MIDI2USB-音楽が私たちをつなぐ

図1ロシア-中国-アメリカのMIDIからUSBへのコンバーター。著者による写真。



人々は音楽が大好きです。多くの人が楽器の演奏方法を知っています。そして、即興で音楽を作曲しようとする人もいます。電子楽器をコンピューターに接続して、より創造的な可能性を引き出すことができます。これは簡単なことのようですが、安価な中国のUSB-MIDIアダプターのほとんどは平凡です。私がMIDI2USBアダプターをどのように作成したかを気にする人は、ぜひ読んでください。

問題の定式化

数年前、音楽を勉強している甥が即興で作曲を始めました。彼の作品が失われないようにしたかったのですが、彼の音楽研究をディクタフォンだけで録音することができました。この録音の品質は不十分でした。CubaseまたはMuseScoreに直接メモを記録してから、編集したかったのです。このために、私は中国のUSB-MIDIアダプター（コンバーター）を購入することにしました。





このアダプタケーブルは安価で、うまく機能しません。シンセサイザー（電動ピアノ）からコンピューターへのデータ転送ができません。1本の指で演奏すると複数の音符を録音でき、コードをとったり音階を演奏したりするとアダプターがぶら下がってレンガになります。別の方向、すなわち コンピューターからシンセサイザーへのデータの転送はうまく機能します。同様の話は、多くのバイヤーのレビューで見つけることができます。

中国のアダプターを完成させる方法

中国のアダプターを改善または変更する方法 については、インターネット上で多くの議論があります。このアダプターの一部のバージョンでは、オプトカプラーが提供されていますが、はんだ付けされていないため、コンピューターとシンセサイザーの間に電気的絶縁が提供されます。残念ながら、私の場合、改訂は困難でした。オプトカプラーの代わりに、2つのNPNトランジスターが取り付けられています。MIDI規格では、PC900Vや6N138などのオプトアイソレータの使用が直接指定されていることに注意してください。オプトカプラーH11L1M（DIP-8）またはH11L1SM（SO-6）は同様の特性を持っています。適切なパラメータを持つ他のコンポーネントを使用できます。





図2。解体中の中国のアダプター。著者による写真。



写真は、オプトアイソレーターと関連要素を収容するのに十分なスペースがケースにあることを示しています。一部の職人は、既存のコンポーネントをはんだ付けし、代わりに「ボディキット」を備えたオプトアイソレーターを取り付けます。明らかに、この操作には知識だけでなく、優れた手の運動能力も必要です。



しかし、楽器とコンピューターの間に光学的絶縁を提供するだけでは十分ではありません。シリアルUARTがMIDI規格に従ってクロックされるようにするには、精密な水晶振動子または共振器も必要です。私が購入した中国のアダプターには、オプトカプラーだけでなく、石英共振器もありません。もちろん、工場でクロッキングユニットを校正するマイクロサーキットもありますが、このようなものはありません。一般的に、この中国製品の性能は低いです。 CH345チップ上に構築されたアダプターがあります-SSOP-20パッケージのUSBからMIDIへのコンバーターですが、これは私の場合ではありません。 CH345マイクロチップにはハードウェアUSBタグがありますベンダーID：1a86、製品ID：752d。ただし、「左側」のマイクロ回路は、同じ識別子を与えることができ（実際に）、何かになりすますことさえできます。



私が中国のアダプターで見つけた最後の小さな欠陥はソフトウェア（ファームウェア）です。より正確には、これはエンドポイント（EndPoints）の小さなバッファーサイズであり、わずか8バイトです。 USBインターフェースを介したMIDIメッセージは4バイト（ケーブル番号、コマンド番号、2データバイト）で構成されているため、これでプレスノートを送信できます。ただし、SysExなどの拡張機能はもっと大きくすることができます。



しばらくして、「Professional USBMIDIInterface」という別のアダプターケーブルを購入しました。このアダプターは非常に高価で、パフォーマンスも大幅に向上しましたが、それでもエラーが発生しました。これは、シンセサイザーを数分間演奏した後、突然キーストロークを見逃し始めた、またはその逆で、キーのリリースを認識しなかったという事実に現れました。私は中国のアダプターの結果に失望し、「何かをうまくやりたいのなら、自分でやりなさい」というアドバイスに従うことにしました。

