（计算机应用技术专业论文）midi键盘控制器的研究与设计.pdf

ml 。i 键盘控制器的研究与设计 摘要 关键词：m i d l 键盘控制器，音序器，单片机，u s b 接口 m i d ik e y b o a r dc o n t r o l l e r sd e s i g na n dr e s e a r c h a b s t r a c t m i d ik e y b o a r dc o n t r o l l e ri st h em i d im u s i cs y s t e m si m p o r t a n tc o m p o n e n t ，m i d i m u s i cs y s t e mi sa l s oc a l l e dt h ec o m p u t e rm u s i cs y s t e m ，i sap r o d u c tw h i c hi su n i f i e d b yt h ec o m p u t e ra n dm u s i c ，i st h ed i s c i p l i n eo v e r l a p p i n g si m p o r t a n ta c h i e v e m e n t m i d ii st h ea c r o n y mo ft h ee n g l i s hm u s i c a li n s t r u m e n td i g i t a li n t e r f a c e ( d i g i t a l i n t e r f a c ee l e c t r o n i c si n s t r u m e n t s ) ，c o m p u t e rm u s i c sc e n t r a lc o n t e n ti n c l u d st h em i d i t e c h n o l o g ya n dd i g i t a la u d i of r e q u e n c yt e c h n o l o g y , t h ei n i t i a lc o m p u t e rm u s i cs t a r t s f r o mt h em i d it e c h n o l o g yp u l l i n gi nc o m p u t e rs y s t e m a st h er l a n l es u g g e s t s ，m i d ii s o n ek i n do fd a t ai n t e r f a c es t a n d a r du s e df o rt h et r a n s m i t t i n gs i g n a l sb e t w e e nt h e e l e c t r o n i ci n s t r u m e n t s ，i ti so n ek i n do fi n t e r n a t i o n a lg e n e r a lt e c h n i c a la g r e e m e n t ( m i d ia g r e e m e n t ) t h em i d ik e y b o a r dc o n t r o l l e rb e l o n g st o t h em i d im u s i c s y s t e m si n p u td e v i c e ，i tc a nt r a n s f o r m sm u s i cw h i c hi s p l a y e db yt h em i d i k e y b o a r dc o n t r o l l e rt ot h es t a n d a r d a r dm i d im e s s a g e s ，t h r o u g hf o l l o w i n gt h em d i a g r e e m e n t si n t e r f a c e ，i tc o m p l e t e st h e s em i d im e s s a g e s t h et r a n s m i s s i o n t h i sa r t i c l ed e s i g n st h em i d ik e y b o a r dc o n t r o l l e rw h i c hi sak e y b o a r dc o n t r o l l e ro f n o n - b r i n g i n gs o u n ds o u r c e ，i tf o l l o w st h em i d ia g r e e m e n t ，i tc a nt r a n s m i