MIDI是電子樂器的語言，隨著MIDI的誕生，數(shù)字化電子樂器已經(jīng)越來越多，MIDI的應用也越來越普遍，在電子樂隊演奏，電子音樂制作等各個領域，發(fā)揮著越來越大的作用。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，聲卡已經(jīng)成為普通計算機的標準設備，通過聲卡的MIDI接口，可以連接各種各樣的MIDI設備。連上專供輸入的MIDI鍵盤，再配上相應的軟件，計算機就可以完成電子琴的功能，甚至可以進行電子音樂的制作。由于 MIDI自身的特點，它形成的音樂易于進行后期制作，越來越為廣大音樂工作者所喜愛，而MIDI鍵盤作為輸入最有效的工具，也越來越普及。

有些計算機音序軟件支持用電腦鍵盤模擬琴鍵，可通過計算機鍵盤將音符輸入計算機，有愛好者就用電腦鍵盤的控制芯片改裝玩具電子琴，將其并接在計算機鍵盤上，稱之為電腦琴，但這種控制芯片本身并不是為演奏音樂開發(fā)的，單音演奏還可以，在多個按鍵壓下時會出錯。本文將介紹如何用通用單片機實現(xiàn)MIDI鍵盤功能，并改裝各種電子琴，與計算機連接，從而實現(xiàn)通過MIDI接口，把電腦變成真正的，可支持復音的電子琴。

一、MIDI信號及聲卡的MIDI接口

MIDI 是一種異步串行通訊協(xié)議，其傳輸速率為31.25 K baud （每秒31250位），每個字節(jié)包括10 位，1個起始位，8個數(shù)據(jù)位，1個停止位，每個音符的開（或關）命令有3個字節(jié)，經(jīng)計算，不到1mS即可傳輸一個音符的開關命令。MIDI的數(shù)據(jù)流是單向的，不進行應答，設備發(fā)送音樂信息時，不管接收設備的狀態(tài)，而接收設備收到的信息，經(jīng)校驗正確的則執(zhí)行，錯誤的就忽略——這樣規(guī)定是由音樂本身的特點決定的，可以丟掉音符，但不能搞錯節(jié)拍，實時性最優(yōu)先。從物理層面上看，MIDI信號是電流傳輸?shù)模?mA代表邏輯“0”，0mA代表邏輯“1”。MIDI設備連接時，必須將輸出與另一設備的輸入連接。

圖1 典型的多個MIDI設備連接方式

計算機聲卡的MIDI／GAME接口是１５針的D型連接器，其中與MIDI相關的有：

1 +5V +5 VDC

4 GND 地

12 MIDITXD MIDI 輸出

15 MIDIRXD MIDI 輸入

圖 2 聲卡上的 MIDI/GAME接口

二、 單片機如何產(chǎn)生MIDI信號

本節(jié)介紹如何用目前在國內(nèi)處于最主流地位的５１系列單片機產(chǎn)生MIDI信號。實際上，這包含了兩層意思：１．如何產(chǎn)生符合MIDI協(xié)議的串行數(shù)據(jù)。２．接口電路。

絕大多數(shù)５１系列單片機都有串行通訊控制器（UART），配合合適的晶振，正確地設置UART的工作參數(shù)，就能夠自動產(chǎn)生所需的串行數(shù)據(jù)。使用定時／計數(shù)器１（T/C1）作為波特率發(fā)生器。將串行口設置為方式１工作狀態(tài)（１０位異步收發(fā)，波特率由定時器控制），使用６MHz晶振，T/C1設為自動裝入８位計數(shù)器狀態(tài)（TMOD置為2xH），SMOD＝1，TH=FFH，此時正好發(fā)生31.25K的串行通訊數(shù)據(jù)，適用于MIDI協(xié)議。

串口及定時／計數(shù)器初始化如下：（C語言例程，下同）

void format（）;

{TMOD=0x21;//T/C1工作于８位自動裝入狀態(tài)//

TL1=0xff; TH1=0xff ; // T/C1常數(shù)，確定波特率//

SCON=0x50 ; //設串口工作于方式１，//

PCON=0x80 ; //相當于SMOD=1;//

TR1=1; //T/C1開始計數(shù)//

}

MIDI協(xié)議中，每一次音符操作，命令包含３個字節(jié)，連續(xù)發(fā)送，依次為“命令＋通道號”，“音符”，“力度”。命令的第一個字節(jié)的最高位為１，通道為０－１６，第二字節(jié)最高為位０，音符號為０－１２７，第三字節(jié)最高位為０，力度０－１２７。