ハードウェア部分

まず、将来のデバイスのスキームを考え、他のエンジニアの経験を研究する必要がありました。既存のアダプターは外見がとても良かったので、ケース、LED、シールドケーブルを使用することにしました。さらに、モスクワでは、MIDIケーブルは既製の中国製アダプターよりも高価です。私は中国のボードを引き出し、その寸法を測定し、パブリックドメインでMIDI標準と成功したMIDIプロジェクトの研究を始めました。





図3ケース内およびケーブル付きUSB-MIDIアダプター。



この記事を書いている時点で、私はいくつかの興味深いプロジェクトを知っています。

1. Nanjing QinhengMicroelectronicsのCH345チップのドキュメントからの図。
2. USBプロトコルのソフトウェア実装を備えたAtmegaマイクロシステムに関する古いプロジェクト。これらは低速モードを使用しますが、これは非推奨であり、Windows7ではサポートされていません。
3. USBインターフェイス（Atmega32u4、Cortex-M）、およびMapleなどのハードウェアサポートを備えたArduinoボード用のMIDIUSBライブラリ。

すべてのプロジェクトの電気回路図には、MIDI規格の推奨事項に基づいた多くのサンプルフラグメントが含まれています。したがって、USBフルスピードモードをサポートするマイクロコンピューターを選択し、PC900VオプトカプラーとDIN-5（MIDI）ソケットを販売することにしました。







私のMIDI2USBアダプターの心臓部は、SiliconLaboratoriesの8ビットEFM8UB20F64Gマイクロコンピューターです。私はそれが本当に好きで、できる限りそれを使います。このコントローラーは、伝説的なC8051F320に取って代わったC8051F380コントローラーの後継（ブランド変更後）です。これは、2003年にSiLabsによって購入されたCygnalの開発に成功しました。



EFM8UB20F64マイクロシステムを支持する私の議論をリストします：

• 高速で使いやすいGPIO、SPI、UART、USB、PCAの存在下で表現されるソフトウェア開発の容易さ。
• 改善された8051コア（命令あたり1〜2サイクル、48MIPS）、「オンザフライ」での周波数変更。
• 内蔵の電圧レギュレーター、+ 5Vまでの出力許容誤差、最大100mAの電流。
• USBホストからのキャリブレーションを備えた内蔵の正確なクロックジェネレーター（±0.25％）;
• USBXpress、VCPXpress、USBデバイスAPIライブラリの可用性とクイックスタートの例。
• 純粋なエラタ。

このコントローラーを次のようにプログラムすることは喜ばしいことです。レジスターは少なく、適用された問題の解決に集中できます。残念ながら、算術演算（特に32ビット演算）は低速ですが、それ以外の場合はEFM8が適しています。USBデバイス用のソフトウェアの開発は簡単な作業ではありません。そして、ここでSiLabsコントローラーの主な利点は、USBXpress、VCPXpress、USBデバイスAPIライブラリです。Texas Instrumentsでさえ、SmartRFボードでC8051F320コントローラーを使用しています。



オプトカプラーは、アダプターで2番目に重要なコンポーネントです。 Sharp PC900Vは、推奨されるMIDI仕様図に示されているとおりであるため、採用することにしました。このオプトカプラーの特性は、高速のオンとオフの時間（1μsと2μs）、およびデジタル出力の存在です。しかし、欠点もあります。マイクロ回路のサイズが大きく（7x10mm）、5年間の動作後に50％バーンアウトします。オプトカプラーの寸法では、ボードの片側にすべてのコンポーネントをマークすることはできませんでした。また、多くのスペースを占めていたMIDIコネクタをあきらめたくありませんでした。





図4PC900VオプトカプラーとLEDを備えたボードの背面。著者による写真。



出力段は、2つのインバーターで構成される74LVC2G04ロジックマイクロ回路で、規格が推奨するスキームに従って組み立てられます。このコンポーネントの主な目的は、ロジック信号レベルを3V => 5Vから変換し、少なくとも10mAの出力電流を提供することです。





