計算機接口使19世紀管風琴自行彈奏

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

正如許多新奇的創造一樣，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琴嗎？”

“知道。”

“我們應該創造一個機器人管風琴手來演奏它。”

“當然，我們應該這樣做！”

一次漫不經心的交談促使我們著手開展“WaldflOte項目”。

我的日常工作是擔任賽靈思蘇格蘭公司IP部門的設計經理，但在業余時間，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界與藝術界之間的草根協作；活動口號是“用電做離奇的事情”。我屬于愛丁堡地區的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、幻覺魔術設備、電磁改錐和各種噪音發生盒。鮮有意外傷害事故發生。

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附近，是由志愿者經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，當我到樓上修理舞臺照明設備時，驚奇地發現自己置身教堂之中，這里有布道臺和唱詩班樓座，最重要的是，這里有一臺16英尺高的管風琴。

事實上，咖啡屋所在的建筑曾經是愛丁堡公理教會的會場——因此有管風琴。但這里并不是這臺管風琴最初的家。19世紀末，倫敦著名的管風琴制造商Gray和Davison首次將這臺管風琴安裝在愛爾蘭的都柏林城堡，1900年，不知什么原因，這臺管風琴被轉移到愛丁堡。自此，這臺管風琴經過數次維修，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，最后設計出了幾種操縱管風琴鍵盤的方式。

我們將這個項目取名為“Project WaldflOte”，是因為管風琴上的一個音栓叫“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個在管風琴上進行試驗。

我們發現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動黑鍵，但我們仍然需要某種杠桿來驅動白鍵。

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，當電磁鐵通電時，它會受到下拉的力量。當電磁鐵斷電時，管風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，我們繼續開發工作，訂購了適用于整個鍵盤的部件，然后開始著手電子設計。

電子設計

在進行電子設計時，我們大家坐下來，粗略地設計出電子結構；圖3為基本結構圖。在圖的左側，MIDI消息由外部傳入（我將在下文詳細介紹MIDI協議）。圖的右側是一個位移寄存器鏈；控制器在驅動相應的“數據”值填充位移寄存器鏈時，負責切換“時鐘”信號，然后通過“選通”信號將位移寄存器鏈的內容并行發送至電磁鐵驅動器的輸入端。

圖3：電子結構。

我們在位移寄存器/驅動器鏈上采用了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動器電路板原型，每個可驅動16個電磁鐵。

控制器設計

盡管我們可以采取多種方法設計控制器（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板，對相關工具了如指掌。特別是，我知道如何使用Platform Studio SDK和ChipScope等調試工具，由于這有可能是一個現場調試項目，這樣做可節省時間。我們使用賽靈思嵌入式開發套件，開發核心組件MicroBlaze子系統（圖4）。

圖4：MicroBlaze 子系統。

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，幫助我們調試系統。RS-232協議看起來有點老套，但在此類項目中，它的價值非凡。我們也增加了一些GPIO端口，用于驅動LED，讀取開關和按鈕，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

我們已經確定系統的最佳輸入接口是MIDI端口。自20世紀80年代以來，樂器數字接口（MIDI）已經成為連接合成器等數控樂器與其他樂器或控制計算機的標準接口，因此，顯然我們也應當采用這種接口。MIDI將使我們取得了管風琴連接的最大靈活性。

MicroBlaze可從內部顯示整個鍵盤的狀態以及系統正在按壓哪些鍵——即系統正在為哪些電磁鐵加電。

MIDI是一種單向低速串行協議，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個字節構成。

第一個字節是0x9n，這里的n代表通道數。

第二個字節是0至127的音符數，中間的C為第60號。

第三個字節是0至127的速度值。

NOTE OFF除第一個字節是0x8n外，其余與此非常相似。

在我們的設計中，我們決定同步聽取所有通道的信息（ “omni”操作）。由于管風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。

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

內部圖更新后，利用圖的全部內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容寫入位移寄存器的數據輸入端，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，這能夠將位移寄存器的值拷貝至輸出寄存器，為正確的電磁鐵加電或斷電，從而產生悅耳的音樂。

我們將固件用作軟件狀態機；對于不采用實時操作系統的嵌入式應用而言，這可提供某些多線程應用功能，但沒有實際線程實現開銷。靜態結構數組根據當前的狀態，指出系統針對特定事件應當采取什么措施。

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雜、快節奏的音樂，從古典到搖滾；電磁鐵和驅動器在速度方面并沒有表現出太大的局限性。

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},

};

在該結構體中的第一個entry表示當前狀態；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轉換功能；第四個entry表示下一狀態。

狀態機業務端采用的代碼如下：

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();

}

事件循環提供的事件是對這種功能的論證，根據當前的狀態和事件，采取某種措施和改變系統狀態。事件的類型包括字節到達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——它可無條件地關閉所有電磁鐵，使系統恢復到已知安全狀態。

演奏WaldflOe

安裝了這種應用精致的控制器, 機器人管風琴手可演奏從狂想曲到搖滾的所有風格音樂。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。我們將整個驅動器組件與管風琴連接。在圖的上方，您可看到Spartan-3E入門套件開發板和其右側的接口萬用板；我們利用回收利用的CAT5電纜將這些裝置與驅動器組件連接。

用文字很難說明管風琴的運行情況，因此，我建議您點擊本文結尾的互聯網鏈接地址，收看我們上傳的視頻。當機器人管風琴手演奏《月光奏鳴曲》或《Jump》時，您將會聽到電磁鐵發出的咔嗒聲——這是電磁鐵鐵芯降至線圈底部時發出的聲音，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，電磁鐵發出的聲音就會小很多。您所能聽到的只是管風琴流淌出的優美音樂。

我們利用這套系統成功演奏了一些非常復雜、快節奏的音樂，從古典到搖滾；電磁鐵和驅動器在速度方面并沒有表現出太大的局限性。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明顯升溫的情況。總而言之，我們對這個系統非常滿意，同時為參與開發這套系統深感自豪。

WaldflOe下一步是什么？噢，我們已經非正式地邀請了一些音樂家為這種新樂器創作曲目（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。另一種可能是實現管風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動管風琴的低音踏板，使最長的低音管發音。最后也是最有可能完成的是，我們正打算在互聯網上推出一項服務，使公眾能夠把他們的MIDI文件上傳至這個系統，然后再聆聽管風琴的實時演奏。