基于步進電機的MIDI播放器

謝作如 陳益漳

DF的創客社區是學生們常常去的地方，在那里總能看到一些稀奇古怪的項目。這次學生看到的是一個用步進電機播放MIDI音樂的帖子，幾個步進電機居然能播放出各種音符，實在很酷。根據帖子的介紹和提供的代碼，我們很快發現其使用方式較老，并且需要Linux環境，操作不方便，兼容性也不好。于是，溫州中學創客空間也買了相關的設備，研究了一種新的MIDI播放器方案。

● 原理分析

首先需要了解一些原理。步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制電動機。它通過控制脈沖個數可以控制步進電機的角位移量，從而達到準確定位的目的；同時通過控制脈沖頻率可以控制電機轉動的速度和加速度。因為速度和角度可控，步進電機常用在3D打印機、激光雕刻機上。

步進電機運轉時會發出噪音，而這噪音具有一定的規律，其音高與當前電機轉速有直接關聯。如果給步進電機合適頻率的脈沖，步進電機就能夠按照一定的音高發出我們需要的聲音。經過反復實驗和參考資料，直接以標準A（440Hz）的頻率發送脈沖，并按照半音頻率之間相差的規律（也就是升一個八度頻率翻一倍），就可以發出對應的音。這一方式也適用于蜂鳴器等可以發出聲音的元件。

接下來需要了解點MIDI知識。MIDI即樂器數字接口，是編曲界使用最廣泛的數字音樂標準格式。MIDI的記譜方式和五線譜、簡譜有所不同，標準A在MIDI中是A4，每升八度（12個半音）就會加一（如A1升八度變成A2），具體如表1所示。

一個MIDI信號可以有多個字節的內容，但第一字節的內容格式是固定的。第一字節稱為狀態字節，表示對MIDI設備當前狀態的設定。狀態字節的指令高位（前四位）一定會大于或等于8（0b1000），而低位（后四位）表示控制的軌道（0x00～0x0F）。前四位代表的信息類型如表2所示。

● 用Arduino處理MIDI

使用Arduino的最大優勢是能夠找到很多開源的庫或者代碼。一個叫做MIDIUSB的庫可以直接將Arduino Leonardo板變成一個USB接口的MIDI設備。MIDIUSB庫中封裝了一個名稱為MidiUSB的類，它可以直接用MidiUSB.read（）讀取MIDI信號，并返回一個midiEventPacket_t類的變量。庫中midiEventPacket_t的定義如圖1所示。

可以看到這個類（實際上只是結構體）中只存了3個字節的內容（header實際上是byte1的前4位，即第一字節的高位，表示當前指令）。之后需要的就是對讀取的MIDI信號進行處理。處理MIDI的部分同樣可以在一些論壇（建議找國外論壇）上找到，改改就能用了（如圖2）。

從這段代碼可以看出，在處理MIDI信號時要針對狀態字節的具體指令進行分類操作。實際上這段代碼只涉及了兩個會用到的操作：發聲和停止發聲。代碼中還使用了tone函數。tone在英語中原意是音調，在Arduino中的作用就是對一個端口發送一定頻率的脈沖。其原型為tone（pin， frequency[， duration]），即（在duration的時間內）向pin端口發送頻率為frequency Hz的脈沖。與之對應的還有停止發送脈沖的noTone（）。tone函數的缺點在于不能同時對一個以上的端口發送信號。而采用分時系統（姑且稱之為“偽多線程”）就無法及時停止脈沖，會導致不同步，這可能與Leonardo的性能和分時系統本身的缺陷有關。

● 硬件搭建

播放設備使用了Arduino Leonardo和DFrobot出品的雙路步進電機驅動板和步進電機。播放設備的結構如圖3所示。

先將電機、驅動板、Leonardo組裝在一起。因為步進電機驅動板需要超過8V的電壓才能工作，所以先拿洞洞板焊了一個并聯4個電機的部件。同時4塊Leonardo使用串口通信來傳輸信號，就把通信的線一起焊在洞洞板上了（如圖4）。

將MIDI處理的代碼燒錄到各個Leonardo板子上。但是一號板子燒寫的代碼里要使用MIDIUSB，其他的板就直接用串口就行了。

試著用WIDI播放改編過的曲子“千本櫻”，大家居然都說挺好聽。電機振動居然能夠發出有規律的樂音，的確挺酷的，吸引了很多同學圍觀。視頻地址為http：//www.bilibili.com/video/av4596330/。

在使用過程中我們還發現，要讓電機發出足夠響的聲音，最好做個共鳴腔——用小紙箱就行了。還要將電機用扎帶固定在木板上，因為電機發聲的音量和與之共振的物體大小有關（如圖5）。

完成基于步進電機的MIDI播放設備后，再對比原來論壇上的帖子，其在兼容性方面的確要好一些。原帖子介紹要在Linux下運行，而這個方案可以運行在任何操作系統下，只要能運行支持MIDI設備的音樂軟件，如WIDI。但這一方案也存在一些不足，如不能夠播放和弦、不夠直觀等。

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參考文獻：

[1]ChoirBot，桌子上的迷你機械樂隊[J/OL].http：//www.dfrobot.com.cn/community/thread-14112-1-1.html.

[2]步進電機_百度百科[EB/OL].http：//baike.baidu.com/link？url=e6O45jcE2J1mb0n-yOxCr3sZv_HXz1uibWk7g2q-22xv_ccM8f7CughGI4AsDyYoOkvoK8kerpmrXyMGxCQNCq.

[3]Tone（） + MIDI = ToneMIDISynth[J/OL].http：//forum.arduino.cc/index.php？topic=79326.0.