残りのコンポーネントは補助機能を実行し、デバイスの動作に大きな影響を与えません。抵抗器、コンデンサー、ダイオード、LEDは合理的に交換できます。中国人のように、ミニUSBコネクタの代わりに、マイクロUSBを配置するか、ケーブルをはんだ付けするためのピンコネクタを作成できます。MIDIコネクタは多くのスペースを占有し、ケースに収まらないため、ケースのないアダプタバージョンでのみ使用されます。MIDI-INおよびMIDI-OUT信号は、ケーブル配線用のピンヘッダーにルーティングされます。一般に、LEDとコネクタの位置は、ケース内で最適に配置されるように調整する必要があります。





図5MIDI2USBアダプターのデバッグバージョンとボックスバージョン。著者による写真。



総消費電流は50mAを超えません。これは、次の部分で構成されています。

• マイクロ波、15mA;
• 3つのLED、15mA（3x5mA）;
• マイクロサーキット74LVC2G04、10 mA;
• オプトカプラーPC900V、10mA。

2層PCBは、OSH Parkのアメリカ人によって、厚さ1.6mm、銅0.035mm、FR-4素材で作られました。

ソフトウェア部分

機器用のソフトウェアの作成は、開発の重要かつ重要な段階です。幸い、最近のすべてのオペレーティングシステムには、USBMIDIデバイス用のドライバーがあります。タスクが軽減され、アダプターのファームウェアを作成するだけで済みます。



私は通常、Keil uVisionPK51をConfigurationWizard 2、場合によってはIAR Embedded Workbenchと組み合わせて使用​​しますが、SiLabs SimplicityStudioを使用することはめったにありません。それぞれの環境には長所と短所があります。このプロジェクトでは、「クラス付きのC」が欲しかったので、IARを使用することにしました。さらに、IARコンパイラは、システムレジスタのすべてのビットへのアクセスを提供します。たとえば、P2_bit.B0 = 1;またはPCA0MD_bit.WDTE = 0;



CMSISまたは「SI_EFM8UB2_Register_Enums.h」でいっぱいの「マジック定数」またはマルチレベルビット式を使用する必要はありません。残念ながら、このすべての機能はioEFM8UB20F64G.hファイルで宣言されており、si_toolchain.hライブラリ（たとえば、マクロB0..B3）と互換性がないことが判明しました。プロジェクトをKeiluVision PK51に変換せず、すべての開発環境で互換性のあるCコードを記述しただけです。

プロジェクトコードはいくつかの機能部分に分かれています

1. ファイル「main.c」には、エントリポイント、グローバル変数の宣言、ペリフェラルを初期化するための呼び出し、およびメインプログラムループが含まれています。
2. ファイル「init.c」には、クロッキング、ポート、UART、およびその割り込みの設定が含まれています。
3. Descriptors.cファイルには、AudioClassデバイスのUSB記述子が含まれています。
4. ファイル「midi.c」には、MIDIメッセージをUSBイベントに、またはその逆に変換するための2つの関数が含まれています。ステートマシンが使用されます。
5. ファイル「usbconfig.h」には、USBデバイスAPIライブラリの動作モードを構成するためのマクロと定義（#define）が含まれています。

ポート、ペリフェラル、およびメインループを備えたmain（）関数を見てみましょう。

int main( void )
{
	WDT_Init();                             // Disable WDTimer (not used)
	PORT_Init();                            // Initialize ports (UART, LEDs)
	SYSCLK_Init();                          // Set system clock to 48MHz
	UART0_Init();                           // Initialize UART0 @31250, 8-N-1
	USBD_Init( &usbInitStruct );            // Initialize USB, clock calibrate
	LED_IN  = 1;                            // Blink LED
	LED_OUT = 1;                            // Blink LED
	IE_EA   = 1;                            // Global enable IRQ

	while(1)
	{
		//--- MIDI => USB
		if( nMidiCount > 0 )
		{
			IE_EA  = 0;                     // Begin: Critical section
			if( USB_STATUS_OK==USBD_Write(EP1IN,aMidiBuffer,nMidiCount,false) )
			{
				nMidiCount = 0;             // Reset MIDI data byte counter
			}
			IE_EA  = 1;                     // End of: Critical section
			LED_IN = 0;                     // Turn off input LED
		}