ts t a n d a r d m i d im e s s a g e st ot h ec o m p u t e r i tc a nc o n n e c tw i t hc o m p u t e r , e x t e r i o rs o u n ds o u r c e o ro t h e rm i d id e v i c et h r o u g ht h eu s bi n t e r f a c eo rs t a n d a r dm i d is e r i a lp o r t ，i tm a y t r a n s f o r i l lt h ek e yp r e s s e di n f o r m a t i o nw h i c hi sp r o d u c e db yt h ek e y b o a r dt ot h em i d i m e s s a g ec o n v e n i e n t l ya n da c c u r a t e l y , t h e ni tp a s s e st h e mt ot h ec o m p u t e r , i no r d e rt o p r o c d u c ea n t i c i p a t e dm u s i c c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a l m u s i cc r e a t i o n ，t h e r e c o r d i n gm o d e ，i tw i l lb ep o s s i b l et oc a u s et h e s et ob em o r es i m p l e ra n dm o r e q u i c k l yt h r o u g hu s i n gt h em i d ik e y b o a r dc o n t r o l l e r t h i sa r t i c l eh a si z l t r o d u c e dt h em i d ik e y b o a r dc o n t r o l l e r s p r e s e n ts i , t u a t i o na n d c o r r e l a t i o nt e c h n i q u e se l e m e n t a r yk n o w l e d g e ，m e a n w h i l et h eq u e s t i o nw h i c hi s i n v o l v e di nc o n t r o l l e r sd e v e l o p m e n ta n dt h ed e s i g nh a sb e e nc a r r i e do nt h ed e t a i l e d i l e l a b o r a t i o n t h ea u t h o ru s e st h ec h i p st h r o u g ht h er e a s o n a b l ec h o i c e ，c a r r i e so nt h e h a r d w a r ed e s i g na n dt h es o f t w a r ed e v e l o p m e n t a sw e l la st h es y s t e mb o a r d sw e l d i n g a n dd e b u g g i n g ，h a sr e a l i z e das a m p l eo fs u c c i n c t a n dp r a c t i c a lm i d ik e y b o a r d c o n t r o l l e rf m a l l y , i t ss o f t w a r ea n dh a r d w a r e sd e s i g n h a st h eo r i g i n a l i t y k e yw o r d s ：m i d ik e y b o a r dc o n t r o l l e r ，s o u n dp r e f a c ed e v i c e ， s i n g l e - c h i p - m i c r o ，u s b i n t e r f a c e i l i 目录 第一章绪论1 1 1m i d i 键盘控制器的发展状况1 1 2 论文的研究内容2 1 3 论文的组织结构2 第二章计算机音乐与m | dl 键盘控制器4 2 1 计算机音乐4 2 1 1计算机音乐发展简史5 2 1 2 计算机音乐制作与传统音乐制作6 2 1 3 计算机音乐展望7 2 2mldl 