作者： 繆愛(ài)國(guó);劉昊;嚴(yán)菊明

引言

MIDI（樂(lè)器數(shù)字接口）是一種電子樂(lè)器之間以及電子樂(lè)器與電腦等設(shè)備之間的統(tǒng)一交流協(xié)議。該協(xié)議是一個(gè)二進(jìn)制形式的音樂(lè)描述語(yǔ)言，每一個(gè)描述樂(lè)器演播動(dòng)作的字都賦給一個(gè)特定的二進(jìn)制代碼，通過(guò)它指示樂(lè)器即MIDI設(shè)備做什么和怎樣做，如演奏音符、加大音量、生成音響效果等。

由于MIDI本身不是聲音信號(hào)，而只是讓聲音設(shè)備產(chǎn)生聲音的一系列的指令，所以MIDI文件本身非常小，特別適用于對(duì)存儲(chǔ)容量有限制的手持設(shè)備，如手機(jī)和掌上電腦。本文將著重介紹如何在手持信息終端嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)MIDI的播放。

MIDI的基本原理

MIDI文件主要由MIDI消息組成。MIDI消息又可分成通道消息和系統(tǒng)消息兩大類(lèi)，如圖1所示。

圖1 MID I消息的組成 從上面的描述中，

可以看到MIDI實(shí)際上只是一組數(shù)字信號(hào)，并不包括聲音信號(hào)，它記錄的是音樂(lè)在什么時(shí)間用什么音色發(fā)多長(zhǎng)的音等等。MIDI音樂(lè)每個(gè)樂(lè)音是由三個(gè)要素組成的：音色、音高（音調(diào)）和音長(zhǎng)。可以把各種樂(lè)器的音色先錄下來(lái)，然后給每個(gè)音色編號(hào)，如鋼琴編為00；再給音高編號(hào)，如C5編為49；然后是音符播放的時(shí)間的編碼，如把8分音符編號(hào)為60。此時(shí)，數(shù)字串“00 49 60”就表示演奏的是鋼琴的C5音，演奏時(shí)間為8分音符。MIDI在播放時(shí)，會(huì)根據(jù)MIDI文件紀(jì)錄的樂(lè)曲信息向預(yù)先錄制好的樂(lè)器（如鋼琴）的波表發(fā)出指令，從波表中找出對(duì)應(yīng)的聲音信息，經(jīng)過(guò)合成、加工后再回放出來(lái)，就形成了美妙的音樂(lè)。

手持信息終端軟硬件平臺(tái)

手持信息終端包括手機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理（PDA）、掌上電腦（HPC）等等，它們可以實(shí)現(xiàn)多種功能，如PIM（電話(huà)簿、日程安排、備忘錄、記事本、時(shí)鐘）、計(jì)算器、錄音、辭典、游戲和播放音樂(lè)等功能；也可以加入無(wú)線通信的功能，如電話(huà)、短信、無(wú)線Email等等；還可以通過(guò)數(shù)據(jù)線與PC相連，互通數(shù)據(jù)、進(jìn)行備份和數(shù)據(jù)交換。

該手持信息終端平臺(tái)采用的是業(yè)界流行的Motorola公司的MC68EZ328處理器；存儲(chǔ)模塊由4M字節(jié)的Flash閃存和2M字節(jié)的EDO DRAM組成；顯示模塊采用160×240的16級(jí)灰度的黑白屏，屏上合成有四線電阻式觸摸屏。音頻處理模塊的作用是用來(lái)播放音樂(lè)，它由兩部分構(gòu)成：濾波電路和音頻功率放大電路。該模塊接受來(lái)自處理器內(nèi)部輸出的PWM脈沖信號(hào)和音頻模塊的開(kāi)啟關(guān)閉的控制信號(hào)。硬件平臺(tái)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 手持信息終端的硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)

該手持信息終端是以自主研發(fā)的多任務(wù)嵌入式操作系統(tǒng)AsixOS為基礎(chǔ)，包括操作系統(tǒng)（Asix OS）、驅(qū)動(dòng)程序包（Driver）、應(yīng)用程序包（Application）、圖形用戶(hù)接口（AsixWIN）、圖形庫(kù)軟件包（AsixGPC）、嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)（AsixDB）、嵌入式文件系統(tǒng)（AsixFS）、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議軟件包（Asixnet）等等。Asix模塊原理框圖如圖3所示。

