midi 是电子乐器的语言，随着 midi 的诞生，数字化电子乐器已经越来越多， midi 的应用也越来越普遍，在电子乐队演奏，电子音乐制作等各个领域，发挥着越来越大的作用。随着计算机技术的发展，声卡已经成为普通计算机的标准设备，通过声卡的 midi 接口，可以连接各种各样的 midi 设备。连上专供输入的 midi 键盘，再配上相应的软件，计算机就可以完成电子琴的功能，甚至可以进行电子音乐的制作。由于 midi 自身的特点，它形成的音乐易于进行后期制作，越来越为广大音乐工作者所喜爱，而 midi 键盘作为输入最有效的工具，也越来越普及。

有些计算机音序软件支持用电脑键盘模拟琴键，可通过计算机键盘将音符输入计算机，有爱好者就用电脑键盘的控制芯片改装玩具电子琴，将其并接在计算机键盘上，称之为电脑琴，但这种控制芯片本身并不是为演奏音乐开发的，单音演奏还可以，在多个按键压下时会出错。本文将介绍如何用通用单片机实现 midi 键盘功能，并改装各种电子琴，与计算机连接，从而实现通过 midi 接口，把电脑变成真正的，可支持复音的电子琴。

 一、midi信号及声卡的midi接口

midi 是一种异步串行通讯协议，其传输速率为 31.25 k baud ( 每秒 31250 位 ) ，每个字节包括 10 位， 1 个起始位， 8 个数据位， 1 个停止位，每个音符的开（或关）命令有 3 个字节，经计算，不到 1ms 即可传输一个音符的开关命令。 midi 的数据流是单向的，不进行应答，设备发送音乐信息时，不管接收设备的状态，而接收设备收到的信息，经校验正确的则执行，错误的就忽略——这样规定是由音乐本身的特点决定的，可以丢掉音符，但不能搞错节拍，实时性最优先。从物理层面上看， midi 信号是电流传输的， 5ma 代表逻辑“ 0 ”， 0ma 代表逻辑“ 1 ”。 midi 设备连接时，必须将输出与另一设备的输入连接。

 图1 典型的多个midi设备连接方式

 

　　计算机声卡的 midi ／ game 接口是１５针的 d 型连接器，其中与 midi 相关的有：

1     +5v               +5 vdc

4     gnd                 地

12    miditxd             midi 输出     

15    midirxd             midi 输入    

图 2  声卡上的 midi/game 接口

二、 单片机如何产生 midi 信号

本节介绍如何用目前在国内处于最主流地位的５１系列单片机产生 midi 信号。实际上，这包含了两层意思　：１．如何产生符合　 midi 协议的串行数据。２．接口电路。

绝大多数５１系列单片机都有串行通讯控制器（ uart ） , 配合合适的晶振，正确地设置 uart 的工作参数，就能够自动产生所需的串行数据。使用定时／计数器１（ t/c1 ）作为波特率发生器。将串行口设置为方式１工作状态（１０位异步收发，波特率由定时器控制），使用６ mhz 晶振， t/c1 设为自动装入８位计数器状态（ tmod 置为 2xh ）， smod ＝ 1 ， th=ffh ，此时正好发生 31.25k 的串行通讯数据，适用于 midi 协议。

串口及定时／计数器初始化如下：（ c 语言例程，下同）

void format();

   　 { 　 tmod=0x21; 　　　　 //t/c1 工作于８位自动装入状态 //

           tl1=0xff; th1=0xff ;  // t/c1 常数，确定波特率 //

            scon=0x50 ;       // 设串口工作于方式１， //

         pcon=0x80 ;         // 相当于 smod=1;//

         tr1=1;            //t/c1 开始计数 //

}

 

midi 协议中，每一次音符操作，命令包含３个字节，连续发送，依次为　“命令＋通道号”，“音符”，“力度”。命令的第一个字节的最高位为１，通道为０－１６，第二字节最高为位０，音符号为０－１２７，第三字节最高位为０，力度０－１２７。

发送一个音符命令：（参数　 cc,kk,vv 分别为“命令＋通道号”，“音符号”，“力度”）

 

void send(uchar cc,kk,vv)

 {   tr1=1;      // 开计数器 //

 sbuf=cc;    // 写入寄存器 //

 while(ti==0); // 等待发送结束 //

 ti=0;        // 清发送标志 //

 　　　sbuf=kk;

 while(ti==0);

 　　　ti=0;

 　　　sbuf=vv;

 while(ti==0);

   ti=0;

tr1=0;

}

 

midi 命令简表

 

