計算機接口使19世紀管風(fēng)琴自行彈奏

蘇格蘭愛丁堡的一群工程師如何利用賽靈思 Spartan-3E入門套件創(chuàng)造出機器人管風(fēng)琴手

正如許多新奇的創(chuàng)造一樣，這一切都始于酒吧里的一次談話。

“您知道樓上森林咖啡屋里的管風(fēng)琴嗎？”

“知道?！?

“我們應(yīng)該創(chuàng)造一個機器人管風(fēng)琴手來演奏它。”

“當(dāng)然，我們應(yīng)該這樣做！”

一次漫不經(jīng)心的交談促使我們著手開展“WaldflOte項目”。

我的日常工作是擔(dān)任賽靈思蘇格蘭公司IP部門的設(shè)計經(jīng)理，但在業(yè)余時間，我是“dorkbot”這個非正式組織的一分子，該組織旨在推進工程科學(xué)界與藝術(shù)界之間的草根協(xié)作；活動口號是“用電做離奇的事情”。我屬于愛丁堡地區(qū)的dorkbot（可以稱作“dorkbot alba”或“dorkbot Edinburgh”，主要取決于您對誰講）。我們的成員創(chuàng)造了很多新奇的東西，包括像素映射LED禮帽、自動牙刷、幻覺魔術(shù)設(shè)備、電磁改錐和各種噪音發(fā)生盒。鮮有意外傷害事故發(fā)生。

dorkbot Edinburgh團隊每隔一周于周二在森林咖啡屋聚會，這間咖啡屋位于愛丁堡大學(xué)附近，是由志愿者經(jīng)營的非贏利性聚會場所。我參加了幾周在這家咖啡屋舉行的聚會，一天晚上，當(dāng)我到樓上修理舞臺照明設(shè)備時，驚奇地發(fā)現(xiàn)自己置身教堂之中，這里有布道臺和唱詩班樓座，最重要的是，這里有一臺16英尺高的管風(fēng)琴。

事實上，咖啡屋所在的建筑曾經(jīng)是愛丁堡公理教會的會場——因此有管風(fēng)琴。但這里并不是這臺管風(fēng)琴最初的家。19世紀末，倫敦著名的管風(fēng)琴制造商Gray和Davison首次將這臺管風(fēng)琴安裝在愛爾蘭的都柏林城堡，1900年，不知什么原因，這臺管風(fēng)琴被轉(zhuǎn)移到愛丁堡。自此，這臺管風(fēng)琴經(jīng)過數(shù)次維修，一直留在愛丁堡。

酒吧閑聊之后，我們并沒有立即行動起來。在隨后7個月的聚會中，我們不斷地思考、探究、討論，最后設(shè)計出了幾種操縱管風(fēng)琴鍵盤的方式。

我們將這個項目取名為“Project WaldflOte”，是因為管風(fēng)琴上的一個音栓叫“WaldflOte”。在德語中，它的意思是“森林長笛”。由于管風(fēng)琴位于森林咖啡屋，因此聽起來還有些詩情畫意。

采用正確的機械部件

在開發(fā)的初始階段我們就明確地將問題分為機械和電子兩部分。如果我們能夠找到解決機械問題的方案，就能相對獨立地打造這兩個部分。

制約我們的主要因素之一是資金——我們沒有多少資金可用，全部資金僅為我們幾個核心成員自己籌集的資金。我們走遍尾貨市場，找到了一些價格合適的電磁鐵。我們能夠以1英磅左右（約合1.5美元）的單價得到100個這樣的電磁鐵，我們訂購了6個在管風(fēng)琴上進行試驗。

我們發(fā)現(xiàn)電磁鐵的尺寸非常理想，但電磁鐵芯的運動距離比要始終如一地觸動管風(fēng)琴白鍵所需的運動距離略短。盡管我們可以直接利用電磁鐵芯來驅(qū)動黑鍵，但我們?nèi)匀恍枰撤N杠桿來驅(qū)動白鍵。