圖3 Asix模塊原理框圖

由圖可以看出，音頻驅(qū)動(dòng)模塊是播放MIDI音樂(lè)的基礎(chǔ)，它控制硬件設(shè)備的打開(kāi)關(guān)閉等等操作；音頻服務(wù)層是連接應(yīng)用程序和底層驅(qū)動(dòng)的樞紐，它包含了對(duì)底層操作的接口；應(yīng)用程序是整個(gè)手持終端產(chǎn)品的具體功能的體現(xiàn)，MIDI播放器是其中一個(gè)用來(lái)測(cè)試MIDI播放的小應(yīng)用程序，它是建立在音頻服務(wù)模塊和音頻驅(qū)動(dòng)模塊基礎(chǔ)之上的。

MIDI播放的實(shí)現(xiàn)

MIDI的播放需要軟硬件協(xié)同工作，要播放MIDI文件，首先必須對(duì)MIDI文件進(jìn)行解碼：若是控制信息（如節(jié)拍、時(shí)間格式等等），則進(jìn)行相應(yīng)的控制；若遇到音符信息，則將相應(yīng)的數(shù)據(jù)（音符代碼、時(shí)間值）存儲(chǔ)在音頻緩沖區(qū)。

解碼完成后，聲音處理程序?qū)?duì)音頻緩沖區(qū)中的音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)音符代碼從各個(gè)軟波表中取出相應(yīng)音符的真實(shí)采樣值送往音頻設(shè)備，再由音頻設(shè)備的濾波電路進(jìn)行濾波排除電路中的高低頻干擾，然后再經(jīng)過(guò)音頻放大電路對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行放大，驅(qū)動(dòng)喇叭放出音樂(lè)，音樂(lè)時(shí)間的長(zhǎng)短則根據(jù)音頻緩沖區(qū)中記錄音符長(zhǎng)短的數(shù)據(jù)來(lái)控制音頻設(shè)備的開(kāi)啟和關(guān)閉來(lái)實(shí)現(xiàn)。

由于手持信息終端存儲(chǔ)容量的限制，該手持信息終端的軟波表只包含了大鋼琴（Acoustic Grand Piano）的一種音色，具有3階音色（12×3個(gè)音符）。該軟波表采用16kb/s和8bit的采樣率進(jìn)行錄制，每個(gè)音符采樣0.5秒，即每個(gè)音符占有8000個(gè)字節(jié)，所以整個(gè)軟波表的大小為12×3×8000=288K字節(jié)，這樣的大小對(duì)于手持信息終端來(lái)說(shuō)應(yīng)該是可以承受的。

聲音處理程序是利用MC 68EZ328的定時(shí)功能和PWM輸出功能來(lái)實(shí)現(xiàn)的。PWM具有三種工作模式：回放（playback）模式、單音調(diào)（tone）模式、D/A模式。由于tone模式發(fā)出的聲音的頻率比較單一，不能達(dá)到真實(shí)樂(lè)器的效果，所以采用了回放模式。回放模式是利用軟波表來(lái)實(shí)現(xiàn)的，它根據(jù)真實(shí)樂(lè)器的采樣值進(jìn)行回放，從而能達(dá)到比較真實(shí)的效果。

MIDI播放的實(shí)現(xiàn)在硬件上是由兩部分組成的：M68EZ328內(nèi)部的PWM模塊和外部濾波放大電路。具體原理如下：

PWM（脈沖寬度調(diào)制）是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過(guò)對(duì)方波的占空比調(diào)制來(lái)對(duì)一個(gè)模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。

音頻處理的外圍電路比較簡(jiǎn)單，它主要用來(lái)處理由PWM輸出的MIDI音樂(lè)，由濾波電路和音頻功率放大電路組成。MC68EZ328內(nèi)部具有PWM輸出電路，經(jīng)過(guò)一個(gè)由兩級(jí)運(yùn)算放大器構(gòu)成的濾波電路，濾除噪聲后取出音樂(lè)信號(hào)；濾波后的信號(hào)，在經(jīng)過(guò)功率放大電路放大后，推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出音樂(lè)聲。為了減小功耗，音頻功率放大電路和濾波電路都有使能控制信號(hào)控制，當(dāng)需要播放音樂(lè)時(shí)將電路使能，平常關(guān)閉該模塊。