前面已经介绍过， midi 信号是单向的数据流，输出设备不管接收设备的状态，只是连续发出命令， 因此， midi 键盘作为发送设备，只需输出，对于 51 单片机，其 txd 即可作为 midi 信号的输出口，若不用转发别的 midi 设备信号， rxd 实际上就没必要使用了。用 51 单片机的 txd 脚，与声卡的 midi-in 脚（１５脚）相连，就可以很好的产生所需的 midi 信号，驱动声卡。这种连接方式并不是　 midi 协议中规定的标准的驱动方式，在 midi 协议中，采用了隔离传输的方式，两个设备不是共地的，本文介绍的电路，由于要从 midi 接口取电，必然形成共地的连接方式，这样，直接用单片机的高电平输出 5ma 电流，低电平电流接近 0 ，就能工作，但由于不是隔离传输，传输距离不能太长。 

三、控制板电路                       

电路原理图如 3 所示。采用 51 系列单片机最小系统的标准电路，声卡 midi 接口的 1 ， 4 脚为供电输出，分别为 vcc 、 gnd ； 15 脚为 midi-in ，接单片机串行输出脚　 txd 。单片机的 p0 ， p2 口用来扫描键盘，可提供 8x8 的键盘扫描能力。绝大多数的电子琴的键数小于６４，这样的安排够用了。其他剩余的各脚，可用作工作参数预置，用来设置键值初值及所占 midi 通道号等。单片机采用 89c51 或其他兼容单片机，包括 89s51,89f51,8751,97c51 等。上拉电阻排选 10k Ω, midi接口插头是15针的d型连接器，一般都标出了其引脚标号，按标号连接即可。给出的原理图及印制版图，都是完整的，可直接使用。

 

 

 图3  单片机midi控制器电路图

 

　　　　

图 4  控制部分印制板图    采用 89c51 或兼容单片机

四、用玩具琴键盘改装 midi 键盘

 要分辨数十个按键的状态，最简单经济的方式就是采用矩阵式扫描键盘，其电路原理图如图5所示

图 5  键盘的电路原理图

 

键盘以扫描方式工作，具体过程：

先由 p0 口发出段选通，每次选通一段，相应段选线被置为低电平，读 p2 口，被压下的键因与段选线接通，相应的端口输入为低电平，这样就完成了一段键盘（ 8 个键）的状态读入过程，做 8 次循环，每次 p0 口的段扫移位一次，就完成了 64 个键的状态读入。由于乐器演奏时经常会有多个键同时压下的状态，若不加处理， 则可能出现几个段选通过按键短接在一起的情况，从而互相干扰导致逻辑不清，因此，在每个按键上串接二极管，用来阻隔无效的段选信号（高电平），使其不起作用， 这样就可完全分辨出每个键的状态， 而不会产生混乱。

乐器键盘的扫描与响应方式也有自己的特点，在扫描到键盘值后，与前一次的键盘状态比较，如不变，则不响应，有变化，则判断是被压下还是抬起，发出相应的 midi 命令，并纪录新的状态。

扫描 8x8 键盘的程序如下，程序中的 key_number[i] 是全局数组， 用来存贮按键状态， addition 是全局变量，是设定该键盘第一个按键对应的 midi 音符的键值，全局数组和全局变量要在主程序中定义，程序中调用了前面给出的 send(cc,kk,vv) 函数：

      void scan_key()

      { uchar i,j,k,r,mmm,xu;  

k=0xfe;             // k 值为段选输出初值，第一位为 0

       for (i=0;i<8;i++)

{  p2=0xff;

          p0=k;             // 输出段选值

           k=(k<<1)+1;        // 段选标志左移，末位补 1 ，为下一循环准备

          mmm=0x01;        // 设按键查询指针初值

           r=p2;             // 读入键值

         p0=0xff;             // 关闭段选输出

           xu=r^key_number[i];         // 查询键值是否改变， xu 为 1 的位为产生变化的按键

           key_number[i]=r;        // 新的键值存入数组

      for (j=0;j<8;j++)           // 作 8 次循环， 判断具体产生变化的键

{ if((xu&mmm)!=0)           // 用指针选择被测的键

        {  if ((r&mmm)!=0)   // 判断最终情况，以确定是被压下还是释放

              {send(0x80+chnal,i*8+j+addition,40);}  // 关闭声音，键值 =i*8+j+addition

             else{send(0x90+chnal,i*8+j+addition,127);}  // 开始发声

               }

    mmm=mmm<<1;            // 指针左移， 判断下个键

   }

}

}

 

midi 协议中规定，全部的音符共 128 个，中央 c 音符对应的键值为 60 ，为适合不同键数的键盘，必须为扫描到的键值加上相应的初值，使得第一个键正是所需的音符，程序中的变量 addition 就是这个初值。

主程序的工作过程是上电复位后初始化，随后循环调用键盘扫描程序，在本人提供的程序中还加进了诸如移调，通道号设置，初始值设定等功能，全部用单片机剩余的 i/o 口对地短路来设定，以适合各种不同的键盘，详见程序文件。将程序用 c51 编译软件编译成执行代码，烧录至 51 单片机芯片，和外围器件一起装到印制板上，就制成了 midi 键盘控制板。