技术基础8 2 2 1m ldi 接口8 2 2 2m i d l 消息9 2 2 3m l d i 文件1 0 2 2 4 标准m idl 文件格式1 0 2 3midi 键盘控制器n 2 3 1 硬件m l di 键盘控制器1 2 2 3 2m f d f 键盘控制器的主要功能1 3 2 3 3m idl 音序器软件1 4 2 4m l d i 与音乐1 5 2 4 1研究音乐的意义1 5 2 4 2 音乐各要素的概念1 6 第三章川dl 键盘控制器的硬件设计18 3 1midi 键盘控制器设计构思1 8 3 2a t 8 9 0 5 1 单片机1 8 3 3u m d 0 6 芯片2 1 3 3 1u m d 0 6 芯片特点2 2 3 3 2u m d 0 6 芯片封装及引脚2 2 3 3 3u m d 0 6 芯片的功能2 4 3 3 4u m d 0 6 芯片的参数说明2 4 3 3 5l i m d 0 6 芯片与a t 8 9 c 5 1 接口2 5 3 4m l d l 键盘控制器的电路设计与制作2 6 3 4 1设计电路图。2 6 3 4 2 电路板的制作2 7 3 4 3 电路板元件的焊接2 8 第四章d i 键盘控制器的软件设计2 9 4 1主程序设计2 9 4 2 通道控制3 0 4 3 音色选择31 。4 4 复位功能3 2 4 5 其他3 3 第五章系统调试与测试结果3 7 5 1 硬件连接与数据传输3 7 5 2 系统调试3 7 5 3 系统功能实现3 8 第六章总结与展望3 9 6 1 结论。3 9 6 2 不足与展望3 9 参考文献4 1 附录一4 2 附录二4 3 附录三4 4 附录四5 0 m i d i 键盘控制器的研究与设计 第一章绪论弟一早三石了匕 自从上个世纪中期计算机发明以来，计算机音乐( c o m p u t e rm u s i c ) 就开始了 它生命的历程，作为电子音乐大家庭中的重要一员，几十年来计算机音乐技术得 到了快速的发展。通常人们把那些使用数字技术及c p u ( 中央处理单元) ，或利 用计算机所做的音乐都称为计算机音乐，这是一个较宽泛的范围。如果给一个较 准确的定义，应当说计算机音乐是运用现代电子计算机数字传送的原理，采用 m i d i 技术标准，运用异步串行方式连接着若干电子乐器而组成的计算机音乐系 统。一个完整的计算机音乐系统通常包括m i d i 输入设备、音源、音序器、录音 及监听设备等，m i d i 键盘控制器就是一种最重要的m i d i 输入设备，它在计算机 音乐系统中得到了普遍的应用。 1 1dl 键盘控制器的发展状况 m i d i 键盘控制器作为计算机音乐系统的重要组成部分之一，也随着计算机 音乐的发展而不断发展进步。随着p c 机的迅速普及和计算机功能的不断强大、 完善，计算机音乐系统中包括合成器、计算机主机、计算机音乐软件、音源、m i d i 信息传输连线、调音台、数码录音机等各种周边设备也都有了改进提高，m i d i 协议也不断完善了。 m i d i 键盘控制器是属于计算机音乐系统中输入装置。它是一种能够通过计 算机的串行接口与计算机连接的、类似于电子琴键盘的装置，通过它可以直接把 键盘弹奏的音乐记录生成m i d i 音频文件，是当今计算机多媒体应用中( 主要指 音乐应用) 不可或缺的一部分。由于m i d i 键盘的研究属于计算机与音乐这两个 学科交叉形成的边缘学科，国外的m i d i 键盘在一些功能上的研究也不是很成熟， 还没有更系统的阐述，这方面的书籍论文资料极少，更没有图纸资料。由于计算 机音乐技术是由国外引进，我国对于此类产品的开发整体呈脱节状态，没有系统 的研究。加之国内计算机音乐设备制造水平的落后，致使我国m i d i 键盘控制器 的设计制造还停留在初级阶段。这些存在的种种问题，导致国产的m i d i 键盘控 制器很难找到，并且功能也不完备，价格还比国外进口的m i d i 键盘更昂贵，所 以使用者往往是直接购买进口产品。目前国内一些小企业还停留在制作玩具m i d i 键盘阶段，这些键盘不能输出较复杂的m i d i 信息。 青海师范大学硕：l ：学位论文 1 2 论文的研究内容 本文通过研究、设计制作出一款m i d ! 键盘控制器，主要选用a t 8 9 c 5 1 单 片机及外围部件构成的小系统实现全部功能，通过u s b 接口进行数据传输，经 测试可良好的使用并能达到预期效果。其具体可实现的功能如下： 1 ) 由键盘按钮自主选择m i d i 消息的通道； 2 ) 任意改变m i d i 消息的音色以满足键盘手的需要： 3 ) 实现复音m i d i 消息生成； 4 ) 键盘键值的准确操作： 5 ) 通过并口、串口、u s b 接口与其它m i d i 设备相连，传输m i d i 数据； 6 ) 通过u s b 接口与计算机音序器软件关联。 