MIDI2USB-音乐连接了我们

图1俄中美MIDI到USB转换器。图片由作者提供。



人们喜欢音乐。许多人知道如何演奏乐器。有些人尝试即兴创作甚至创作音乐。可以将电子乐器连接到您的计算机，以获得更多的创作可能性。这似乎很简单，但是大多数廉价的中文USB-MIDI适配器性能一般。谁在乎我如何制作MIDI2USB适配器，我邀请您阅读

问题的提法

几年前，我的侄子，正在学习音乐，开始即兴创作音乐。我希望他的作品不致遗失，但我设法只在录音机上录制了他的音乐作品。录制的质量不令人满意。我想直接在Cubase或MuseScore中记录笔记，然后对其进行编辑。为此，我决定购买一个中文USB到MIDI适配器（转换器）。





该适配器电缆很便宜，不能很好地工作。从合成器（电子钢琴）到计算机的数据传输不起作用。如果您用一根手指弹奏，则可以录制多个音符，并且在进行和弦或弹奏音阶时，适配器会挂起并变成砖头。另一个方向，即 将数据从计算机传输到合成器效果很好。在许多买家的评论中可以找到类似的故事。

完成中文适配器的方法

互联网上有许多有关如何改进或修改中文适配器的讨论。在此适配器的某些版本中，提供了一个光耦合器，但未焊接，从而在计算机和合成器之间提供了电流隔离。 las，就我而言，修订很困难，因为代替了光耦合器，安装了两个NPN晶体管。请注意，MIDI标准直接指定使用光隔离器，例如PC900V或6N138。光耦合器H11L1M（DIP-8）或H11L1SM（SO-6）具有相似的特性。可以使用具有合适参数的其他组件。





图2。中文适配器正在拆除过程中。图片由作者提供。



照片显示，外壳中有足够的空间容纳光隔离器和相关元件。一些工匠焊接现有组件，并在其位置安装带有“主体套件”的光隔离器。显然，该操作不仅需要知识，还需要良好的手部动作技巧。



但是在乐器和计算机之间提供光隔离是不够的。还需要一个精密的晶体振荡器或谐振器，以确保串行UART的时钟符合MIDI标准。我买的中文适配器不仅缺少光耦合器，而且缺少石英谐振器。当然，有些微电路在工厂中已对时钟单元进行了校准，但是没有这样的电路。通常，该中文产品的性能较低。 CH345芯片上内置有适配器-SSOP-20封装中的USB到MIDI转换器，但这不是我的情况。 CH345芯片具有硬件USB标签供应商ID：1a86，产品ID：752d。但是，任何“左手”微电路都可以（并且确实）给出相同的标识符，甚至可以“假装”为任何东西。



我在中文适配器中发现的最后一个小缺陷是软件（固件）。更准确地说，这是端点（EndPoints）的较小缓冲区大小，只有8个字节。这足以传输按下的音符，因为通过USB接口的MIDI信息由4个字节（电缆号，命令号和2个数据字节）组成。但是任何扩展名（例如SysEx）都可以更大。



一段时间后，我购买了另一根适配器电缆，即“专业USB MIDI接口”。该适配器要贵得多，性能要好得多，但是仍然有错误。这体现在以下事实上：演奏合成器几分钟后，他突然开始错过击键，反之亦然-没意识到释放琴键。我对中文适配器的结果感到失望，并决定遵循以下建议：“如果您想做得好，那就自己动手。”

硬件部分

首先，有必要考虑未来设备的方案并学习其他工程师的经验。现有的适配器在外观上看起来非常好，因此我决定使用外壳，LED和屏蔽电缆。而且，在莫斯科，MIDI电缆比现成的中文适配器贵。我拔出了中文板，测量了它的尺寸，并开始研究MIDI标准和在公共领域中成功的MIDI项目。





图3带有电缆的USB-MIDI适配器。



在撰写本文时，我知道几个有趣的项目：

1. 南京勤恒微电子CH345芯片文档的图表。
2. 使用USB协议的软件实现的Atmega微控制器上的旧项目。他们使用低速模式，Windows 7已弃用该模式，并且不支持该模式。
3. Arduino板的MIDIUSB库，具有对USB接口（Atmega32u4，Cortex-M）以及Maple等硬件的支持。

