為了設(shè)計(jì)出可以演奏管風(fēng)琴的機(jī)器人，我所在的dorkbot Edinburgh團(tuán)隊(duì)（旨在推進(jìn)工程科學(xué)界與藝術(shù)界之間的草根協(xié)作的非正式組織）開展了“Waldfl?te項(xiàng)目”。經(jīng)過7個(gè)月的思考、探究和討論，我們最終設(shè)計(jì)出幾種操縱管風(fēng)琴鍵盤的方式。

采用正確的機(jī)械部件

在開發(fā)的初始階段我們就明確地將問題分為機(jī)械和電子兩部分。如果我們能夠找到解決機(jī)械問題的方案，就能相對獨(dú)立地打造這兩個(gè)部分。
資金是設(shè)計(jì)的主要因素之一。我們走遍尾貨市場，找到了一些價(jià)格合適的電磁鐵。我們能夠以1英磅(約合1.5美元)左右的單價(jià)得到100個(gè)這樣的電磁鐵，于是訂購了6個(gè)在管風(fēng)琴上進(jìn)行試驗(yàn)。

電磁鐵的尺寸非常理想，但電磁鐵芯的運(yùn)動距離比要始終如一地觸動管風(fēng)琴白鍵所需的運(yùn)動距離略短。盡管我們可以直接利用電磁鐵芯來驅(qū)動黑鍵，但還是需要某種杠桿來驅(qū)動白鍵。

 
圖1 電磁體組件原型

電磁鐵組裝的首個(gè)原型如圖1所示，圖2為電磁鐵的工作原理圖。對于白鍵而言，頂部的膠合板杠桿的后面用管道膠帶作鉸鏈連接，當(dāng)電磁鐵通電時(shí)，它會受到下拉的力量。當(dāng)電磁鐵斷電時(shí)，管風(fēng)琴鍵自身會提供向上力——因此無需另外使用彈簧。對于黑鍵而言，從電磁鐵底部伸出的小銷具有足夠的力量，可以直接按壓琴鍵，彈奏音符。

 
圖2 機(jī)械布局

組件測試表明設(shè)計(jì)的確可以成功地按壓琴鍵。同時(shí)也表明，我無法做到將放置電磁鐵的空間七等分，其間隔無法接近鍵盤八度音階的實(shí)際間隔，因此，我們只能一次測試一個(gè)鍵。但我們證實(shí)了這個(gè)原理是可行的，因此，我們訂購了適用于整個(gè)鍵盤的部件，然后開始著手電子設(shè)計(jì)。

 
圖3 基本電子結(jié)構(gòu)圖

電子設(shè)計(jì)

在進(jìn)行電子設(shè)計(jì)時(shí)，我們粗略地設(shè)計(jì)出電子結(jié)構(gòu)，圖3為基本結(jié)構(gòu)圖。在圖的左側(cè)，MIDI(樂器數(shù)字接口)消息由外部傳入(我將在下文詳細(xì)介紹MIDI協(xié)議)。圖的右側(cè)是一個(gè)位移寄存器鏈。控制器在驅(qū)動相應(yīng)的“數(shù)據(jù)”值填充位移寄存器鏈時(shí)負(fù)責(zé)切換“時(shí)鐘”信號，然后通過“選通”信號將位移寄存器鏈的內(nèi)容并行發(fā)送至電磁鐵驅(qū)動器的輸入端。

我們在位移寄存器/驅(qū)動器鏈上采用了74HC595位移寄存器IC。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)動電流——這超出了CMOS輸出級的提供范圍。為了滿足這個(gè)要求，我們在每個(gè)位移寄存器IC上增加了一個(gè)ULN2803A達(dá)林頓輸出級。這個(gè)芯片還具備一個(gè)保護(hù)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。我們在萬用板上制作了幾個(gè)驅(qū)動器電路板原型，每個(gè)可驅(qū)動16個(gè)電磁鐵。

控制器設(shè)計(jì)

可以采取多種方法設(shè)計(jì)控制器(包括利用Arduino平臺或采用其他微控制器)。我們最終選擇使用Spartan-3E入門套件，一是因?yàn)槲以谌粘９ぷ髦杏眠^這種開發(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(diào)試工具。由于機(jī)器彈奏風(fēng)琴有可能是一個(gè)現(xiàn)場調(diào)試項(xiàng)目，這樣做可以節(jié)省時(shí)間。這里，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)，如圖4所示。

 
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，以幫助調(diào)試系統(tǒng)。RS-232協(xié)議看起來有點(diǎn)老套，但在此類項(xiàng)目中，它很有價(jià)值。我們也增加了一些GPIO端口，用于驅(qū)動LED，讀取開關(guān)和按鈕，以便在無需使用控制端口的情況下完成某些交互操作。

寫入MicroBlaze固件

自20世紀(jì)80年代以來，MIDI已經(jīng)成為連接合成器等數(shù)控樂器與其他樂器或控制計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)接口，因此，我們確定系統(tǒng)的最佳輸入接口是MIDI端口。