本系统的硬件结构示意图如图1 1 ： 图i - i 系统硬件结构示意图 1 3 论文的组织结构 在本文第一章中，首先介绍了m i d i 键盘控制器的发展状况、论文的研究内 容等内容，着重描述了论文的设计思路，为论文的展开作了铺垫。第二章围绕 m i d i 键盘控制器介绍了计算机音乐、m i d i 技术基础、m i d i 键盘控制器、m i d i 与 音乐等内容。文中的三、四、五章从不同方面介绍了m i d i 键盘控制器的研究、 设计思路。其中第三章介绍m i d i 键盘控制器的硬件设计部分，主要从设计构思、 核心芯片的选择、电路的设计与制作等方面分别予以介绍。第四章则分别从主程 序的设计、通道控制、音色选择、复位、m i d i 消息发送等方面对m i d i 键盘控制 2 m i d i 键盘控制器的研究与设计 器的软件设计部分进行了介绍。第五章，根据实际的设计、实验介绍了系统的调 试、测试情况。最后一章，即第六章是总结与展望。 青海师范大学硕士学位论文 第二章计算机音乐与di 键盘控制器 m i d i 键盘控制器是计算机与音乐相结合的产物之一，计算机发展到一定水 平后，与音乐学形成了一门交叉学科，产生了计算机音乐。计算机音乐系统的核 心是m i d i 技术和数字音频技术，而最初的计算机音乐系统又是以m i d i 技术引入 计算机系统开始的。引入m i d i 技术以后，计算机从仅仅处理文字和数字的科学 机器、商业机器变成了强有力的音乐工作站，使科学更好的服务于生活。 本选题是针对复音m i d i 键盘控制器的研究，故在此选择性的介绍下计算 机音乐及m i d i 基础知识，重点介绍m i d i 键盘控制器。 2 1计算机音乐 音乐是一种抽象的艺术，用音高和节奏来展示艺术的魅力。计算机是一种科 技工具，把复杂的运算集中在小小的集成电路中，用高速的生活方式解脱现实的 束缚。随着p c 机的迅速普及和计算机功能的不断强大，特别是计算机技术向音 乐领域的渗入，计算机音乐这种边缘学科也随之出现并不断被音乐爱好者广泛的 传播，现今的计算机音乐主要还是应用于音乐制作方面，在现场演出、多媒体教 学等多方面计算机音乐也正在得到推广应用。 从广义上讲，在整个人类音乐活动中，有计算机参与的音乐就叫计算机音乐。 由于计算机已经深入到人类生活的方方面面，按照这个定义来衡量，几乎所有的 现代音乐都可叫做计算机音乐。 在狭义范围内，计算机音乐包括m i d i 制作和数字音频两大方面的问题。具 体的说，一个完整的计算机音乐系统应该包括m i d i 输入设备、音源、音序器、 录音设备、监听设备等。通常，m i d i 输入一般采用m i d i 键盘或者合成器键盘。 除此之外，m i d i 输入设备还有m i d i 吹管、m i d i 吉他、鼓机等。音源一般用外置 硬件音源，当然现在的软件音源也很好，使用的人也比较多。音序器，较早做 m i d i 的人一般都有硬件音序器，现在一般被计算机里的音序器软件所取代。所 以计算机加上音序器软件也可以看作是一台音序器。录音设备一般包括调音台、 效果器以及记录声音的载体。现在流行的h o m es t u d i o ( 家庭工作室) 通常使用 计算机里的硬盘作为录音的载体。录音软件替代以前庞大的录音设备，从而降低 成本提高效率。所以从现实意义上讲，计算机音乐系统乜儿朝，一般都是以计算机 为控制中，t l , 、以专业声卡为核心设备，连接其他周边设备，共同构成一套完整的 计算机音乐系统。 4 m i d i 键盘控制器的研究与设计 计算机音乐一般有两种方式。第一种，是先进行m i d i 编曲，然后把m i d i 信 号转录为音频信号再和其他真实乐器的录音或者人声混合，接着做母带处理，最 后输出成品。第二种，是在计算机的参与下进行真实乐器的录音，然后与人声混 合，母带处理后输出成为成品。也就是说在学习、制作计算机音乐之前，除了要 掌握计算机和音乐这两门基础学科的基本知识外，还需要录音方面的一些知识。 所以，要想进行计算机音乐制作，必须要有上述计算机基础操作能力、音乐素养、 音频基础等各方面的知识。 计算机音乐发展简史 计算机音乐几乎是伴随着计算机的发明而诞生的，它同时也是电子音乐大家 庭中的重要员。电子音乐( e l e c t r o n i cm u s i c ，也称t e c h m l ) ，简称电音。 它是一种兴起于十二世纪五十年代的先锋派音乐。1 9 5 1 年西德科隆广播电台最 初进行电子音乐试验，而影响最大的是西德的斯托克豪森，他于1 9 5 4 年制 作了习作i 、i i 并灌成唱片，此后电子音乐开始流行。电子音乐是用电 子音响原理制造而成的音乐。具体的说，就是把磁带的速度改变，或将其频率改 变，或将其频率过滤，振幅过滤，修改频率与振幅，运用回声技术等等，在经过 其它电子仪器和录音技术加以剪接处理，使之再生，复合，组成作品h 。