		//--- USB => MIDI
		if( nUsbCount )
		{
			uint8_t i;
			LED_OUT = 1;                    // Turn on Led on New packet
			for(i = 0; i < nUsbCount; i++)  // Process every data byte
			{
				USB2MIDI( aUsbBuffer[i] );  // Convert USB packet into MIDI
			}
			nUsbCount = 0;                  // Reset counter
			USBD_Read(EP2OUT, aUsbBuffer, sizeof(aUsbBuffer), true);
			LED_OUT = 0;                    // Turn off Led, when done
		}
	}
}

USBデバイス用のSiLabsのライブラリは、「usbconfig.h」ファイルの設定に応じてコンパイルされ、プロジェクトに含まれる一連のサブルーチンで構成されています。これは、Atmel（現在のMicrochip）のマイクロプロセッサのコードにある「libusb、V-USB」ライブラリと非常によく似ています。SiLabsは、プログラマーの観点からは、優れた便利なライブラリであることが判明していることに注意してください。



デバイス、構成、およびインターフェイスの記述子（記述子）は、USBデバイスの操作において重要な役割を果たします。これらの記述子を使用して、デバイスはホスト（コンピューター）にその要件、機能、パラメーターなどを通知します。記述子要求を処理するための関数は通常、すべてのUSBライブラリにあり、プログラマはこれらの記述子を含むデータ構造を正しく入力するだけで済みます。





すべての記述子、トポロジ、および用語は、「MIDIデバイス用のユニバーサルシリアルバスデバイスクラス定義」標準で詳細に説明されています。また、トピックをすばやく開始して理解するには、Windows Driver Kit7600または「 USBDescriptorDumper」の「usbview.exe」プログラムによって提供される情報を調べるだけで十分です。プログラムにコピーすることもできます。





図6プログラム「usbview.exe」の記述子に関する情報記述子



と対応する配列および構造は、これらのデータが変更されない（定数）ため、マイクロプロセッサのフラッシュメモリ（コードセグメント）にあります。フラッシュメモリに定数を保存することは、RAMを節約できる典型的なプログラミングトリックです。



デバイス記述子構造のVendor_IDフィールドとProduct_IDフィールドに注意してください。これは、USBデバイスを一意に識別するための番号のペアです。デバイスのこのような番号を取得するには、USB-IF組織にお金を支払うか、既存のVendor_IDの所有者（マイクロコントローラーの製造元）にリクエストを送信してProduct_IDを取得する必要があります。また、たとえば、中国人のように、他の人に最も適したVIDとPIDを使用することもできます。オープンソースプロジェクトの場合、無料のProduct_IDを取得するオプションがあります。



MIDIストリーミングオーディオクラスのUSBデバイスを開発する際に注意すべきもう1つのポイントは、コネクタ（ジャック）です。コネクタは、デバイスとホスト間のトポロジと接続を記述するための架空の（仮想）エンティティです。それらは、入力（入力ジャック）と出力（出力ジャック）、内部（埋め込み）、および外部（外部）です。各コネクタには、一意のJack_Id（0〜15の番号）があります。出力コネクタには、ソースID番号が含まれています。接続用のコネクタ番号。最後に、オーディオエンドポイント（EP）は、形成されたチャネル（入力ストリームと出力ストリーム）の上で機能します。これらは、記述子にコネクタバインディング情報があるほとんど通常のバルクEPです。





図：7ジャックとUSBへの仮想ストリーム（MIDIクラス）。







USB MIDIクラスのオーディオデバイスでのデータ交換は、32ビットパケット（USB-MIDIイベントパケット）の送信で構成されます。1、2、または3バイトのメッセージがMIDIデバイスから受信されます。USB経由で転送する場合、ケーブル番号とコマンドコードを含むヘッドバイトがこれらのバイトに追加されます。パケットが4バイト未満の場合、0が埋め込まれます。現在のファームウェアバージョンでは、32ビットの境界までゼロで埋めません。できます。質問は未解決のままです。