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，但就我們的目標(biāo)應(yīng)用而言，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0~127的音符數(shù)，中間的C為第60號；第三個(gè)字節(jié)是0~127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)琴鍵盤對速度并不敏感，因此可以忽略所有速度字節(jié)。

EDK UART IP核接收MIDI消息，然后通過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)靜態(tài)查找表用做內(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，利用圖的全部內(nèi)容更新電磁鐵寄存器。通過GPIO端口的位拆解，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，移動一下位移寄存器。一旦利用圖內(nèi)容對整個(gè)位移寄存器進(jìn)行了更新，MicroBlaze會將一個(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鳎瑸檎_的電磁鐵加電或斷電，從而產(chǎn)生悅耳的音樂。

我們將固件用作軟件狀態(tài)機(jī)。對于不采用實(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)針對特定事件應(yīng)當(dāng)采取什么措施。

const midi_state_table_entry_t MIDI_STATE_TABLE[] =
{
{INHIBITED,PANIC,
MidiSM_Panic,INHIBITED},
{ANY_STATE,PANIC,
MidiSM_Panic,INIT},
{ANY_STATE,INHIBIT,
MidiSM_DoNothing,INHIBITED},
{ANY_STATE,OTHER_STATUS_RECEIVED,MidiSM_ClearMessage,INIT},
{INIT,NOTE_ON_OR_OFF_RECEIVED,MidiSM_StoreStatusByte,NOTE_ON_OR_OFF},
{INIT,DATA_RECEIVED,
MidiSM_DoNothing,INIT},
{NOTE_ON_OR_OFF,NOTE_ON_OR_OFF_RECEIVED,MidiSM_StoreStatusByte,NOTE_ON_OR_OFF},
{NOTE_ON_OR_OFF,DATA_RECEIVED,MidiSM_StoreNoteNumber,NOTE_ON_OR_OFF_NUMBER},
{NOTE_ON_OR_OFF_NUMBER,NOTE_ON_OR_OFF_RECEIVED,MidiSM_StoreStatusByte, NOTE_ON_OR_OFF},
{NOTE_ON_OR_OFF_NUMBER,DATA_RECEIVED,MidiSM_NoteOnOrOffComplete,NOTE_ON_OR_OFF},
{INHIBITED,ENABLE,
MidiSM_DoNothing,INIT},
{LAST_STATE, LAST_EVENT, 0,LAST_STATE},
};

在該結(jié)構(gòu)體中的第一個(gè)entry表示當(dāng)前狀態(tài)；第二個(gè)entry表示事件到達(dá)；第三個(gè)entry表示處理該事件需要使用狀態(tài)轉(zhuǎn)換功能；第四個(gè) entry表示下一狀態(tài)。

狀態(tài)機(jī)業(yè)務(wù)端采用的代碼如下：

XStatus MidiSM_
DoStateTransition
(midi_state_machine_t *pInstance,u8 event)
{
const midi_state_table_
entry_t *pTable = pInstance-
>pStateTable;
// Search for a match in the
state table
do {
if ((event == pTable-
>received_event)
&& ((pInstance-
>current_state == pTable-
>state)
|| (pTable->state ==
ANY_STATE)))
{
(*pTable-
>transition_function)((v
oid *)pInstance);
pInstance->current_state
= pTable->next_state;
return XST_
SUCCESS;
}
pTable++;
} while (pTable->state !=LAST_STATE);
// Aaargh, something bad happened - should never get here
XASSERT_NONVOID_ALWAYS();
}

事件循環(huán)提供的事件是對這種功能的論證，根據(jù)當(dāng)前的狀態(tài)和事件，采取某種措施和改變系統(tǒng)狀態(tài)。事件的類型包括字節(jié)到達(dá)MIDI接口，字符到達(dá)控制端口和按下重啟按鈕。重啟按鈕是保護(hù)耳朵和電源必備的特性——它可無條件地關(guān)閉所有電磁鐵，使系統(tǒng)恢復(fù)到已知安全狀態(tài)。

演奏Waldfl?e

電磁鐵木制背板隱藏在琴鍵底部，每塊板上安裝30個(gè)或更多的電磁鐵，同時(shí)還安裝了一些回收利用的罐狀電容器，為電磁鐵提供電能。我們將整個(gè)驅(qū)動器組件與管風(fēng)琴連接，利用回收利用的CAT5電纜將Spartan-3E入門套件開發(fā)板和接口萬用板與驅(qū)動器組件連接。

我們利用這套系統(tǒng)成功演奏了一些非常復(fù)雜、快節(jié)奏的音樂，從古典到搖滾。電磁鐵和驅(qū)動器在速度方面并沒有表現(xiàn)出太大的局限性。即使在彈奏要求最苛刻的曲目時(shí)，電磁鐵電源在15V電壓條件下通常電流不超過4A。即使我們稍微過度使用電磁鐵，電磁鐵線圈也沒有出現(xiàn)明顯升溫的情況。總而言之，我們對這個(gè)系統(tǒng)非常滿意，同時(shí)為參與開發(fā)這套系統(tǒng)深感自豪。 

作者：賽靈思公司設(shè)計(jì)經(jīng)理 Gareth Edwards    
來源：電子設(shè)計(jì)應(yīng)用2009年第8期