發(fā)送一個音符命令：（參數(shù)cc，kk，vv分別為“命令＋通道號”，“音符號”，“力度”）

void send（uchar cc，kk，vv）

{ TR1=1; //開計數(shù)器//

SBUF=cc; //寫入寄存器//

while（TI==0）; //等待發(fā)送結(jié)束//

TI=0; //清發(fā)送標志//

SBUF=kk;

while（TI==0）;

TI=0;

SBUF=vv;

while（TI==0）;

TI=0;

TR1=0;

}

MIDI命令簡表

命令代碼

（cc）命令說明數(shù)據(jù)kk含義及說明數(shù)據(jù)vv含義及說明

8+ 通道號關閉音符 對應的MIDI音符0－127關閉音符的速度值

9+ 通道號 開啟音符對應的MIDI音符0－127 壓下琴鍵的速度值（力度）

A+ 通道號觸后壓力 對應的MIDI音符0－127 對應音符的觸后壓力值

B+ 通道號控制器 控制器號0－77

77－7F為通道模式信息 控制器值

C+ 通道號音色切換 音色號 0－127 無該字節(jié)數(shù)據(jù)

D+ 通道號通道壓力 該通道全部鍵盤的觸后壓力 無該字節(jié)數(shù)據(jù)

E+ 通道號彎音輪 彎音輪低位數(shù)據(jù)彎音輪高位數(shù)據(jù)

F系統(tǒng)普通信息、實時信息、及高級信息代碼忽略忽略

前面已經(jīng)介紹過，MIDI信號是單向的數(shù)據(jù)流，輸出設備不管接收設備的狀態(tài)，只是連續(xù)發(fā)出命令， 因此，MIDI鍵盤作為發(fā)送設備，只需輸出，對于51單片機，其TXD即可作為MIDI信號的輸出口，若不用轉(zhuǎn)發(fā)別的MIDI設備信號，RXD實際上就沒必要使用了。用51單片機的TXD腳，與聲卡的MIDI-IN腳（１５腳）相連，就可以很好的產(chǎn)生所需的MIDI信號，驅(qū)動聲卡。這種連接方式并不是MIDI協(xié)議中規(guī)定的標準的驅(qū)動方式，在MIDI協(xié)議中，采用了隔離傳輸?shù)姆绞剑瑑蓚€設備不是共地的，本文介紹的電路，由于要從MIDI接口取電，必然形成共地的連接方式，這樣，直接用單片機的高電平輸出 5mA電流，低電平電流接近0，就能工作，但由于不是隔離傳輸，傳輸距離不能太長。

三、控制板電路

電路原理圖如3所示。采用51系列單片機最小系統(tǒng)的標準電路，聲卡 MIDI接口的1，4腳為供電輸出，分別為 VCC、GND ； 15腳為MIDI-IN，接單片機串行輸出腳TXD。單片機的P0，P2口用來掃描鍵盤，可提供8x8的鍵盤掃描能力。絕大多數(shù)的電子琴的鍵數(shù)小于６４，這樣的安排夠用了。其他剩余的各腳，可用作工作參數(shù)預置，用來設置鍵值初值及所占MIDI通道號等。單片機采用89c51或其他兼容單片機，包括89s51，89f51，8751，97c51等。上拉電阻排選10kΩ， MIDI接口插頭是15針的D型連接器，一般都標出了其引腳標號，按標號連接即可。給出的原理圖及印制版圖，都是完整的，可直接使用。

圖3 單片機MIDI控制器電路圖

圖 4 控制部分印制板圖 采用89c51或兼容單片機

四、用玩具琴鍵盤改裝MIDI鍵盤

要分辨數(shù)十個按鍵的狀態(tài)，最簡單經(jīng)濟的方式就是采用矩陣式掃描鍵盤，其電路原理圖如圖5所示

圖5 鍵盤的電路原理圖

鍵盤以掃描方式工作，具體過程：

先由P0口發(fā)出段選通，每次選通一段，相應段選線被置為低電平，讀P2口，被壓下的鍵因與段選線接通，相應的端口輸入為低電平，這樣就完成了一段鍵盤（8個鍵）的狀態(tài)讀入過程，做8次循環(huán)，每次P0口的段掃移位一次，就完成了64個鍵的狀態(tài)讀入。由于樂器演奏時經(jīng)常會有多個鍵同時壓下的狀態(tài)，若不加處理， 則可能出現(xiàn)幾個段選通過按鍵短接在一起的情況，從而互相干擾導致邏輯不清，因此，在每個按鍵上串接二極管，用來阻隔無效的段選信號（高電平），使其不起作用， 這樣就可完全分辨出每個鍵的狀態(tài)， 而不會產(chǎn)生混亂。

樂器鍵盤的掃描與響應方式也有自己的特點，在掃描到鍵盤值后，與前一次的鍵盤狀態(tài)比較，如不變，則不響應，有變化，則判斷是被壓下還是抬起，發(fā)出相應的MIDI命令，并紀錄新的狀態(tài)。

掃描8X8鍵盤的程序如下，程序中的key_number［i］是全局數(shù)組， 用來存貯按鍵狀態(tài)，addition是全局變量，是設定該鍵盤第一個按鍵對應的MIDI音符的鍵值，全局數(shù)組和全局變量要在主程序中定義，程序中調(diào)用了前面給出的send（cc，kk，vv）函數(shù)：

void scan_key（）

{ uchar i，j，k，r，mmm，xu;

k=0xfe; // k值為段選輸出初值，第一位為0

for （i=0;i《8;i++）

{ P2=0xff;

P0=k; //輸出段選值

k=（k《《1）+1; //段選標志左移，末位補1，為下一循環(huán)準備

mmm=0x01; // 設按鍵查詢指針初值

r=P2; // 讀入鍵值

P0=0xff; //關閉段選輸出

xu=r^key_number［i］; //查詢鍵值是否改變，xu 為1的位為產(chǎn)生變化的按鍵

key_number［i］=r; //新的鍵值存入數(shù)組

for （j=0;j《8;j++） //作8次循環(huán)， 判斷具體產(chǎn)生變化的鍵

{ if（（xu&mmm）！=0） //用指針選擇被測的鍵

{ if （（r&mmm）！=0） //判斷最終情況，以確定是被壓下還是釋放

{send（0x80+chnal，i*8+j+addition，40）;} //關閉聲音，鍵值=i*8+j+addition

else{send（0x90+chnal，i*8+j+addition，127）;} //開始發(fā)聲

}

mmm=mmm《《1; //指針左移， 判斷下個鍵

}

}

}

MIDI協(xié)議中規(guī)定，全部的音符共128個，中央C音符對應的鍵值為60，為適合不同鍵數(shù)的鍵盤，必須為掃描到的鍵值加上相應的初值，使得第一個鍵正是所需的音符，程序中的變量addition 就是這個初值。

主程序的工作過程是上電復位后初始化，隨后循環(huán)調(diào)用鍵盤掃描程序，在本人提供的程序中還加進了諸如移調(diào)，通道號設置，初始值設定等功能，全部用單片機剩余的I/O口對地短路來設定，以適合各種不同的鍵盤，詳見程序文件。將程序用C51編譯軟件編譯成執(zhí)行代碼，燒錄至51單片機芯片，和外圍器件一起裝到印制板上，就制成了MIDI鍵盤控制板。

本人利用上述控制板，分別用玩具琴和低檔電子琴的鍵盤，改裝了多個MIDI鍵盤，均獲成功，受到好評，現(xiàn)一一介紹：

1.鋼片琴：老式的阻容震蕩式電子琴，等效電路如圖6，它是用按鍵選通不同阻值的電阻， 改變振蕩器的頻率來產(chǎn)生音符的，當兩鍵同時壓下，將導致電阻并聯(lián)，參數(shù)混亂，還有的采用串聯(lián)電阻網(wǎng)絡，多鍵壓下時，只有與振蕩電路最近的一個電阻有效， 而其他的被短路， 因此都不能支持復音，只能單鍵演奏，不能直接改成掃描式鍵盤，須作較大改動。

改裝時，去除所有的振蕩電阻，將鋼片電極剪為數(shù)段，每8個鍵為一段，每段接一位段掃，從左至右對應單片機P0口，從低到高。每段按鍵都由8個鍵組成，經(jīng)二極管（1n4148）按順序?qū)⒚慷蜗鄳陌存I連在一起，接入一路位掃（P2），最后一段不足8個可空著，共8路，最終電路參考圖7。

圖6 鋼片琴改裝示意

圖7 改裝后的玩具琴鍵盤電路圖 ，P0與P2接在控制板相應的連線上

2．掃描式電子琴：這類電子琴已經(jīng)做好了鍵盤的電路板，多數(shù)的琴線路與圖7類似，只是鍵數(shù)不等，斷開原來的電路，按照圖7 將P0，P2連接到控制板上即可。

注意有些型號的電子琴掃描電路的工作邏輯不一樣，為充分利用其線路板，可通過修改掃描程序來實現(xiàn)硬件最少的改變，這需要能充分分析原琴的電路，并弄懂鍵盤掃描原理，有編程能力的人做，否則，須對原板的線路按照圖7 電路改裝，用本人的程序來實現(xiàn)。有能力編程的讀者，對原程序稍加修改，把鍵值換算正確，就可以適合各種掃描式鍵盤，直接與控制板連上，而不需要對鍵盤硬件做改動。這些琴大致有兩種情況：

一種情況是每段的按鍵少于8個，這種情況下，在換算鍵值時，按照具體情況，把算式中的常數(shù)改一下即可；

鍵值=段號x常數(shù)+鍵號+addition

另一種是二極管的方向相反， 這種情況下，掃描方式可不變， 但按鍵的排列會產(chǎn)生變化，連接控制板的段選和位選接線對調(diào)，把計算鍵值的算式改變，同樣可不用改動鍵盤硬件。

鍵值=鍵號x常數(shù)+段號+addition

上兩個算式中的“段號”“鍵號”分別是掃描程序中規(guī)定的變量i 和j 。

改裝好的MIDI鍵盤，直接插到計算機聲卡的 MIDI/GAME接口即可，安裝好支持MIDI鍵盤輸入的音序軟件，你的電腦就變成了一臺集演奏，制作于一身的MIDI音樂制作設備了。使用模擬電子琴軟件，就是一臺電子琴，而且可以直接利用電腦的強大功能進行錄音，重放，或生成MIDI格式文件， 這是普通電子琴做不到的功能。如果使用音樂制作軟件， 還可以進行后期制作，在不同的MIDI通道中用不同的音色演奏，編輯合成后可達到小型樂隊的效果。

在這里，列出一些MIDI軟件及其官方網(wǎng)站，可去下載軟件的演示版，利用搜索引擎也可以找到其他的下載站點，它們都是本人試用過的，支持 MIDI 鍵盤的音序軟件。

MidiRunner 英文軟件，模擬電子琴

http://web.tiscali.it/midirunner/midirunner.htm

HappyEO 國產(chǎn)軟件，模擬電子琴，有自動伴奏風格組，界面漂亮

http://www.happyeo.com

Cakewalk 音樂編輯制作軟件，功能強大

http://www.cakewalk.com

BBW 自動伴奏，功能強大

http://www.pgmusic.com/

還有其他一些電子琴模擬軟件，從互聯(lián)網(wǎng)上可以查到， 只要支持MIDI口輸入，都可以使用。軟件安裝沒有特別要求，需注意的是，電腦聲卡的驅(qū)動程序要裝好，軟件使用時， 要設置允許外部MIDI設備輸入，輸入口選擇為 “MPU401”，輸出口要選擇能讓聲卡演奏MIDI的選項，因聲卡不同，名稱各異，如果在使用軟波表時有延遲，可選擇頻率合成輸出。

在本文中給出了MIDI命令簡表，表中所列的控制器（cc=B+通道號，kk，vv），音色切換和彎音輪命令，也是MIDI中也很常用的命令，其中有開關量， 也有模擬量，有興趣的讀者， 可以利用芯片的剩余接口，擴展測量能力，給你的MIDI鍵盤增加更多的功能。

本文給出的程序，沒有MIDI轉(zhuǎn)發(fā)功能，所以只能發(fā)出在本鍵盤上演奏的MIDI命令，有興趣的讀者可以自編程序，加入轉(zhuǎn)發(fā)部分，就可以把幾個鍵盤串接在一起，利用不同的MIDI通道 共用一臺電腦演奏。給本控制器單獨提供5V電源后，還可以接入其他的MIDI設備，比如具有MIDI輸入口的電子琴或合成器，變成雙鍵盤，使其發(fā)揮更大的效能。

配合本文電路的單片機源程序和已編譯的16進制代碼文件，隨本刊光盤提供，也可到d-originality.51.net 網(wǎng)站的資料區(qū)免費下載，如果有燒寫51系列芯片的設備，就可以自行編程。