電磁鐵組裝的首個原型如圖1所示，圖1為電磁鐵的工作原理圖。對于白鍵而言，頂部的膠合板杠桿的后面用管道膠帶作鉸鏈連接，當(dāng)電磁鐵通電時，它會受到下拉的力量。當(dāng)電磁鐵斷電時，管風(fēng)琴鍵自身會提供向上力——因此無需另外使用彈簧。對于黑鍵而言，從電磁鐵底部伸出的小銷可以足夠的力量直接按壓琴鍵，彈奏音符。

圖1：電磁體組件原型。

圖2：機械布局。

組件測試表明的確可以成功地按壓琴鍵。同時也表明，我無法做到將放置電磁鐵的空間七等分，其間隔無法接近鍵盤八度音階的實際間隔，因此，我們只能一次測試一個鍵。但我們證實了這個原理是可行的，因此，我們繼續(xù)開發(fā)工作，訂購了適用于整個鍵盤的部件，然后開始著手電子設(shè)計。

電子設(shè)計

在進行電子設(shè)計時，我們大家坐下來，粗略地設(shè)計出電子結(jié)構(gòu)；圖3為基本結(jié)構(gòu)圖。在圖的左側(cè)，MIDI消息由外部傳入（我將在下文詳細介紹MIDI協(xié)議）。圖的右側(cè)是一個位移寄存器鏈；控制器在驅(qū)動相應(yīng)的“數(shù)據(jù)”值填充位移寄存器鏈時，負責(zé)切換“時鐘”信號，然后通過“選通”信號將位移寄存器鏈的內(nèi)容并行發(fā)送至電磁鐵驅(qū)動器的輸入端。

圖3：電子結(jié)構(gòu)。

我們在位移寄存器/驅(qū)動器鏈上采用了74HC595位移寄存器IC。不過，電磁鐵試驗顯示每個電磁鐵大約需要15V電源提供350mA驅(qū)動電流——超出了CMOS輸出級的提供范圍。這了滿足這個要求，我們在每個位移寄存器IC上增加了一個ULN2803A Darlington輸出級。這個芯片還具備一個保護二極管，對切斷電流時電磁鐵生成的高反激電壓進行分流，避免增加一個分立式二極管。我們在萬用板上制作了幾個驅(qū)動器電路板原型，每個可驅(qū)動16個電磁鐵。

控制器設(shè)計

盡管我們可以采取多種方法設(shè)計控制器（包括利用Arduino平臺或采用其他微控制器），但我們最終還是選擇使用賽靈思Spartan-3E入門套件，因為我在賽靈思的日常工作中用過這種開發(fā)板，對相關(guān)工具了如指掌。特別是，我知道如何使用Platform Studio SDK和ChipScope等調(diào)試工具，由于這有可能是一個現(xiàn)場調(diào)試項目，這樣做可節(jié)省時間。我們使用賽靈思嵌入式開發(fā)套件，開發(fā)核心組件MicroBlaze子系統(tǒng)（圖4）。

圖4：MicroBlaze 子系統(tǒng)。

除了MIDI接口和位移寄存器接口，我們還選擇增加了串行RS-232控制端口，幫助我們調(diào)試系統(tǒng)。RS-232協(xié)議看起來有點老套，但在此類項目中，它的價值非凡。我們也增加了一些GPIO端口，用于驅(qū)動LED，讀取開關(guān)和按鈕，以便在無需使用控制端口的情況下，完成某些交互操作。

寫入MicroBlaze固件

我們已經(jīng)確定系統(tǒng)的最佳輸入接口是MIDI端口。自20世紀80年代以來，樂器數(shù)字接口（MIDI）已經(jīng)成為連接合成器等數(shù)控樂器與其他樂器或控制計算機的標(biāo)準(zhǔn)接口，因此，顯然我們也應(yīng)當(dāng)采用這種接口。MIDI將使我們?nèi)〉昧斯茱L(fēng)琴連接的最大靈活性。

MicroBlaze可從內(nèi)部顯示整個鍵盤的狀態(tài)以及系統(tǒng)正在按壓哪些鍵——即系統(tǒng)正在為哪些電磁鐵加電。

MIDI是一種單向低速串行協(xié)議，傳輸速率為31250波特。它包含多種類型的信息，但就我們的目的而言，只有NOTE ON和NOTE OFF是重要的信息類型。每個NOTE ON信息由3個字節(jié)構(gòu)成。