本人利用上述控制板，分别用玩具琴和低档电子琴的键盘，改装了多个 midi 键盘，均获成功，受到好评，现一一介绍：

1. 钢片琴：老式的阻容震荡式电子琴，等效电路如图 6 ，它是用按键选通不同阻值的电阻， 改变振荡器的频率来产生音符的，当两键同时压下，将导致电阻并联，参数混乱，还有的采用串联电阻网络 , 多键压下时 , 只有与振荡电路最近的一个电阻有效 , 而其他的被短路 , 因此都不能支持复音，只能单键演奏，不能直接改成扫描式键盘，须作较大改动。

改装时，去除所有的振荡电阻，将钢片电极剪为数段，每 8 个键为一段，每段接一位段扫，从左至右对应单片机 p0 口，从低到高。每段按键都由 8 个键组成，经二极管（ 1n4148 ）按顺序将每段相应的按键连在一起，接入一路位扫 (p2) ，最后一段不足 8 个可空着，共 8 路，最终电路参考图 7 。

图 6  钢片琴改装示意

 图7  改装后的玩具琴键盘电路图，p0与p2接在控制板相应的连线上

 

2 ．扫描式电子琴：这类电子琴已经做好了键盘的电路板，多数的琴线路与图 7 类似，只是键数不等，断开原来的电路，按照图 7 将 p0,p2 连接到控制板上即可。

注意有些型号的电子琴扫描电路的工作逻辑不一样，为充分利用其线路板，可通过修改扫描程序来实现硬件最少的改变，这需要能充分分析原琴的电路，并弄懂键盘扫描原理，有编程能力的人做，否则，须对原板的线路按照图 7 电路改装，用本人的程序来实现。有能力编程的读者，对原程序稍加修改，把键值换算正确，就可以适合各种扫描式键盘，直接与控制板连上，而不需要对键盘硬件做改动。这些琴大致有两种情况：

一种情况是每段的按键少于 8 个，这种情况下，在换算键值时，按照具体情况，把算式中的常数改一下即可；

键值 = 段号 x 常数 + 键号 +addition

另一种是二极管的方向相反， 这种情况下，扫描方式可不变， 但按键的排列会产生变化，连接控制板的段选和位选接线对调，把计算键值的算式改变，同样可不用改动键盘硬件。

键值 = 键号 x 常数 + 段号 +addition

上两个算式中的“段号”“键号”分别是扫描程序中规定的变量 i 和 j 。

改装好的 midi 键盘，直接插到计算机声卡的 midi/game 接口即可，安装好支持 midi 键盘输入的音序软件，你的电脑就变成了一台集演奏，制作于一身的 midi 音乐制作设备了。使用模拟电子琴软件，就是一台电子琴，而且可以直接利用电脑的强大功能进行录音，重放，或生成 midi 格式文件， 这是普通电子琴做不到的功能。如果使用音乐制作软件， 还可以进行后期制作，在不同的 midi 通道中用不同的音色演奏，编辑合成后可达到小型乐队的效果。

在这里，列出一些 midi 软件及其官方网站，可去下载软件的演示版，利用搜索引擎也可以找到其他的下载站点，它们都是本人试用过的，支持 midi 键盘的音序软件。

midirunner    英文软件，模拟电子琴

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

happyeo      国产软件，模拟电子琴，有自动伴奏风格组，界面漂亮

              http://www.happyeo.com

cakewalk      音乐编辑制作软件，功能强大

http://www.cakewalk.com

bbw       自动伴奏，功能强大

http://www.pgmusic.com/

还有其他一些电子琴模拟软件，从互联网上可以查到， 只要支持 midi 口输入，都可以使用。软件安装没有特别要求，需注意的是，电脑声卡的驱动程序要装好，软件使用时， 要设置允许外部 midi 设备输入，输入口选择为 “ mpu401 ” , 输出口要选择能让声卡演奏 midi 的选项，因声卡不同，名称各异，如果在使用软波表时有延迟，可选择频率合成输出。

在本文中给出了 midi 命令简表，表中所列的控制器（ cc=b+ 通道号， kk,vv ），音色切换和弯音轮命令，也是 midi 中也很常用的命令，其中有开关量， 也有模拟量，有兴趣的读者， 可以利用芯片的剩余接口，扩展测量能力，给你的 midi 键盘增加更多的功能。

本文给出的程序，没有 midi 转发功能，所以只能发出在本键盘上演奏的 midi 命令，有兴趣的读者可以自编程序，加入转发部分，就可以把几个键盘串接在一起，利用不同的 midi 通道 共用一台电脑演奏。给本控制器单独提供 5v 电源后 , 还可以接入其他的 midi 设备，比如具有 midi 输入口的电子琴或合成器，变成双键盘，使其发挥更大的效能。

配合本文电路的单片机源程序和已编译的 16 进制代码文件，随本刊光盘提供，也可到 d-originality.51.net 网站的资料区免费下载，如果有烧写 51 系列芯片的设备，就可以自行编程。