軟件的實(shí)現(xiàn)

通過(guò)對(duì)軟件平臺(tái)的介紹，可以知道Asix OS是一個(gè)嵌入式的多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，所有應(yīng)用程序都是通過(guò)任務(wù)調(diào)度機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此要實(shí)現(xiàn)MIDI的播放需要軟件在以下三個(gè)層次給予支持：音頻驅(qū)動(dòng)模塊、音頻服務(wù)模塊、應(yīng)用程序（MIDI播放器）。當(dāng)點(diǎn)擊應(yīng)用程序（如MIDI播放器）后，操作系統(tǒng)就會(huì)進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，然后啟動(dòng)相應(yīng)的服務(wù)模塊（音頻服務(wù)模塊），通過(guò)服務(wù)模塊再調(diào)用底層驅(qū)動(dòng)來(lái)播放MIDI音樂(lè)。下面將具體闡述一下各模塊的功能和實(shí)現(xiàn)：

該模塊是MIDI能夠播放聲音的基礎(chǔ)，它直接和底層硬件相關(guān)，通過(guò)CPU中PWM模塊的一些寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)聲音設(shè)備的打開(kāi)關(guān)閉等操作。它通過(guò)聲音服務(wù)模塊被所有的需要發(fā)音的程序所調(diào)用，是所有發(fā)音程序得以正常工作的基礎(chǔ)。

它由以下幾個(gè)子模塊組成：PWM音頻設(shè)備初始化模塊；PWM音頻設(shè)備回放率配置模塊；PWM音頻設(shè)備啟動(dòng)模塊和關(guān)閉模塊；PWM音頻設(shè)備工作模式選擇模塊。

該模塊屏蔽了底層的驅(qū)動(dòng)，為應(yīng)用程序訪問(wèn)音頻設(shè)備提供了統(tǒng)一的接口，使用戶(hù)無(wú)需關(guān)心底層的具體實(shí)現(xiàn)即可以完成聲音設(shè)備的控制，使之具有較好的移植性。它主要通過(guò)消息機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)，為應(yīng)用程序和底層驅(qū)動(dòng)模塊的通信提供了一個(gè)橋梁，從而避免了直接和硬件打交道。服務(wù)層主要由定時(shí)播放模塊、定長(zhǎng)播放模塊和配置模塊組成。

音頻服務(wù)模塊是播放MIDI的關(guān)鍵，它處于承上啟下的作用，用于連接上層的應(yīng)用程序和底層的設(shè)備驅(qū)動(dòng)。該模塊中MIDI解碼子模塊完成對(duì)MIDI文件的解釋?zhuān)⒌玫阶罱K要播放的音符信息和各種控制信息鏈表，由于MIDI的解碼涉及到MIDI文件的規(guī)范協(xié)議和具體的算法，這里不作詳細(xì)的描述。

音頻服務(wù)模塊提供兩個(gè)層次的接口，面向應(yīng)用程序的接口和面向底層的接口。

服務(wù)模塊的接口工作原理如圖4所示。

圖4 服務(wù)模塊接口

MIDI播放模塊包括MIDI播放器（用來(lái)測(cè)試MIDI播放的應(yīng)用程序之一），此外還可以在手機(jī)鈴聲、信息提示音、筆觸音等等程序中實(shí)現(xiàn)MIDI的播放，但其實(shí)現(xiàn)原理基本上都是一樣的。除了界面上的設(shè)計(jì)，主要就是調(diào)用MIDI服務(wù)模塊提供的幾個(gè)接口函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)MIDI的播放，這里不作詳細(xì)介紹。

結(jié)語(yǔ)

本文的手持信息終端平臺(tái)經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，播放效果令人滿(mǎn)意，能夠和一般的手機(jī)鈴聲相媲美。由于MIDI文件的體積較小，正好可以彌補(bǔ)手持信息終端存儲(chǔ)容量小的缺陷，因此它具有廣闊的應(yīng)用前景。

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