摘要:用單片機控制通用MIDI音源模塊制作制作出的電子琴，結構簡單，可靠性高，並且價格低廉，具有實用的價值。這種電子琴能夠支持單音和復音彈奏，如果與高品質的音源芯片連接，音質更可與高檔電子琴相媲美。我們在實驗過程中，也曾采用手機中通用的音樂芯片構成音源模塊，效果不錯，價格更低廉，如韓國產的QS6400 等，這些芯片的驅動要復雜壹些，需要對芯片進行初始化設置，詳細內容可參看國防工業出版社出版的《MIDI原理與開發應用》壹書中的相關章節。
關鍵字:電子琴,單片機,音源板,MD2064
1、電子琴的硬件設計方案
本電子琴包含48個按鍵鍵盤，即具有4個8度的音域，單片機AT89C51通過對所彈按鍵的識別，產生相應的MIDI消息。它支持單音彈奏和最多16個復音彈奏。電子琴結構示意圖和電路原理圖分別如圖1和圖2所示。AT89C51作為主控芯片，它使得鍵盤矩陣模塊、通道和音色選擇以及串口發送等各功能模塊協調工作。48按鍵行列式鍵盤矩陣構成MIDI電子琴的鍵盤掃描輸入端，由於89C51的P0口內部沒有上拉電阻，故這裏采用電阻R14——R21將列線拉至高電平，與六條行線組合完成48個琴鍵的掃描識別，在圖1中，單片機與鍵盤矩陣間的雙箭頭線表示單片機在掃描鍵盤矩陣時，P0口和P2口分別作為輸入/輸出口使用。人機接口電路則利用了單片機P1口的大部分口線，並通過或門向INT0發出中斷請求，該部分電路主要完成MIDI電子琴的通道設置和音色選擇等人機交互功能。鍵盤的彈奏信息以及通道、音色信息經CPU處理後，由串口將標準的MIDI數據發送給MIDI音源及放大器，推動揚聲器發聲。
圖1:MIDI電子琴結構示意圖
圖2:MIDI電子琴電路圖
音源模塊采用MD2064 套板，如圖3所示。它是壹種模塊化的MIDI音源產品，由得理電子公司開發，具有標準MIDI接口，該板能接受標準GM MIDI命令進行音樂播放，自帶3D, REVERB, CHORUS等效果處理。由於該套板的MIDI 接口采用了光耦合器，電流驅動，故設計了由Q1、Q2等器件組成的驅動電路，使單片機串口數據得以正常傳輸。在模塊的耳機輸出端取得信號後，經小功率放大即可推動揚聲器發聲。
2、電子琴的軟件設計特點
該電子琴軟件采用模塊化設計方法，程序也較簡單。軟件中各功能模塊都由相應的子程序完成，主要包含通道選擇模塊，音色選擇模塊，48按鍵鍵盤掃描模塊，串口發送模塊等，其中為了及時完成用戶命令，音色選擇模塊采用了中斷服務子程序，可以在演奏中快速響應使用者的請求。
主程序在完成串口初始化、相關變量的初始化以及設置通道後，即進入鍵盤掃描、發送音符消息流程，為了使按鍵識別準確可靠，還設置了兩個緩沖區BUFF1和BUFF2保存鍵盤掃描值。主程序流程圖如圖3。
圖3:MIDI電子琴程序的流程圖
以下是部分功能模塊的程序設計介紹。
2.1 音色選擇模塊的設計
該模塊的功能是使MIDI電子琴能按要求快速改變音色，所以采用了中斷服務子程序。當某個音色選擇按鍵壓下時，通過或門向單片機的INT0發出中斷請求，CPU響應後進入該中斷服務子程序。MIDI技術規範規定，標準MIDI含有128種音色，它們的編號範圍是0~127，為了能夠快速找到所需音色，硬件中設置3個按鍵，其中2個用於音色編號的單步增加和減小，每次增加或減小1個音色編號，另外壹個鍵用於音色快進，當快進鍵有效時，每次增加8個音色編號，選擇增加8個音色的原因是：標準MIDI的128種音色是按每8個音色壹組編排的，***包含16個樂器組。電子琴開機時默認的音色編號是0，即大鋼琴音色。
單片機的P1.2口線連接著音色增加按鍵，P1.3則連接音色減小按鍵，P1.4連接音色快進鍵。低電平時按鍵有效，這三個按鍵通過與門連接外部中斷INT0，以便實時響應音色設置。該外部中斷0的中斷服務子程序流程圖見圖4，（圖中省去了按鍵延時去抖動部分）：
圖4:音色改變子程序流程圖
在該子程序中，變量TAMBER中存放當前音色，其值可在0~127間循環，當TAMBER是最大值127時，加1後又變為0；而當TAMBER為0時，減1則變為127；在邊界範圍加8取模後，剛好為其對應的音色值。
2.2 串口發送模塊
串口發送模塊主要用於發送產生的MIDI消息，串口采用的模式1，發送的波特率是31.25KBPS。串口通過驅動電路連接MIDI音源，發送MIDI消息。通道號存放在變量CHANNEL中，通過與90H相與，所得值就是當前所設置的通道號。
2.3 鍵盤掃描模塊
本電子琴提供了48個MIDI按鍵，即4個8度音的音域範圍，當按下單個鍵時，產生壹條MIDI消息，當按下多個鍵值時產生對應鍵值的多條MIDI音符開消息，當某個鍵值被釋放時，發送對應的音符關消息。這些MIDI消息通過串口發送給MIDI音源，產生MIDI音樂。音樂的時值由按鍵的時間長度控制，當按鍵被釋放，實時產生MIDI消息，關閉被釋放的鍵值音。
由P0口和P2口的P2.0~P2.5構成行列式鍵盤，也可繼續擴展鍵盤，例如改為常用的49鍵或64鍵。因為支持復音按鍵，鍵盤掃描程序必須掃描到行列式鍵盤的每個鍵值，掃描所得的鍵值存放在緩沖區BUFF1或BUFF2中。鍵盤掃描程序獲得的鍵盤編號範圍是0~47，還需將這個鍵盤編號值轉換為MIDI設備能夠識別的鋼琴鍵盤編號，這個功能由壹個子程序來完成，限於篇幅本文不再詳述。鍵盤掃描子程序流程如圖5。
圖5:鍵盤掃描子程序