第一個字節(jié)是0x9n，這里的n代表通道數(shù)。

第二個字節(jié)是0至127的音符數(shù)，中間的C為第60號。

第三個字節(jié)是0至127的速度值。

NOTE OFF除第一個字節(jié)是0x8n外，其余與此非常相似。

在我們的設(shè)計中，我們決定同步聽取所有通道的信息（ “omni”操作）。由于管風(fēng)琴鍵盤對速度并不敏感，因此，我們可安全地忽略所有速度字節(jié)。

EDK UART IP核接收MIDI消息，然后通過FIFO，一次向MicroBlaze處理器發(fā)送一條信息。MicroBlaze可從內(nèi)部顯示整個鍵盤的狀態(tài)和系統(tǒng)正在按壓哪些鍵（即系統(tǒng)正在為哪些電磁鐵加電）。固件采用一個靜態(tài)查找表，指出與這個音符相關(guān)的電磁鐵，將這個用做內(nèi)部圖的索引；到達的NOTE ON消息將相應(yīng)entry值設(shè)為“1”，而NOTE OFF消息將entry值設(shè)為“0”。

內(nèi)部圖更新后，利用圖的全部內(nèi)容更新電磁鐵寄存器；通過GPIO端口的位拆裂，MicroBlaze處理器一次將一位的圖內(nèi)容寫入位移寄存器的數(shù)據(jù)輸入端，然后切換時鐘信號，移動一下位移寄存器。一旦利用圖內(nèi)容對整個位移寄存器進行了更新，MicroBlaze會將一個上升沿寫入STROBE行，這能夠?qū)⑽灰萍拇嫫鞯闹悼截愔凛敵黾拇嫫?，為正確的電磁鐵加電或斷電，從而產(chǎn)生悅耳的音樂。

我們將固件用作軟件狀態(tài)機；對于不采用實時操作系統(tǒng)的嵌入式應(yīng)用而言，這可提供某些多線程應(yīng)用功能，但沒有實際線程實現(xiàn)開銷。靜態(tài)結(jié)構(gòu)數(shù)組根據(jù)當(dāng)前的狀態(tài)，指出系統(tǒng)針對特定事件應(yīng)當(dāng)采取什么措施。

const midi_state_table_entry_t MIDI_STATE_TABLE[] =

{

{INHIBITED,PANIC,

MidiSM_Panic,INHIBITED},

{ANY_STATE,PANIC,

MidiSM_Panic,INIT},

{ANY_STATE,INHIBIT,

MidiSM_DoNothing,INHIBITED},

{ANY_STATE,OTHER_STATUS_RECEIVED

,MidiSM_ClearMessage,INIT},

{INIT,NOTE_ON_OR_OFF_RECEIVED,

MidiSM_StoreStatusByte,NOTE_

ON_OR_OFF},

{INIT,DATA_RECEIVED,

MidiSM_DoNothing,INIT},

{NOTE_ON_OR_OFF,NOTE_ON_

OR_OFF_RECEIVED,MidiSM_

我們成功演奏了一些非常復(fù)雜、快節(jié)奏的音樂，從古典到搖滾；電磁鐵和驅(qū)動器在速度方面并沒有表現(xiàn)出太大的局限性。

StoreStatusByte,NOTE_ON_OR_OFF},

{NOTE_ON_OR_OFF,DATA_RECEIVED,

MidiSM_StoreNoteNumber,NOTE_ON_OR

_OFF_NUMBER},

{NOTE_ON_OR_OFF_NUMBER,

NOTE_ON_OR_OFF_RECEIVED,MidiSM_St

oreStatusByte, NOTE_ON_OR_OFF},

{NOTE_ON_OR_OFF_NUMBER,

DATA_RECEIVED,MidiSM

_NoteOnOrOffComplete,

NOTE_ON_OR_OFF},

{INHIBITED,ENABLE,

MidiSM_DoNothing,INIT},

{LAST_STATE, LAST_EVENT, 0,

LAST_STATE},

};

在該結(jié)構(gòu)體中的第一個entry表示當(dāng)前狀態(tài)；第二個entry表示事件到達；第三個entry表示處理該事件需要使用狀態(tài)轉(zhuǎn)換功能；第四個entry表示下一狀態(tài)。

