計(jì)算機(jī)接口使19世紀(jì)管風(fēng)琴自行彈奏

圖3：電子結(jié)構(gòu)我們?cè)谖灰萍拇嫫?驅(qū)動(dòng)器鏈上采用了74HC595位移寄存器IC。不過(guò)，電磁鐵試驗(yàn)顯示每個(gè)電磁鐵大約需要15V電源提供350mA驅(qū)動(dòng)電流——超出了CMOS輸出級(jí)的提供范圍。這了滿足這個(gè)要求，我們?cè)诿總€(gè)位移寄存器IC上增加了一個(gè)ULN2803A Darlington輸出級(jí)。這個(gè)芯片還具備一個(gè)保護(hù)二極管，對(duì)切斷電流時(shí)電磁鐵生成的高反激電壓進(jìn)行分流，避免增加一個(gè)分立式二極管。我們?cè)谌f(wàn)用板上制作了幾個(gè)驅(qū)動(dòng)器電路板原型，每個(gè)可驅(qū)動(dòng)16個(gè)電磁鐵。

控制器設(shè)計(jì)

盡管我們可以采取多種方法設(shè)計(jì)控制器（包括利用Arduino平臺(tái)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?yàn)槲以谫愳`思的日常工作中用過(guò)這種開發(fā)板，對(duì)相關(guān)工具了如指掌。特別是，我知道如何使用Platform Studio SDK和ChipScope等調(diào)試工具，由于這有可能是一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試項(xiàng)目，這樣做可節(jié)省時(shí)間。我們使用賽靈思嵌入式開發(fā)套件，開發(fā)核心組件MicroBlaze子系統(tǒng)（圖4）。

圖4：MicroBlaze 子系統(tǒng)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(diào)試系統(tǒng)。RS-232協(xié)議看起來(lái)有點(diǎn)老套，但在此類項(xiàng)目中，它的價(jià)值非凡。我們也增加了一些GPIO端口，用于驅(qū)動(dòng)LED，讀取開關(guān)和按鈕，以便在無(wú)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(jīng)確定系統(tǒng)的最佳輸入接口是MIDI端口。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，樂(lè)器數(shù)字接口（MIDI）已經(jīng)成為連接合成器等數(shù)控樂(lè)器與其他樂(lè)器或控制計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)接口，因此，顯然我們也應(yīng)當(dāng)采用這種接口。MIDI將使我們?nèi)〉昧?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/管風(fēng)琴">管風(fēng)琴連接的最大靈活性。

MicroBlaze可從內(nèi)部顯示整個(gè)鍵盤的狀態(tài)以及系統(tǒng)正在按壓哪些鍵——即系統(tǒng)正在為哪些電磁鐵加電。

MIDI是一種單向低速串行協(xié)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(gè)NOTE ON信息由3個(gè)字節(jié)構(gòu)成。

第一個(gè)字節(jié)是0x9n，這里的n代表通道數(shù)。
第二個(gè)字節(jié)是0至127的音符數(shù)，中間的C為第60號(hào)。
第三個(gè)字節(jié)是0至127的速度值。

NOTE OFF除第一個(gè)字節(jié)是0x8n外，其余與此非常相似。

在我們的設(shè)計(jì)中，我們決定同步聽取所有通道的信息（ “omni”操作）。由于管風(fēng)琴鍵盤對(duì)速度并不敏感，因此，我們可安全地忽略所有速度字節(jié)。

EDK UART IP核接收MIDI消息，然后通過(guò)FIFO，一次向MicroBlaze處理器發(fā)送一條信息。MicroBlaze可從內(nèi)部顯示整個(gè)鍵盤的狀態(tài)和系統(tǒng)正在按壓哪些鍵（即系統(tǒng)正在為哪些電磁鐵加電）。固件采用一個(gè)靜態(tài)查找表，指出與這個(gè)音符相關(guān)的電磁鐵，將這個(gè)用做內(nèi)部圖的索引；到達(dá)的NOTE ON消息將相應(yīng)entry值設(shè)為“1”，而NOTE OFF消息將entry值設(shè)為“0”。

內(nèi)部圖更新后，利用圖的全部?jī)?nèi)容更新電磁鐵寄存器；通過(guò)GPIO端口的位拆裂，MicroBlaze處理器一次將一位的圖內(nèi)容寫入位移寄存器的數(shù)據(jù)輸入端，然后切換時(shí)鐘信號(hào)，移動(dòng)一下位移寄存器。一旦利用圖內(nèi)容對(duì)整個(gè)位移寄存器進(jìn)行了更新，MicroBlaze會(huì)將一個(gè)上升沿寫入STROBE行，這能夠?qū)⑽灰萍拇嫫鞯闹悼截愔凛敵黾拇嫫?，為正確的電磁鐵加電或斷電，從而產(chǎn)生悅耳的音樂(lè)。

我們將固件用作軟件狀態(tài)機(jī)；對(duì)于不采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的嵌入式應(yīng)用而言，這可提供某些多線程應(yīng)用功能，但沒(méi)有實(shí)際線程實(shí)現(xiàn)開銷。靜態(tài)結(jié)構(gòu)數(shù)組根據(jù)當(dāng)前的狀態(tài)，指出系統(tǒng)針對(duì)特定事件應(yīng)當(dāng)采取什么措施。