随着计算机技术的发展，声卡已经成为普通计算机的标准设备，通过声卡的MIDI接口，可以连接各种各样的MIDI设备。连上专供输入的MIDI键盘，再配上相应的软件，计算机就可以完成电子琴的功能。有些计算机音序软件支持用电脑键盘模拟琴键，可通过计算机键盘将音符输入计算机，有的爱好者就用电脑键盘的控制芯片改装了玩具电子琴，将其并接在计算机键盘上，称之为电脑琴，但这种控制芯片本身并不是为演奏音乐开发的，单音演奏还可以，在多个按键压下时会出错。本文将介绍如何用单片机实现通过MIDI接口连接普通玩具琴键盘与电脑，把电脑变成可支持复音的电子琴。
MIDI信号及声卡的MIDI接口
MIDI 是一种异步串行通信协议，其传输速率为31.25kb（每秒31250位），每个字节包括10 位，1个起始位，8个数据位，1个停止位，每个音符的开（或关）命令有3个字节，经计算，不到1ms即可传输一个音符的开关命令。MIDI的数据流是单向的，不进行应答，设备发送音乐信息时，不管接收设备的状态，而接收设备收到的信息，经校验正确的则执行，错误的就忽略——这样规定是由音乐本身的特点决定的，可以丢掉音符，但不能搞错节拍，实时性最优先。从物理层面上看，MIDI信号是电流传输的，5mA代表逻辑“0”，0mA代表逻辑“1”。MIDI设备连接时，必须将输出与另一设备的输入连接，连接方式见图1。
计算机声卡的MIDI/GAME接口是15针的D型连接器，其中本文制作相关的有：
声卡上的 MIDI/GAME接口如图2所示。
单片机如何产生MIDI信号
大多数51系列单片机都有串行通信控制器（UART），配合合适的晶振，正确地设置UART的工作参数，就能够自动产生所需的串行数据。使用定时/计数器1（T/C1）作为波特率发生器，将串行口设置为方式1工作状态（10位异步收发，波特率由定时器控制），使用6MHz晶振，T/C1设为自动装入8位计数器状态（TMOD置为2xH），SMOD=1，TH=FFH，此时正好发生31.25k的串行通信数据，适用于MIDI协议。
串口及定时/计数器初始化如下：（C语言编写，下同）
void format〈〉；
{ TMOD=0x21；//T/C1工作于8位自
动装入状态//
TL1=0xff；TH1=0xff； //T/C1常数，
确定波特率//
SCON=0x50 ； //设串口工作于方式
1，//
PCON=0x80 ； //相当于SMOD=1；//
TR1=1； //T/C1开始计数//
??}
MIDI协议中，每一次音符操作，命令包含3个字节，连续发送，依次为 “命令+通道号”，“音符”，“力度”。命令的第一个字节的最高位为1，通道为0～16，第二字节最高为位0，音符号为0～127，第三字节最高位为0，力度0～127。
发送一个音符命令：（参数cc、kk、vv分别为“命令+通道号”、“音符号”、“力度”）
void send（uchar cc，kk，vv）
{ TR1=1； //开计数器//
SBUF=cc； //写入寄存器//
while（TI==0）； //等待发送结束//
TI=0； //清发送标志//
SBUF=kk；
while（TI==0）；
TI=0；
SBUF=vv；
while（TI==0）；
TI=0；
TR1=0；
??}
前面已经介绍过，MIDI信号是单向的数据流，输出设备不管接收设备的状态，只是连续发出命令， 因此，MIDI键盘作为发送设备，只需输出。对于51单片机，其TXD即可作为MIDI信号的输出口，若不用转发别的MIDI设备信号，RXD实际上就没必要使用了。用51单片机的TXD脚，与声卡的MIDI-IN脚（第15脚）相连，就可以很好地产生所需的MIDI信号，驱动声卡。这种连接方式并不是MIDI协议中规定的标准的驱动方式，在MIDI协议中，采用了隔离传输的方式，两个设备不是共地的，本文介绍的电路，由于要从MIDI接口取电，必然形成共地的连接方式。这样，直接用单片机的高电平输出 5mA电流，低电平电流接近0，就能工作，但由于不是隔离传输，传输距离不能太长。
单片机控制板电路
单片机控制板的电路原理图见图3。采用 51系列单片机最小系统的标准电路，声卡 MIDI接口的第1、4脚为供电输出，分别为 VCC、GND；第15脚为MIDI-IN，接单片机串行输出脚TXD。单片机的P0、P2口用来扫描键盘，可提供8×8的键盘扫描能力。绝大多数电子琴的键数小于64，这样的安排够用了。其他剩余的各脚，可用作工作参数预置，用来设置键值初值及所占MIDI通道号等。单片机采用89C51或其他兼容单片机，包括89S51、89F51、8751、97C51等。上拉电阻排选10kΩ， MIDI接口插头是15针的D型连接器，一般都标出了其引脚标号，按标号连接即可。该控制板的印制板图见图4。