在5 0 年代前期，电子音乐是经过计算后才制作的。5 0 年代末产生的电子音乐合 成器，可以直接控制音调、节奏、力度和音色，制作者选择应用电钮就能 产生各种奇妙的音乐。 随着电子音乐的发展和日益走向成熟，计算机音乐也随之出现。计算机音乐 的出现比很多人想象的要早得多，于1 9 5 7 年在新泽西州的默里希尔( m u r r a y h i l l ) 的贝尔实验室( b e l lt e l e p h o n e ) 里诞生晴1 。在这之前的一年，马克斯马 修斯( m a xv m a t h e w s ) 与约翰皮埃尔斯( j o h nr p i e r c e ) 在新泽西州麦迪逊 的德鲁大学参加一场音乐会，音乐研究家和钢琴演奏家迪卡纽林( d i k a n e w l i n ) 演奏了同一类型的一些作品，包括贝多芬的著名阐释者阿图尔施纳贝 尔( a r t h u rs c h n a b e l ) 的一首圆舞曲。马修斯和皮埃尔斯流露出不屑一顾 的神情，其中一个说： “电子计算机能做得比这更好。回到自己的实验室后， 马修斯开始使用计算机制造乐音，他制作了一个编译程序，将一个简单的指令转 化成代码，在一台电子计算机上形成双倍数的一个序列，产生出波状乐音的连续 振幅。他请求语言学家和声学家纽曼古特曼( n e w m a ng u t t m a n ) 在电子计算机 上创作一个曲调，然后大约在1 9 5 7 年5 月1 7 日，古特曼便完成了第一首电子计 算机音乐作品银色的天平( t h es i l v e rs c a l e ) 。这是一种前所未有的音乐， 是一种传统乐器无法发出的、自然界中也不存在的声音。随后，马修斯和皮埃尔 青海师范大学硕士学位论文 斯开始了电子计算机音乐的创作，并且还吸引了詹姆斯丁尼( j a m e st e n n e y ) 和让一克劳德里塞特( j e a n c l a u d er i s s e t ) 等作曲家加入到实验室中来，用 电子计算机制造声音的探索性创作手法，很快计算机音乐快速发展起来，其发展 势头之迅猛，是以前任何一种音乐制作形式都无法匹敌的。 从二十世纪五十年代至七十年代，计算机音乐主要运用于两个方面。一方面 是电子音响和音色的创造，利用计算机强大的计算能力，用数字0 和1 创造出人 间从未有过的美妙音响。另一方面就是用于音乐的分析，借助计算机来分析音乐 复杂的深层的内在规律，然后在分析的基础上编制创造新颖的、更多偏重理性的 作曲程序。计算机音乐作品更是五花八门，几乎一个作品一个样式，大多是现场 电子音乐、计算机合成音响、预先录制的音乐和音响，还有现实的所谓“具体音 乐 组合。 我国的计算机音乐出现在二十世纪八十年代初1 ，经过二十几年的发展，目 前在商业化进程方面基本与世界同步，但在除此之外的科学研究和技术开发方面 与世界水平差距较大。 八十年代后，计算机技术的日新月异使音乐制作者又多了件“超级武器”。在 计算机硬件方面，高品位、多功能的声卡层出不穷，不但能越来越真地模仿出各 种乐器的音色，还可以模仿出各种音响效果；在软件方面，各种音乐制作软件的 功能日趋完善，逐渐成为当代音乐家们必不可少的作曲工具，也为音乐爱好者提 供了一种与音乐接轨的便捷渠道。越来越多的软音源的出现使得计算机音乐 更丰富，音色更完美。现在的人们只需借助一个音乐制作软件加音色插件 就能模拟出各种乐器，音乐制作在人们心中的地位由原来的“遥不可及 变为“唾手可得 。现在的m i d i 软件也在向”傻瓜式”风格迈进，我们只要 懂得一些乐理以及音响知识，就能在上面进行谱曲创作，然后利用软音源 插件对每一条音轨进行处理，从而获得悦耳动听，种类万千的音乐。 总之，计算机音乐这一新生事物，产生时间虽然较短，但其发展之迅 速是有目共睹的。 2 1 2 计算机音乐制作与传统音乐制作 传统的音乐制作过程大多较为复杂。以前的音乐家在作曲时，总是先亲自写 好乐曲的总谱，再由专门的抄谱人员按照各个乐器抄好分谱，还要请一个与乐曲 体裁相应的乐队来进行排练演奏，作曲家听过演奏之后，再对不满意的地方进行 反复修改，直到满意为止 引。这样复杂的作曲程序，费时费力耗资巨大不说， 效果还往往得不到保证。最头痛的是，当把所有乐手招集齐之后，很难保证所有 乐手都能保持较好的演奏状态，出错是很难避免的，这为后期编辑带来了巨大的 6 m i d i 键盘控制器的研究与设计 工作量。为了得到最好的效果，乐手们往往要重复录制多遍，然后在后期编辑时 找出最好的一段，在磁带上做好记号用防磁剪刀剪去不需要的那段内容，再用胶 带把合适的部分连接起来最终完成一个乐曲的创作。由此看来传统的乐曲创作程 序，需要投入大量的时间、精力和金钱，这显然与当今日趋紧张的快节奏生活不 相适应。 