狀態(tài)機業(yè)務(wù)端采用的代碼如下：

XStatus MidiSM_

DoStateTransition

(midi_state_machine_t *pInstance,

u8 event)

{

const midi_state_table_

entry_t *pTable = pInstance-

>pStateTable;

// Search for a match in the

state table

do {

if ((event == pTable-

>received_event)

&& ((pInstance-

>current_state == pTable-

>state)

|| (pTable->state ==

ANY_STATE)))

　　{

(*pTable-

>transition_function)((v

oid *)pInstance);

pInstance->current_state

= pTable->next_state;

return XST_

SUCCESS;

}

pTable++;

} while (pTable->state !=

LAST_STATE);

// Aaargh, something bad happened - should never get here

XASSERT_NONVOID_ALWAYS();

}

事件循環(huán)提供的事件是對這種功能的論證，根據(jù)當(dāng)前的狀態(tài)和事件，采取某種措施和改變系統(tǒng)狀態(tài)。事件的類型包括字節(jié)到達MIDI接口，字符到達控制端口和按下重啟按鈕（panic button）。所有經(jīng)驗豐富的MIDI玩家都知道重啟按鈕是保護耳朵和電源必備的特性——它可無條件地關(guān)閉所有電磁鐵，使系統(tǒng)恢復(fù)到已知安全狀態(tài)。

演奏WaldflOe

安裝了這種應(yīng)用精致的控制器, 機器人管風(fēng)琴手可演奏從狂想曲到搖滾的所有風(fēng)格音樂。隱藏在琴鍵底部的是電磁鐵木制背板——每塊板上安裝30個或更多的電磁鐵，同時還安裝了一些回收利用的罐狀電容器，為電磁鐵提供電能。我們將整個驅(qū)動器組件與管風(fēng)琴連接。在圖的上方，您可看到Spartan-3E入門套件開發(fā)板和其右側(cè)的接口萬用板；我們利用回收利用的CAT5電纜將這些裝置與驅(qū)動器組件連接。

用文字很難說明管風(fēng)琴的運行情況，因此，我建議您點擊本文結(jié)尾的互聯(lián)網(wǎng)鏈接地址，收看我們上傳的視頻。當(dāng)機器人管風(fēng)琴手演奏《月光奏鳴曲》或《Jump》時，您將會聽到電磁鐵發(fā)出的咔嗒聲——這是電磁鐵鐵芯降至線圈底部時發(fā)出的聲音，不是杠桿敲擊琴鍵的聲音。不過，您若是坐在大廳里，而不是站在講道臺上，電磁鐵發(fā)出的聲音就會小很多。您所能聽到的只是管風(fēng)琴流淌出的優(yōu)美音樂。

我們利用這套系統(tǒng)成功演奏了一些非常復(fù)雜、快節(jié)奏的音樂，從古典到搖滾；電磁鐵和驅(qū)動器在速度方面并沒有表現(xiàn)出太大的局限性。即使在彈奏要求最苛刻的曲目時，電磁鐵電源在15V電壓條件下通常電流不超過4A。即使我們稍微過度使用電磁鐵，電磁鐵線圈也沒有出現(xiàn)明顯升溫的情況?？偠灾覀儗@個系統(tǒng)非常滿意，同時為參與開發(fā)這套系統(tǒng)深感自豪。

WaldflOe下一步是什么？噢，我們已經(jīng)非正式地邀請了一些音樂家為這種新樂器創(chuàng)作曲目（尤其是對擁有53根手指、從不感到疲倦的演奏者感興趣的作曲家），我們還考慮舉辦一個獨奏會。另一種可能是實現(xiàn)管風(fēng)琴音栓運作的機械化，便于我們在電子演奏過程中改變音量和音色。我們還在考慮采取某些方法驅(qū)動管風(fēng)琴的低音踏板，使最長的低音管發(fā)音。最后也是最有可能完成的是，我們正打算在互聯(lián)網(wǎng)上推出一項服務(wù)，使公眾能夠把他們的MIDI文件上傳至這個系統(tǒng)，然后再聆聽管風(fēng)琴的實時演奏。