要分辨数十个按键的状态，最简单的方式就是采用矩阵式扫描键盘，其电路原理图如图5所示。
键盘以扫描方式工作，具体过程是：
先由P0口发出段选通，每次选通一段，相应段选线被置为低电平，读P2口，被压下的键因与段选线接通，相应的端口输入为低电平，这样就完成了一段键盘（8个键）的状态读入过程，做8次循环，每次P0口的段扫移位一次，就完成了64个键的状态读入。由于乐器演奏时经常会有多个键同时压下的状态，若不加处理， 则可能出现几个段选通过按键短接在一起的情况，从而互相干扰导致逻辑不清，因此，在每个按键上串接二极管，用来阻隔无效的段选信号（高电平），使其不起作用， 这样就可完全分辨出每个键的状态， 而不会产生混乱。
乐器键盘的扫描与响应方式也有自己的特点，在扫描到键盘值后，与前一次的键盘状态比较，如不变，则不响应，有变化，则判断是被压下还是抬起，发出相应的MIDI命令，并记录新的状态。
单片机的主程序及键盘扫描程序见本期光盘的“本期程序”文件夹。主程序的工作过程是上电复位后初始化，随后循环调用键盘扫描程序，在笔者提供的程序中还加进了诸如移调、通道号设置、初始值设定等功能，全部用单片机剩余的I/O口对地短路来设定，以适合各种不同的键盘。将程序用C51编译软件编译成执行代码，烧录至51单片机芯片，和外围器件一起装到印制板上，就制成了MIDI键盘控制板。
用玩具琴键盘改装MIDI键盘
本人利用上述控制板，用玩具琴改装了多个MIDI键盘，均获成功，方法如下：
老式的阻容震荡式电子琴，等效电路见图6，它是用按键选通不同阻值的电阻，改变振荡器的频率来产生音符的，当两键同时压下，将导致电阻并联，参数混乱。还有的采用串联电阻网络，多键压下时，只有与振荡电路最近的一个电阻有效，而其他的被短路， 因此都不能支持复音，只能单键演奏，不能直接改成扫描式键盘，须作较大改动。
改装时，去除所有的振荡电阻，将钢片电极剪为数段，每8个键为一段，每段接一位段扫，从左至右对应单片机P0口，从低到高。每段按键都由8个键组成，经二极管（1N4148）按顺序将每段相应的按键连在一起，接入一路位扫（P2），最后一段不足8个可空着，共8路，最终电路参考图7。
改装好的MIDI键盘，直接插到计算机声卡的 MIDI/GAME接口即可，安装好支持MIDI键盘输入的音序软件，你的电脑就变成了一台集演奏、制作于一身的MIDI音乐制作设备了。使用模拟电子琴软件，就是一台电子琴，而且可以直接利用电脑的强大功能进行录音、重放或生成MIDI格式文件，这是普通电子琴做不到的功能。如果使用音乐制作软件， 还可以进行后期制作，在不同的MIDI通道中用不同的音色演奏，编辑合成后可达到小型乐队的效果。
在这里，列出一些MIDI软件及其官方网站，读者可以下载软件的演示版，利用搜索引擎也可以找到其他的下载站点，它们都是本人试用过的，支持 MIDI 键盘的音序软件。
还有其他一些电子琴模拟软件，从互联网上可以查到， 只要支持MIDI口输入，都可以使用。软件安装没有特别要求，需注意的是，电脑声卡的驱动程序要装好，软件使用时， 要设置允许外部MIDI设备输入，输入口选择为 “MPU401”， 输出口要选择能让声卡演奏MIDI的选项，因声卡不同，名称各异，如果在使用软波表时有延迟，可选择频率合成输出。
本文给出了MIDI命令简表（见本期配刊光盘的“本期程序”文件夹），表中所列命令是MIDI中很常用的命令，其中有开关量， 也有模拟量，有兴趣的读者可以利用芯片的剩余接口，扩展测量能力，增加更多的功能。
本文给出的程序，没有MIDI转发功能，所以只能发出在本键盘上演奏的MIDI命令，有兴趣的读者可以自编程序，加入转发部分，就可以把几个键盘串接在一起，利用不同的MIDI通道共用一台电脑演奏。给本控制器单独提供5V电源后，还可以接入其他的MIDI设备，比如具有MIDI输入口的电子琴或合成器，变成双键盘，使其发挥更大的效能。
配合本文电路的单片机源程序和已编译的16进制代码文件，见本期配刊光盘的“本期程序”文件夹，读者也可到d-originality.51.net 网站的资料区免费下载。
（文/徐斌）