现在使用计算机音乐制作系统制作音乐，可以用m i d i 编辑好大体的轮廓， 然后请乐手演奏其中比较重要的、富有表现力的那部分音乐，用数码的方式记录 下来。如果在录制的过程中，乐手出错，可以另外补录。最后，仅需要几个人就 可以完成了。现今有些美国大片的配乐甚至是一个人完成的。所以说，与传统录 制方式相比，计算机音乐制作方式具有省事、省时、节约资金、提高效率、保证 效果等多方面的优点。本世纪电子音乐的出现，终于使作曲家可以在一个键盘上 同时演奏出不同乐器的音色：而录音技术的不断提高，使各种音色的合成变得轻 而易举。有了这些辅助工具，作曲家们不必再依赖乐队，他们在一间小小的录音 棚内就可以随意作曲和编曲了。 另外，计算机音乐在制作过程中由于机器的参与，因此它的速度是非常精确 的。而乐队演奏，由于是人在控制乐器，所以速度方面不可能做到和机器一样精 确。即使在录音棚里面，有节拍器的帮助，人类也不可能做到那么精确，也没有 必要做到那么精确。而且在音乐艺术中，速度也是一个表现因素之一。即使恒定 了全局整体的一个速度，高水平的乐手还是可以根据自己对音乐的理解，在局部 进行速度的调整。比如前一小节速度略略偏慢，乐手可能就会在后一个小节提高 速度进行弥补。在整体上，他的速度还是稳定的。这就是所谓的人性化，而计算 机在这方面就要差多了。另外，计算机音乐在制作过程中往往是比较理性的，这 是由于制作过程所决定的，它可以忠实再现制作人的意图。而乐队演奏中，要受 到多方面因素的影响。有可能这些影响是积极的、有益的。比如乐队成员之间的 互相影响，可能会迸发出更多的音乐灵感和激情，使其演奏的音乐更富有艺术的 感染力表现力。所以，高水平的乐队演奏比计算机音乐更具艺术性和欣赏性。 2 1 3 计算机音乐展望 现代计算机音乐从无到有，经历了半个世纪的发展，至今已经形成了一个极 为庞大的规模。特别是近十年来，由于电子技术的日新月异，电子设备和电子乐 器的广泛应用与p c 机的迅速普及，使计算机音乐的发展更为迅速，进而更是将 计算机音乐分为计算机音乐辅助作曲、计算机打谱、音频编辑等。n - 十世纪末， 计算机音乐由最初的学术性、前卫性和交响性的“尖端科学己逐步扩展到了社 会广泛应用的诸多层面上：同时它也由以前的“实验室制作”类的专业创作领域 7 青海师范大学硕士学位论文 逐渐扩展到众多其他领域，以至于衍生出多种以电子乐器现场演奏为主体的新的 组合形式。二十一世纪的现代电子音乐已经由初创时期纯粹的专业探索领域扩大 到广阔的社会应用领域，由单线条发展转化为多元化的发展，在全球化发展的今 天与世界的接轨和融合是大势所趋，电子音乐作为二十世纪现代音乐的重要组成 部分活跃在国际音乐舞台上。 随着计算机技术的不断发展和进步，计算机音乐领域的实用成果也越来越 多，今天的电子琴、电子合成器【9 】中广泛地采用计算机技术，它们已经不仅是作 为一种独立的键盘乐器而存在，还可以通过各种接口与计算机互相连接，制造出 传统乐器有的或没有的各种电子声响，应用范围极为广泛。在电影配乐、广告配 乐、歌曲伴奏等各种场合都能见到计算机音乐装置的踪迹，可以经常见到有人举 办专场的计算机音乐演奏会。在流行音乐领域，计算机音乐更是倍受人们的喜爱。 由于它融入了多种元素而富有表现力和灵活性，这就必然促使计算机音乐得到普 及并不断发展和进步。另一方面，声频信号数字编码、压缩技术以及各种介质存 储技术的迅速进步，促进了计算机音乐在数字广播、多媒体、通信等领域以及在 各种音乐产品中的普及和应用，展现了广阔的市场前景。 利用计算机进行音乐教学是计算机音乐的一大有发展前景的应用领域。计算 机音乐教学可以把图形、文字、符号、谱表与发声结合起来，还可以是实时的、 动态的，并可进行提示。例如，关于音名的教学，在屏幕上可以写出音名的符号 c 、d 、e 、f 、g 等，同时画出五线谱表，以闪亮表示音符在谱表上的位置，又 同时出现琴键，显示出文章在琴键上的位置，还同时发声，这就等于是一次现场 教学了。利用计算机还可以做习题和练习，如记谱、识谱，辨别和弦、和弦的转 位和连接等，计算机会立即回答是否正确。可以用游戏的形式进行练习。用计算 机进行音乐教育的内容有乐理知识，练耳，作曲、乐器学习等。利用声控原理进 行视唱教学也是可以发展的。以上是计算机音乐教学内容的一些主要方面，这些 方面的内容都还在发展，而且还可以有更新的领圳1 0 j 。 计算机音乐自问世之初，即拥有人类无法达到的“准确性”，这既是它的优 势，也是它的劣势。过于准确使计算机音乐不具有任何“感情 因素，平淡而机 械。但随着计算机技术的不断革新，作曲者已经可以随意调整每一个音符的音量、 力度以及乐曲播放过程中的整体速度变化，如今的计算机音乐，已日益具备生命 力了。当然，计算机音乐要想真正走向辉煌，还需要我们不懈地进行努力。 