根据MIDI标准的建议，所有项目的电气原理图都包含许多样本片段。因此，仍然需要选择一个支持USB全速模式的微控制器，找到一个PC900V光耦合器和一个DIN-5（MIDI）插座。







我的MIDI2USB适配器的核心是Silicon Laboratories的8位EFM8UB20F64G微控制器。我真的很喜欢它，我会尽可能使用它。该控制器是C8051F380控制器的后继产品（更名后），它取代了传奇的C8051F320-Cygnal的成功开发，该产品于2003年被SiLabs收购。



我将列出支持EFM8UB20F64微控制器的论点：

• 易于开发的软件，表现为快速，易于使用的GPIO，SPI，UART，USB，PCA；
• 改进的8051内核（每条指令1-2个周期，48MIPS），“实时”改变频率；
• 内置稳压器，输出公差为+ 5V，电流高达100 mA；
• 内置的精确时钟发生器可通过USB主机校准（±0.25％）；
• 提供USBXpress，VCPXpress，USB设备API库和快速入门示例；
• 纯勘误表。

将此控制器编程为 寄存器很少，您可以专注于解决应用问题。arithmetic，算术运算（尤其是32位运算）很慢，但其他情况下EFM8则不错。为USB设备开发软件并非易事。SiLabs控制器的主要优点是USBXpress，VCPXpress，USB设备API库。甚至德州仪器（TI）在其SmartRF板上也使用C8051F320控制器。



光耦合器是适配器中第二重要的组件。我决定使用Sharp PC900V，因为它恰好在推荐的MIDI规格表中指明。该光耦合器的独特之处在于其开/关时间（1μs和2μs）以及数字输出均很快。但是也有缺点-微电路的大尺寸（7x10mm）和运行5年后的50％烧毁。光耦合器的尺寸不允许在电路板的一侧标记所有组件。我也不想放弃占用大量空间的MIDI接口。





图4带有PC900V光耦合器和LED的板的背面。图片由作者提供。



根据推荐的标准方案，将输出级组装在逻辑芯片74LVC2G04上，该逻辑芯片由两个反相器组成。该组件的主要目的是将逻辑信号电平从3V => 5V转换为至少10 mA的输出电流。





其余组件将执行辅助功能，并且不会显着影响设备的运行。电阻，电容，二极管和LED可以合理更换。您可以像中国人一样，使用微型USB或制作用于焊接电缆的引脚连接器，而不是微型USB连接器。MIDI连接器占用大量空间，并且不适合放入外壳，因此仅在适配器版本中使用，而没有外壳。MIDI-IN和MIDI-OUT信号被路由到插针头以进行电缆接线。通常，应根据情况调整LED和连接器的位置，以使其达到最佳位置。





图5 MIDI2USB适配器的调试版和盒装版本。图片由作者提供。



总消耗电流不超过50 mA。它由以下部分组成：

• 微控制器，15mA;
• 三个LED，15mA（3x5mA）;
• 微电路74LVC2G04，10 mA;
• 光耦合器PC900V，10 mA。

2层PCB由美国人在OSH Park制造，厚1.6mm，0.035mm铜，FR-4材料。

软件部分

设备软件的开发是开发的重要而关键的阶段。幸运的是，所有现代操作系统都有USB MIDI设备的驱动程序。任务减少了，您只需要为适配器编写固件。



我通常将Keil uVision PK51与配置向导2结合使用，有时还与IAR Embedded Workbench结合使用，而很少使用SiLabs Simplicity Studio。每种环境都有优点和缺点。在这个项目中，我决定使用IAR，因为我想拥有“带有类的C”。另外，IAR编译器提供对系统寄存器所有位的访问。例如，P2_bit.B0 = 1；或PCA0MD_bit.WDTE = 0;



无需使用“魔术常数”或充满CMSIS或“ SI_EFM8UB2_Register_Enums.h”的多级位表达式。las，所有这些功能都在ioEFM8UB20F64G.h文件中声明，该文件与si_toolchain.h库（例如，宏B0..B3）不兼容。我没有将项目翻译成Keil uVision PK51，而只是为所有开发环境编写了兼容的C代码。

