MIDI信号的解码及实时音符显示

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MIDI信号的解码及实时音符显示


摘要：介绍了MIDI数据的格式，讨论了一种使用AT89C51系列单片机完成MIDI信号的实时解码，从中提高音符数据，并随时利用专用LED驱动芯片将音符显示出来的设计方案。该方案经实际产品应用，证明合理可靠。    关键词：MIDI 串行接口 LED显示
MIDI是音乐设备数字接口的简答，是各种电子音乐设备之间数据传输的标准接口，广泛应用于各种电子乐器上，目前较高档的电子琴子均带有MIDI接口。笔者在开发用于音乐教学的产品“音乐电教板”的过程中，遇到了有关MIDI信号解码的问题，产品要求能够接受电子琴传送来的MIDI信号，并将相应的音符显示出来。经过对MIDI协议的研究，用AT89C51单片机和128段LED显示控制芯片BC7281构成的系统完成了设计要求。
1 MIDI信号简介及与单片机的接口
MIDI信号的传输采用异步串行方式， 其速率为31.5kbps，数据格式为8个数据位、1个起始位和1个停止位。因此，完全可以采用MCS51单片机内部的硬件UART串口完成MIDI信号的接收和发送（本设计中只用到其接收部分），在硬件方面只需采取适当的电路进行电平转换即可。
MIDI接口采用标准的5芯DIN连接器，如图1。传送电缆使用屏蔽层的双绞线电缆，因为信号的传输利用的是电流信号而不是电压信号，所以其抗干扰能力比较强，尽管其速率高达31.5kbps，传输距离仍可以达到15m，比常见的RS-232接口的传送距离要远。一般的MIDI接收电路如图2，本文采用与之相同的电路。
其中RX接单片机的串口RX端，电路中的光耦既起到隔离的作用，又有电平转换的作用，因为速率较高，必须选用开关速度较高的型号，这里使用的是6N136。D1是保护二极管。
MIDI中共有16个通道（channel），一般称之为通道1至通道16，每个通道相当于乐曲中的个声部，使用者可以为每个通道指定一种音色。音色可以是MIDI规范中规定的128种音色中的任何一种，每一个通道只能有一种音色。也就是说，在一个标准的MIDI系统中，最多相当于可以有16种乐器同时演奏。
按照MIDI协议的规定，传送的数据可以分为两类：状态字节和数据字节。所谓状态字节实际就是命令字，表明其后所跟数据的种类，状态字节总是大于等于80H，而数据字节总是小于80H，因此，可以很容易地区分状态字节和数据字节。在状态字节中，用数据的低4位表示通道号，高4位表示不同的命令。比如，设定音色为ChH指令，其中n是通道号。
在各种MIDI的指令中，与本机有关的只有两种：8nH和9nH（n为通道号），两种指令的基本格式一样，一般由3个字节组成，格式是：
8n(9n) aa bb
其中，aa是音符数据，表明所演奏的音符，其范围为0～7fH，这样共有128个音符，足以覆盖整个音域；bb是速度数据，表明击键的速度，又称力度数据，其范围也是0～7fH。

    第一个字节是状态字节（指令），其具体含义说明如下：
8nH——“音符关”指令，在多数MIDM设备中，该指令中的速度数据bb被忽略。
9nH——“音符开”指令，如果速度数据等于0，则等同于8nH指令。在本机中，因为只需要显示音符的开关，而不必考虑其声音的大小，故速度数据被忽略（速度数据不等于0时）。
MIDI中有一个特殊的通道即通道10，通道10是节奏乐器的专用通道，与其它通道不同，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节奏乐器，因为节奏乐器是没有音高的，一般如各种鼓等，在本机中，所要显示的是各种旋律的音符，因此，通道10的数据要过滤掉。
2 显示电路
音符的显示，通过一个钢琴键盘的面板，在键盘的每个键上，都有一个LED指示灯，用LED的亮和灭代表音符的开和关。一个完整的钢琴键盘，83个键，再加上系统中用于指示工作状态的指示灯等，本机需要显示LED达100多个。因此，选用了16位数码管（128位LED）及64键键盘接口芯片BC7281，该芯片可以驱动128个独立的LED，同时还可以提供键盘管理，笔者设计的系统中16个按键，完全可以满足要求。而其本身仅为18脚DIP封装，体积小巧。

    该芯片与MCU之间采用串行通信，只需要3根引线，为简单起见，这里只给出本系统中键盘、显示部分的电路框图如图3。
BC7281中有16位显示寄存器，其每一数据位都对应着显示矩阵中的一个LED，每个数据位都有一个位地址，用以做寻址，样每一个LED的开关都可以单独控制，其地址范围是07FH。将地址0～52H的LED作为音符显示用，69H～7FH的地址作为系统状态指示用，共余LED显示不用。
3 程序设计
因为MIDI数据的传送速率较高，因此，决定采用中断的方式来处理MIDI数据。对于显示部分，则在数据区中设立一个特定的缓冲区，处理MIDI数据的中断程序只负责对缓冲区内的数据进行更新，而不直接完成对显示芯片的操作，这样可以提高中断处理速度。显示的刷新，则放在程序的主循环中来完成。
用于处理MIDI数据的串口中断程序，必须完成以下工作：
（1）根据状态字节，过滤掉不必要的数据；
（2）根据保留下的“音符开”和“音符关”数据，更新显示数据缓冲区。

    因为设计要求所有旋律通道的音符都要显示出来，也就是说，除第10通道外，每个通道的音符都要显示出来。这样就存在着音符重叠的问题，比如第一通道中的C音和第二通道中的C音同时演奏，这时如果单片机收到一个“音符关”指令，则必须判断其它通道中有没有相同的音符处在“开”的状态，如果有，则相应的音符指示灯就不能关闭。为了到达这个目的，将音符显示的缓冲区设置为一个128单元的数组，数组单元和MIDI的128个音符一一对应（虽然只需要显示其中的8个音符），但是为了简化程序及日后升级的方便，仍将数组设为128单元，只在主程序中显示刷新的部分才将多余的数据忽略），每当收到一个“音符开”指令时，相应的数组单元就加一，而收到“音符关”指令时，则减一，在显示时，只要数组单元不等于零，对应的音符指示LED就点亮，而只有在数组单元等于零时，才将已经点亮的LED关闭，“音符关”指令不直接控制LED，这样就很好地解决了省符重叠的问题。
AT89C51串口中断处理程序流程图如图4。
目前该产品已经批量生产，并已成功进入市场销售一年有余，实践证明该设计方案是合理和可靠的。

李小路

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