2 2mldi 技术基础 2 2 1di 接口 m i d i 键盘控制器的研究与设计 m i d i 是英文m u s i c a li n s t r u m e n td i g it a li n t e r f a c e ( 电子乐器数字化接 口) 的缩写，它是电子乐器之间数据的发送和接收数据的规范。 它虽然叫做“接口”，实际上接口这个词是一个计算机科学术语，并不一定 专指硬件端口。在此它是指电子乐器用来交流、传输信号的一种标准协议，也就 是电子乐器之间对话的一种规范。声卡上的m p u 一4 0 1m i d i i n t e r f a c e ，就是一 种符合m i d i 协议的硬件端口，可以用来连接外置音源或m i d i 键盘。不同的音乐 软件之间同样可以通过m i d i 协议来通信，例如音序器软件和软音源之间的通信。 甚至还有专门的硬件或软件的m i d i 接口，如硬件m i d i 接口有五针g a m e 插口， 用来在多个音乐软、硬件之间传递信息，使其可以实现相互“对话”。 2 2 2 dl 消息 m i d i 设备使用的一系列m i d i 音符，可被认为是告诉音乐合成器如何播放 - d , 段音乐的指令。因为m i d i 数据是一套音乐符号的定义，而不是实际的音乐 声音，因此m i d i 文件的内容被称为m i d i 消。皂, ( m i d im e s s a g e s ) 儿1 2 】。一个m i d i 消息由1 个8 位的状态字节，并通常跟着2 个数据字节组成。在状态字节中，最 高有效位设置成“1 ”，低4 位用来表示这个m i d i 消息是属于哪个通道，4 位可表 示1 6 个可能的通道( 即是说一个m i d i 消息最多支持1 6 个通道) ，其余3 位的 设置表示这个m i d i 消息是什么类型的消息。m i d i 消息可分成通道消息( c h a n n e l m e s s a g e s ) 和系统消息( s y s t e mm e s s a g e s ) 两大类。m i d i 消息分类图如图2 1 所示。 图2 - 1m i d i 消息分类图 9 青海师范大学硕士学位论文 m i d i 通道消息可分成通道声源消息( v o i c em e s s a g e s 卜携带的演奏数据； 通道方式消息( m o d em e s s a g e s ) 表示合成器响应m i d i 数据的方式。m i d i 系 统消息分成公共消g ( c o m m o nm e s s a g e s ) 标识在系统中的所有接收器；实时 消息( r e a lt i m em e s s a g e s ) 用于m i d i 部件之间的同步；独占消息( e x c l u s i v e m e s s a g e s ) 厂商的标识代码。 2 2 3midi 文件 每种语言都有它自身的语法，按照某种语言的语法规范编写的文档，我们把 它叫做文件。m i d i 这种专用于计算机音乐的标准协议也可以看成是一种语言， 用m i d i 协议n 3 3 编写的文件就是m i d i 文件。m i d i 文件是由一条一条的m i d i 命令 组成的，并非像w a v 或m p 3 那样是量化的记录乐曲每时刻的声音变化。m i d i 文件记录的内容包含：音乐在什么时刻，用什么乐器( 即发出哪种音色的音) ， 以什么音符开始，以什么音调结束，加什么伴奏等等此类信息，所以m i d i 文件 本身是由一系列发音命令组成的，它的编码效率较高、播放时占用的内存空间较 少。m i d i 文件本身只是一些数字信号而已，不包含任何声音信息，而w a v 、m p 3 文件是把声音的波形记录下来，将记录下来的模拟波形转换成数字信息。例如， 1 分钟单音色音乐对应的m i d i 文件大小约为5 1 0 k ，仅是播放时间相同的m p 3 文 件的1 2 0 0 1 1 0 0 。另外，m i d i 音乐对于音频输出电路要求很低，实现起来比 较容易，而且，m i d i 音乐的表现力也相当不错。上述种种优点，使得m i d i 音乐 在嵌入式信息产品中得到了广泛应用。 2 2 4 标准di 文件格式 前面讲到了m i d i 文件的诸多优点，下面通过介绍它的格式来说明为什么它 会具有这些优点。 一个m i d i 文件由一个头块和多个轨道块组成n 耵“射。头块用来描述文件的格 式。一个轨道块可以类比为一个大型多音轨录音机，可以为某种声音、某种乐谱 n 础“钉、某种乐器或者需要的任何东西分配一个轨道。 1 头块： 头块出现在文件的开头，头块的一般格式为： 4 d5 46 86 40 0o o0 00 6 f f f fn i ln nd dd d 前4 个字节等同于a s c i l 码m t h d n8 1 ；接着m t h d 之后的4 个字节是头的大小， 它将一直是0 0o o0 00 00 6 ，因为现行的头信息将一直是6 个字节。