项目代码分为几个功能部分

1. 文件“ main.c”包含入口点，全局变量的声明，初始化外围设备的调用以及主程序循环。
2. 文件“ init.c”包含时钟，端口，UART及其中断的设置。
3. descriptors.c文件包含音频类设备的USB描述符。
4. 文件“ midi.c”包含两个函数，用于将MIDI消息转换为USB事件，反之亦然。使用状态机。
5. 文件“ usbconfig.h”包含用于配置USB设备API库的操作模式的宏和定义（#define）。

我们来看一下端口，外围设备和主循环的main（）函数。

int main( void )
{
	WDT_Init();                             // Disable WDTimer (not used)
	PORT_Init();                            // Initialize ports (UART, LEDs)
	SYSCLK_Init();                          // Set system clock to 48MHz
	UART0_Init();                           // Initialize UART0 @31250, 8-N-1
	USBD_Init( &usbInitStruct );            // Initialize USB, clock calibrate
	LED_IN  = 1;                            // Blink LED
	LED_OUT = 1;                            // Blink LED
	IE_EA   = 1;                            // Global enable IRQ

	while(1)
	{
		//--- MIDI => USB
		if( nMidiCount > 0 )
		{
			IE_EA  = 0;                     // Begin: Critical section
			if( USB_STATUS_OK==USBD_Write(EP1IN,aMidiBuffer,nMidiCount,false) )
			{
				nMidiCount = 0;             // Reset MIDI data byte counter
			}
			IE_EA  = 1;                     // End of: Critical section
			LED_IN = 0;                     // Turn off input LED
		}

		//--- USB => MIDI
		if( nUsbCount )
		{
			uint8_t i;
			LED_OUT = 1;                    // Turn on Led on New packet
			for(i = 0; i < nUsbCount; i++)  // Process every data byte
			{
				USB2MIDI( aUsbBuffer[i] );  // Convert USB packet into MIDI
			}
			nUsbCount = 0;                  // Reset counter
			USBD_Read(EP2OUT, aUsbBuffer, sizeof(aUsbBuffer), true);
			LED_OUT = 0;                    // Turn off Led, when done
		}
	}
}

用于USB设备的SiLabs库由一组子例程组成，这些子例程根据“ usbconfig.h”文件中的设置被编译并包含在项目中。这与Atmel（现为Microchip）的微控制器代码中的“ libusb，V-USB”库非常相似。应该注意的是，从程序员的角度来看，SiLabs具有良好而便捷的库。



设备，配置和接口的描述符（描述符）在任何USB设备的操作中都起着重要作用。设备使用这些描述符，将其要求，功能，参数等通知主机（计算机）。通常在每个USB库中都有处理描述符请求的功能，并且仅要求程序员正确填写包含这些描述符的数据结构。





所有描述符，拓扑和术语在“ MIDI设备的通用串行总线设备类定义”标准中进行了详细介绍。为了快速入门并沉浸于该主题中，足以研究Windows Driver Kit 7600或“ USB Descriptor Dumper”中“ usbview.exe”程序提供的信息。您甚至可以将某些内容复制到程序中。





图6程序“ usbview.exe”中有关描述符的信息描述



符以及相应的数组和结构位于微控制器的闪存（代码段）中，因为这些数据不变（常数）。将常量存储在闪存中是一种典型的编程技巧，可让您节省RAM。



请注意设备描述符结构中的Vendor_ID和Product_ID字段。这是一对数字，用于唯一标识USB设备。要为您的设备获取一个这样的号码，您需要向USB-IF组织付款或向现有Vendor_ID（微控制器制造商）的所有者发送请求，并获取Product_ID。例如，您可以像中文一样使用其他人最合适的VID和PID。对于开源项目，可以选择获取免费的Product_ID。