たとえば、ケーブル＃1では、Note Onキーコマンド（送信時間960us）は次のパケットに変換されます。

MIDI：0x90 0x60 0x7f => USB：0x19 0x90 0x60 0x7f

図8USB仕様のUSB-MIDIイベントパケットのスキーム。

typedef union
{
	struct PACKET
	{
		uint8_t  cable : 4;            // Cable Number (we use #0)
		uint8_t  cin   : 4;            // Code Index Number (cmd: 0x08)
		uint8_t  cmd;                  // MIDI command (status byte)
		uint8_t  data1;                // MIDI data byte #1
		uint8_t  data2;                // MIDI data byte #2
	};
	uint8_t buffer[sizeof(struct PACKET)];
} MIDI_EVENT_PACKET;

直接および逆変換は、MIDI2USB（）およびUSB2MIDI（）関数によって実行されます。これらの関数では、入力データが到着すると、関数がアイドル状態（IDLE）からコマンド受信状態（STATUS）に移行し、次にデータ受信状態（DATA）に移行し、最後に元の状態に戻ってデータを送信するときに、ステートマシンが使用されます。期待。



MIDIプロトコルでは、データバイトは基本的に7ビット（0..127）です。常に最上位の8番目のビットが0に設定されます。逆に、コマンド（ステータスバイト）には常に最上位のビットが1に設定されます。128から255までの値があります





。9MIDIプロトコルのバイトの種類。





すべてのスキームとソースコード、および完成したファームウェアは、私のgitリポジトリにあります。MITライセンス。

ソフトウェア

ボードを取り付けた後、マイクロプロセッサをプログラムする必要があります。これを行うには、独自の/クローンSiLabs C2デバッグアダプタ、またはJ-Link v10 +（EFM8サポート付き）、工場でフラッシュされたブートローダー（リビジョンRev-B）、または最後に適切なスクリプトを使用したArduinoのいずれかを使用できます。MIDIメッセージをチェックおよびデバッグするには、MIDI-OXが非常に役立ちます。





図10MIDI-OXプログラムインターフェイス。



Cubaseを使用する場合は、Asioドライバーをインストールする必要があります。これは、DirectSoundとDirectInputを使用する場合、キーを押してからノートを再生するまでに遅延があるためです。レイテンシーはハードウェアとは無関係であり、OS実装の機能です。一般に、このデバイスは、CasioCDP-100機器で完全に機能します。





図11Cubase5インターフェイス。



実験的なファームウェアは、ノートやその他のMIDIコマンドの可能な限り最大のストリームを生成しました。不協和音はひどいものでしたが、すべてが意図したとおりに機能しました。また、MuseScore 3.2を使用すると、中間ファイルを記録および再生できます。

仕事の結果

アダプターは機能します！うまくMIDIからUSBへのコンバーターを作ることができたようです。私のデバイスには、ケース、一部の部品、および中国製アダプターのケーブルを使用しました。ミニUSBコネクタがケースの奥深くになってしまい、USBケーブルをやり直してファイルを操作する必要がありました。LEDは斜めになっていますが、穴にぴったりとはまります。中国の場合、ボードを変更する必要があります。





図：12.コンパクトに分解されたミニUSBプラグ。



8ビットEFM8UB20マイクロシステムを使用するという決定は、一部の人にとっては物議を醸すように思われるかもしれません。もちろん、他のオプションやコントローラーもあります。別の方法は、CH345コンバーターで純粋なハードウェアソリューションを選択し、中国人が推奨する参照回路に従ってデバイスを作成することです。しかし、私のバージョンはユニバーサルです、tk。ファームウェアを変更したり、必要な機能を追加したり、見つかったエラーを修正したりできます。結局、完成したプロジェクトから知識、経験、道徳的満足を得ることができました。そして最後に、私は私の記事を終えました、そしてあなたはそれを読み終えました。

便利なリンク

• MIDIデバイスのUSB標準
• MIDI仕様1.0
• USB-MIDIアダプターの比較
• チップCH345T
• 若い作曲家の作品を聞く
• 著者のオープンプロジェクト

清聴ありがとうございました。