計算機接口使19世紀管風(fēng)琴自行彈奏

圖3：電子結構我們在位移寄存器/驅動(dòng)器鏈上采用了74HC595位移寄存器IC。不過(guò)，電磁鐵試驗顯示每個(gè)電磁鐵大約需要15V電源提供350mA驅動(dòng)電流——超出了CMOS輸出級的提供范圍。這了滿(mǎn)足這個(gè)要求，我們在每個(gè)位移寄存器IC上增加了一個(gè)ULN2803A Darlington輸出級。這個(gè)芯片還具備一個(gè)保護二極管，對切斷電流時(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。我們在萬(wàn)用板上制作了幾個(gè)驅動(dòng)器電路板原型，每個(gè)可驅動(dòng)16個(gè)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(mén)套件，因為我在賽靈思的日常工作中用過(guò)這種開(kāi)發(fā)板，對相關(guān)工具了如指掌。特別是，我知道如何使用Platform Studio SDK和ChipScope等調試工具，由于這有可能是一個(gè)現場(chǎng)調試項目，這樣做可節省時(shí)間。我們使用賽靈思嵌入式開(kāi)發(fā)套件，開(kāi)發(fā)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(xié)議看起來(lái)有點(diǎn)老套，但在此類(lèi)項目中，它的價(jià)值非凡。我們也增加了一些GPIO端口，用于驅動(dòng)LED，讀取開(kāi)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(xiě)入MicroBlaze固件

我們已經(jīng)確定系統的最佳輸入接口是MIDI端口。自20世紀80年代以來(lái)，樂(lè )器數字接口（MIDI）已經(jīng)成為連接合成器等數控樂(lè )器與其他樂(lè )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(fēng)琴連接的最大靈活性。

MicroBlaze可從內部顯示整個(gè)鍵盤(pán)的狀態(tài)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(xié)議，傳輸速率為31250波特。它包含多種類(lèi)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(lèi)型。每個(gè)NOTE ON信息由3個(gè)字節構成。

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

NOTE OFF除第一個(gè)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(tīng)取所有通道的信息（ “omni”操作）。由于管風(fēng)琴鍵盤(pán)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(guò)FIFO，一次向MicroBlaze處理器發(fā)送一條信息。MicroBlaze可從內部顯示整個(gè)鍵盤(pán)的狀態(tài)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(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?jì)热莞码姶盆F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容寫(xiě)入位移寄存器的數據輸入端，然后切換時(shí)鐘信號，移動(dòng)一下位移寄存器。一旦利用圖內容對整個(gè)位移寄存器進(jìn)行了更新，MicroBlaze會(huì )將一個(gè)上升沿寫(xiě)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(chǎn)生悅耳的音樂(lè )。

我們將固件用作軟件狀態(tài)機；對于不采用實(shí)時(shí)操作系統的嵌入式應用而言，這可提供某些多線(xiàn)程應用功能，但沒(méi)有實(shí)際線(xiàn)程實(shí)現開(kāi)銷(xiāo)。靜態(tài)結構數組根據當前的狀態(tài)，指出系統針對特定事件應當采取什么措施。