB, скорость передачи (115200) и MIDI Input Port и MIDI Output Port.
Теперь, все те MIDI-данные, которые поступают на USB виртуальный СОМ-порт 12 перенаправляются на порт MIDI Yoke 6 (для создания виртуальных MIDI портов я воспользовался программой MIDI Yoke). Можно перенаправить их на Microsoft GS Wavetable Synth и др. порты.
Программа постоянно должна быть включенной. При нажатии клавиш или повороте ручки энкодера, внизу должен мигать индикатор Serial RX.
Для визуального отображения поступающих MIDI данных с порта мне очень пригодилась программа MIDI-OX (оф. сайт):
Обратите внимание, что в настройках MIDI Devices необходимо выставить порт MIDI Input.
Теперь, нажимая клавиши нот или вращая колесо, в Monitor-Output вы увидите MIDI-данные.
Т.о. при помощи программно-аппаратных средств мы получили возможность сделать на контроллере Arduino простейшую MIDI-клавиатуру с передачей данных в компьютер, для последующей их обработки, например в Cubase, в. т.ч. в реальном времени.
На основе данного проекта можно сделать DJ-пульт, полноценную MIDI-клавиатуру и т.п.
Ниже вы можете скачать скетч INO, Serial MIDI Converter V2D, MIDI-OX и MIDI Yoke
Самым трудным оказалось найти фейдеры. Купить их в городе невозможно, в российских интернет-магазинах какое то гуано, заказывать за рубежом не хотелось из за Почты России с ее молниеносной доставкой. Я уже, в общем то, хотел сделать все вообще без единого движкового резистора, когда коллега подкинул мне пару старых японских резисторов и я все же поставил один как кроссфейдер. Вообще, я почти не тратил деньги на этот проект и большинство деталей обрели вторую жизнь в этом устройстве. Корпус я пару месяцев до этого извлек из помойки на работе, в нем был собран какой то контроллер разряда аккумулятора (вероятно электропогрузчика, вероятно японского потому что там была дюймовая резьба, которую пришлось перенарезать). Мне понравилось что он литой и основательный. По работе мне часто приходится иметь дело с промышленной электроникой, что конечно наложило свой отпечаток и я постарался сделать устройство максимально технологичным в сборке. Я ненавижу шлейфы проводов вырывающиеся из устройства когда ты откручиваешь его крышку, поэтому я решил сделать мезониную конструкцию или этакий бутерброд из плат. Это несколько сложнее чем просто насверлить дырок в корпусе, вставить в них переменных резисторов и соединить все проводами, но зато у меня в корпусе нет ни одного провода и все разбирается-собирается как АК-47.
Первая плата в «бутерброде» это стандартный макетный «шилд» (shield) арудуино, на котором я по быстрому распаял аналоговый мультиплексор 4051, который занимается тем что переключает сигнал с каждого потенциометра на один из аналоговых входов ардуино. (всего их 6, а мне надо было минимум 8, поэтому пришлось мультиплексировать). 
Помимо мультиплексора на плате два светодиода, один из которых индицирует питание через USB, а другой через ключ на транзисторе висит на ноге Tx atmega и мигает при передаче MIDI сообщения. 
Вторая плата несет на себе все внешние органы управления ( потенциометры и кнопки) и является фальш панелью. Плата разведена в Layout Sprint и напечатана по кустарной ЛУТ технологии. 
При сборке платы последовательно вставляются друг в друга, последняя закрывает корпус, через 4 фторопластовые шайбы накладывается лиецевая панель из матированного оргстекла и весь «бутерброд» стягивается 4 винтами. 
Устройство в сборе выглядит так: 
Вероятно это самый маленький диджейский миди контроллер).
Что до софтовой части, то примеров полно на форумах по программированию ардуино и большую часть кода написал умный человек, прекрасно комментируя каждую строчку кода. Вот здесь описание этого проекта .
Я легко переписал его под свои нужды не имея опыта программирования на C, добавив обработку мультиплексора.
Если опустить детали, то работает это примерно так: При повороте ручки потенциометра меняется напряжение на его среднем выводе ( от 0 до 5 В, что соответствует его крайним положениям), напряжение оцифровывается АЦП и мы получаем байт который преобразуем в формат MIDI сообщения и шлем в последовательный порт, который есть у микроконтроллера для связи с другими цифровыми устройствами. На плате ардуино распаян USB-UART чип FT232 который поднимает виртуальный COM порт на компе. Дальше драйвер древнего синта Rоland который как нельзя кстати создан для работы через COM порт.
И вуаля. Единственная загвоздка это то, что стандартная скорость обмена в MIDI протоколе не стандартна для COM порта, но это быстро пофиксили обитатели форума ардуино, хакнув драйвер FT232.
Необходимо отредактировать файл FTDIPORT.INF
Маководы могут воспользоваться вот этим приложением
Ну и наконец в вашем любимой музыкальной программе любые элементы интерфейса раскидываются на кнопки и крутилки.
Вот небольшое видео в общих чертах демонстрирующее работу контроллера:
