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MIDI信號的解碼及實時音符顯示
摘要：介紹了MIDI數據的格式，討論了一種使用AT89C51系列單片機完成MIDI信號的實時解碼，從中提高音符數據，并隨時利用專用LED驅動芯片將音符顯示出來的設計方案。該方案經實際產品應用，證明合理可靠。關鍵詞：MIDI 串行接口 LED顯示
MIDI是音樂設備數字接口的簡答，是各種電子音樂設備之間數據傳輸的標準接口，廣泛應用于各種電子樂器上，目前較高檔的電子琴子均帶有MIDI接口。筆者在開發(fā)用于音樂教學的產品“音樂電教板”的過程中，遇到了有關MIDI信號解碼的問題，產品要求能夠接受電子琴傳送來的MIDI信號，并將相應的音符顯示出來。經過對MIDI協(xié)議的研究，用AT89C51單片機和128段LED顯示控制芯片BC7281構成的系統(tǒng)完成了設計要求。
1 MIDI信號簡介及與單片機的接口
MIDI信號的傳輸采用異步串行方式，(范文先生網www.ycxgx.cn收集整理)其速率為31.5kbps，數據格式為8個數據位、1個起始位和1個停止位。因此，完全可以采用MCS51單片機內部的硬件UART串口完成MIDI信號的接收和發(fā)送（本設計中只用到其接收部分），在硬件方面只需采取適當的電路進行電平轉換即可。
MIDI接口采用標準的5芯DIN連接器，如圖1。傳送電纜使用屏蔽層的雙絞線電纜，因為信號的傳輸利用的是電流信號而不是電壓信號，所以其抗干擾能力比較強，盡管其速率高達31.5kbps，傳輸距離仍可以達到15m，比常見的RS-232接口的傳送距離要遠。一般的MIDI接收電路如圖2，本文采用與之相同的電路。
其中RX接單片機的串口RX端，電路中的光耦既起到隔離的作用，又有電平轉換的作用，因為速率較高，必須選用開關速度較高的型號，這里使用的是6N136。D1是保護二極管。
MIDI中共有16個通道（channel），一般稱之為通道1至通道16，每個通道相當于樂曲中的個聲部，使用者可以為每個通道指定一種音色。音色可以是MIDI規(guī)范中規(guī)定的128種音色中的任何一種，每一個通道只能有一種音色。也就是說，在一個標準的MIDI系統(tǒng)中，最多相當于可以有16種樂器同時演奏。
按照MIDI協(xié)議的規(guī)定，傳送的數據可以分為兩類：狀態(tài)字節(jié)和數據字節(jié)。所謂狀態(tài)字節(jié)實際就是命令字，表明其后所跟數據的種類，狀態(tài)字節(jié)總是大于等于80H，而數據字節(jié)總是小于80H，因此，可以很容易地區(qū)分狀態(tài)字節(jié)和數據字節(jié)。在狀態(tài)字節(jié)中，用數據的低4位表示通道號，高4位表示不同的命令。比如，設定音色為ChH指令，其中n是通道號。
在各種MIDI的指令中，與本機有關的只有兩種：8nH和9nH（n為通道號），兩種指令的基本格式一樣，一般由3個字節(jié)組成，格式是：
8n(9n) aa bb
其中，aa是音符數據，表明所演奏的音符，其范圍為0～7fH，這樣共有128個音符，足以覆蓋整個音域；bb是速度數據，表明擊鍵的速度，又稱力度數據，其范圍也是0～7fH。
第一個字節(jié)是狀態(tài)字節(jié)（指令），其具體含義說明如下：
8nH——“音符關”指令，在多數MIDM設備中，該指令中的速度數據bb被忽略。
9nH——“音符開”指令，如果速度數據等于0，則等同于8nH指令。在本機中，因為只需要顯示音符的開關，而不必考慮其聲音的大小，故速度數據被忽略（速度數據不等于0時）。
MIDI中有一個特殊的通道即通道10，通道10是節(jié)奏樂器的專用通道，與其它通道不同，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節(jié)奏樂器，因為節(jié)奏樂器是沒有音高的，一般如各種鼓等，在本機中，所要顯示的是各種旋律的音符，因此，通道10的數據要過濾掉。
2 顯示電路
音符的顯示，通過一個鋼琴鍵盤的面板，在鍵盤的每個鍵上，都有一個LED指示燈，用LED的亮和滅代表音符的開和關。一個完整的鋼琴鍵盤，83個鍵，再加上系統(tǒng)中用于指示工作狀態(tài)的指示燈等，本機需要顯示LED達100多個。因此，選用了16位數碼管（128位LED）及64鍵鍵盤接口芯片BC7281，該芯片可以驅動128個獨立的LED，同時還可以提供鍵盤管理，筆者設計的系統(tǒng)中16個按鍵，完全可以滿足要求。而其本身僅為18腳DIP封裝，體積小巧。
該芯片與MCU之間采用串行通信，只需要3根引線，為簡單起見，這里只給出本系統(tǒng)中鍵盤、顯示部分的電路框圖如圖3。
BC7281中有16位顯示寄存器，其每一數據位都對應著顯示矩陣中的一個LED，每個數據位都有一個位地址，用以做尋址，樣每一個LED的開關都可以單獨控制，其地址范圍是07FH。將地址0～52H的LED作為音符顯示用，69H～7FH的地址作為系統(tǒng)狀態(tài)指示用，共余LED顯示不用。
3 程序設計
因為MIDI數據的傳送速率較高，因此，決定采用中斷的方式來處理MIDI數據。對于顯示部分，則在數據區(qū)中設立一個特定的緩沖區(qū)，處理MIDI數據的中斷程序只負責對緩沖區(qū)內的數據進行更新，而不直接完成對顯示芯片的操作，這樣可以提高中斷處理速度。顯示的刷新，則放在程序的主循環(huán)中來完成。
用于處理MIDI數據的串口中斷程序，必須完成以下工作：
（1）根據狀態(tài)字節(jié)，過濾掉不必要的數據；
（2）根據保留下的“音符開”和“音符關”數據，更新顯示數據緩沖區(qū)。
因為設計要求所有旋律通道的音符都要顯示出來，也就是說，除第10通道外，每個通道的音符都要顯示出來。這樣就存在著音符重疊的問題，比如第一通道中的C音和第二通道中的C音同時演奏，這時如果單片機收到一個“音符關”指令，則必須判斷其它通道中有沒有相同的音符處在“開”的狀態(tài)，如果有，則相應的音符指示燈就不能關閉。為了到達這個目的，將音符顯示的緩沖區(qū)設置為一個128單元的數組，數組單元和MIDI的128個音符一一對應（雖然只需要顯示其中的8個音符），但是為了簡化程序及日后升級的方便，仍將數組設為128單元，只在主程序中顯示刷新的部分才將多余的數據忽略），每當收到一個“音符開”指令時，相應的數組單元就加一，而收到“音符關”指令時，則減一，在顯示時，只要數組單元不等于零，對應的音符指示LED就點亮，而只有在數組單元等于零時，才將已經點亮的LED關閉，“音符關”指令不直接控制LED，這樣就很好地解決了省符重疊的問題。
AT89C51串口中斷處理程序流程圖如圖4。
目前該產品已經批量生產，并已成功進入市場銷售一年有余，實踐證明該設計方案是合理和可靠的。
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