f ff f 是文 件的格式，有3 种格式：a 、o 一单轨，很显然就只有一个轨道。b 、1 一多轨，同 l o m i d i 键盘控制器的研究与设计 步。同步多轨意味着所有轨道都是垂直同步的，也就是说它们都在同一时间开始， 并且可以表现一首歌的不同部分。c 、2 一多轨，异步。异步多轨指没有必要同时 开始，而且可以完全的不同步。t i nn n 是m i d i 文件中的轨道数。d dd d 是每个 4 分音符d e l t a - t i m e 节奏数。 2 轨道块： 头块之后剩下的文件部分是轨道块。每一个轨道包含一个头，并且可以包含 多条m i d i 命令。轨道头与文件头及其相似： 4 d5 47 2 6 bx x x x x x x x 与头一致，前4 个字节是a s c i i 吗，这个是m t r k ，紧跟m t r k 的4 个字节给 出了以字节为单位的轨道的长度( 不包括轨道头) 。 在头之下是m i d i 事件，这些事件同现行的可以被带有累加的m i d i 合成器端 口接受和发送的数据是相同的。一个m i d i 事件先于一个d e l t a t i m e 。一个 d e l t a t i m e 是一个m i d i 事件被执行后的节奏数，每个四分之一音符的节奏数先 前已经定义在了文件的头块中。这个d e l t a t i m e 是一个可变长度的编码值。这 种格式虽然混乱，可是允许根据需要利用多位表示较大的数值，这不会因为需求 小的数值情况下以添零的方式浪费掉一些字节。数值被转换为7 位的字节，并且 除了最后一个字节以最高有效位是o 外，各个字节最有意义的一位是l 。这就允 许一个数值被一次一个字节地读取，如果最高有效位是o ，则这就是这个数值的 最后一位。依照m i d i 规则，全部d e l t a - t i m e 的长度最多4 字节。 d e l t a - t i m e 之后就是m i d i 事件，每个m i d i 事件( 除了正在运行的事件外) 带 有一个最高有效位总是1 的命令字节( 值将 1 2 8 ) 。每个命令都有不同的参数和 长度，但是接下来的数据将是最高有效位为零( 值将： 或者 u s b u s b p m i d i 输出通道： 其它转 u s b m i d i 主机芯片 1 m i d i 信号输入 n 图3 - 2u m d 0 6 芯片通讯系统原理框图 3 3 1u m d 0 6 芯片特点 u m d 0 6 芯片有如下几个特点： 1 、全速u s b 设备接口，兼容u s bv 2 0 ，外围元器件只需要晶体和电容。 2 、提供一个m i d i 信号输入通道和两个m i d i 信号输出通道。 3 、符合相关规范，计算机端w i n d o w s2 0 0 0 x p 操作系统下无需安装驱动程 序。 4 、输入输出为t t l 电平，可以直接连接单片机，支持外加光耦隔离传输。 5 、采用s s o p - 2 0 无铅封装，兼容r o h s 。 3 3 2u m d 0 6 芯片封装及引脚 u m d 0 6 芯片采用s s o p - 2 0 贴片标准封装，该芯片宽度为5 3 0 m m 、长度为8 2 m m ， 属超小型2 0 脚芯片。 u m d 0 6 芯片共有2 0 个引脚，其中有5 个电源端，9 个输入输出端，一对双 向三态数据线等。具体的详见引脚图如图3 - 3 所示。引脚功能说明表见表3 - 2 。 下一节将给出详细的u m d 0 6 的功能说明。 m i d i 键盘控制器的研究与设计 u m d 0 6 t 1 1 1 2 g n d n o s 并 3 a c t 群v c c 1 2 4 m o u tn c 1 3 5 m i ng n d 1 4 6 v 3a c k 1 5 7 u d +m u x 1 6 8 u d -n c 1 7 9 g n ds l o w 1 8 x 1n c 1 9 1 0 2 0 x on c 图3 3u m d 0 6 芯片引脚图 表3 - 2u m d 0 6 引脚功能表 引脚 引脚号类型引脚说明 名称 1 9v c c 电源正电源输入端，需要外接0 1 虾电源退耦电容 1 、8 、1 7g n d 电源公共接地端，直接连到u s b 总线的地线 5v 3 电源在5 v 电源电压时外接容量为0 o l a f 退耦电容 9x l 输入晶体振荡的输入端，需要外接晶体及振荡电容 l ox o 输出晶体振荡的反相输出端，需要外接晶体及振荡电容 双向 6u d +直接连到u s b 总路线的d + 数据线，内置上拉电阻 三态 双向 7u d -直接连到u s b 总线的d 一数据线 三态 2 0n o s #输入禁止u s b 设备挂起，低电平有效，内置上拉电阻 3m o u t输出 m i d i 信号输出，高电平有效 4