Převodník síly úderu na MIDI signál

1. Cíl

V tomto článku vytvoříme základní stavební prvek k elektronickým bicím ovládaným pomocí MIDI sběrnice. Piezoelektrický senzor bude snímat sílu úderu do bubnu (blány nebo čehokoliv, na čem je senzor připevněn). Ta bude zaznamenána ve vrcholovém detektoru. Signál bude dále zpracován v mikroprocesoru tak, aby mohlo být použito minimální množství externích součástek. Z procesoru bude odeslán povel do MIDI zařízení.

2. Teoretická část

Definice MIDI

• MIDI = Musical Instruments Digital Interface („Digitální rozhraní hudební elektroniky“)

• MIDI = sériový jednosměrný komunikační protokol

• jednoduchost

• obecné rozšíření: hudební nástroje, zvukové karty, mobilní telefony

MIDI hardware

• proudová smyčka 5 mA

• symbol MIDI = „pětikolík“

• „TO HOST“, USB

MIDI protokol

• asynchronní přenos rychlostí 31250 Baudů

• negativní logika

• startbit (logická 0), 8 datových bitů a stopbit (logická 1)

  
  Obrázek 2: MIDI byte

• MIDI zprávy: stavový byte, datové byty.

Stavový byte

Popisek obrázku: Obrázek 3: Stavový byte

• hodnoty 128 – 255

• „co má přijímač provést“

Datový byte

Popisek obrázku: Obrázek 4: Datový byte

• hodnoty 0 – 127

• vždy definován počet očekávaných bytů

3. Praktické provedení

Výběr optimálního mikroprocesoru

PIC16F73:

• f_osc = 20 MHz, t_ic = 200 ns

• 22 vstupně-výstupních vývodů

• jednotka USART

• 3 časovače

• 192 bytů RAM

• 5 vstupů pro A/D převodník

• programová paměť FLASH: 4096 slov × 14 bitů

Schéma zapojení

Popis zapojení

1. Napájení

Celý obvod je napájen ze zdroje stabilizovaného napětí 9V. Na obvodu IO4 je napětí invertováno, a tak máme k dispozici souměrné napětí +9 V – 0 V – -9 V pro napájení analogové části. Za povšimnutí stojí, že k vytvoření záporného napětí stačí obvodu 7660 pouze dva elektrolytické kondenzátory (C4, C9), jejichž kapacity ani nemusí být definovány nijak zvlášť přesně.

Obvod U1 stabilizuje napětí +5 V pro digitální část. Jeho vstup i výstup je blokován keramickými kondenzátory C2 a C3, aby nedocházelo k zákmitům.

Je důležité v celém zařízení od sebe oddělit analogovou a číslicovou zem, aby rušivé impulzy z digitální části nepronikaly do analogové části.

2. Zpracování signálu

Signál je snímán piezoelementem PIEZO1. Ten se chová částečně jako kondenzátor (udržuje se na něm náboj), proto je přemostěn vybíjecím rezistorem R1. Signál je veden na detektor špičkové hodnoty, který se skládá z operačního zesilovače IO2 s blokovacím kondenzátorem C6, dále diody D1 a akumulačního kondenzátoru C1 s vybíjecím odporem R2. Změnou tlaku na piezoelementu se na něm vytváří napěťový impuls, který je zesílen v IO2, jeho časový průběh je integrován na kondenzátoru C1 a je na něm udržována jeho maximální hodnota.

Dioda D2 slouží k ochraně vstupu mikroprocesoru.

Veškerou další činnost přebírá mikroprocesor PIC16F73. Ten po určitých časových intervalech snímá analogovou hodnotu a převádí ji na osmibitové slovo. Pokud přijde z piezoelementu impulz, číslicová hodnota signálu exponenciálně stoupá. Jakmile přírůstek mezi jednotlivými vzorky je menší než pevně stanovená konstanta, znamená to, že nárůst napětí na špičkovém detektoru je téměř u konce a číslicovou hodnotu můžeme považovat za platnou. Přes rozhraní USART je vyslán MIDI signál:

<nota zapnuta na kanále 10>
<číslo noty: 38 – Snare>
<rychlost zapnutí: podle hodnoty z A/D>

Po odeslání dat se analogový vstup přepne na číslicový výstup, přepne se do log. 0, a tím vynuluje kondenzátor C1. Celý proces se pak může dále opakovat.

Realizace na nepájivém kontaktním poli

4. Související odkazy

• www.microchip.com – výrobce jednočipových mikroprocesorů PIC

• www.midi.org – organizace zastřešující MIDI normu

• www.formica.cz – program na kreslení schémat a plošných spojů

5. Závěr

Zařízení bylo realizováno na nepájivém kontaktním poli. Použitý mikroprocesor umožňuje připojení až pěti analogových vstupů. S použitím externího osmivstupového multiplexeru se nabízí možnost snímat až 40 různých bicích nástrojů.