开发MIDI流音频类的USB设备时，要注意的另一点是连接器（Jack）。连接器是虚拟的（虚拟的）实体，用于描述设备和主机之间的拓扑和连接。它们是输入（输入插孔）和输出（输出插孔），内部（嵌入式）和外部（外部）。每个连接器都有一个唯一的Jack_Id（数字从0到15）。输出连接器包含源ID号，即 用于连接的连接器编号。最后，音频端点（EP）在形成的通道（输入和输出流）的顶部工作。这些几乎是普通的Bulk EP，在其描述符中具有连接器绑定信息。





数字：7插孔和虚拟流至USB（MIDI类）。







USB MIDI类音频设备中的数据交换包括32位数据包（USB-MIDI事件数据包）的传输。从MIDI设备接收到1、2或3个字节的消息。通过USB传输时，带有电缆号和命令代码的起始字节被添加到这些字节中。如果数据包少于4个字节，则将其填充为0。在当前固件版本中，直到32位边界，我都不会填充零。有用。问题仍然悬而未决。



例如，在电缆＃1中，按Note On键（传输时间960us）的命令将转换为以下数据包：

MIDI：0x90 0x60 0x7f => USB：0x19 0x90 0x60 0x7f

图8 USB规范中的USB-MIDI事件包方案。

typedef union
{
	struct PACKET
	{
		uint8_t  cable : 4;            // Cable Number (we use #0)
		uint8_t  cin   : 4;            // Code Index Number (cmd: 0x08)
		uint8_t  cmd;                  // MIDI command (status byte)
		uint8_t  data1;                // MIDI data byte #1
		uint8_t  data2;                // MIDI data byte #2
	};
	uint8_t buffer[sizeof(struct PACKET)];
} MIDI_EVENT_PACKET;

通过MIDI2USB（）和USB2MIDI（）函数执行直接和反向转换。在这些功能中，使用状态机，当输入数据到达时，功能从空闲状态（IDLE）变为接收命令的状态（STATUS），然后变为接收数据的状态（DATA），最后发送数据并返回其原始状态期望。



在MIDI协议中，数据字节本质上是7位（0..127）。它们总是将最高有效位设置为0。相反，命令（状态字节）总是将最高有效位设置为1，即 值从128到255





。9 MIDI协议中的字节类型。





所有方案和源代码以及完成的固件都在我的git仓库中。MIT许可证。

软件

安装板后，应对微控制器进行编程。为此，您可以使用专有的/克隆SiLabs C2调试适配器，或J-Link v10 +（具有EFM8支持），或者使用出厂时已刷新的引导程序（修订版B），或者最后使用具有适当脚本的Arduino。对于检查和调试MIDI消息，MIDI-OX是一个很好的帮助。





图10 MIDI-OX程序界面



如果使用Cubase，则应安装Asio驱动程序，因为在使用DirectSound和DirectInput时，在按键和弹奏音符之间会有延迟。延迟与硬件无关，并且是操作系统实现的功能。通常，该设备可以在Casio CDP-100仪器上完美发挥其功能。





图11 Cubase 5界面。



实验固件生成了最大的音符和其他MIDI命令流。刺耳的声音很糟糕，但是一切都按预期进行。借助MuseScore 3.2，您可以录制和播放中间文件。

工作成果

适配器有效！看来我设法制作了一个很好的MIDI至USB转换器。对于我的设备，我使用了一个外壳，一些中文适配器的零件和电缆。迷你USB连接器的外壳很深，我不得不重做USB电缆并使用文件。这些LED尽管呈一定角度，但仍紧密地插入孔中。对于中国案例，需要修改董事会。





数字：12.紧凑的微型USB插头。



使用8位EFM8UB20微控制器的决定似乎有些争议。当然，还有其他选项和控制器。另一种方法是在CH345转换器上选择纯硬件解决方案，然后根据中国人推荐的参考方案制造器件。但是我的版本是通用的，因为 允许您更改固件，添加所需的功能或修复发现的错误。最后，我从完成的项目中获得了知识，经验和道德上的满足感。最后，我完成了我的文章，而您也完成了阅读。

有用的链接

• MIDI设备的USB标准
• MIDI规格1.0
• USB-MIDI适配器的比较
• 芯片CH345T
• 听这位年轻作曲家的作品
• 作者的开放项目

感谢您的关注。