controlador midi com teclas de toque - Engenharia Eletrica
Propaganda
CONTROLADOR MIDI COM TECLAS DE TOQUE Fernando Cosentino Curso de Engenharia Elétrica – Universidade Federal do Paraná Curitiba – Paraná - Brasil e-mail: [email protected] custo devido ao material e causando transtornos no transporte do instrumento pelo músico, devido ao volume e peso. Assim, este projeto apresenta uma solução a ambas as questões. Trata-se de um teclado controlador MIDI, com teclas metálicas sensíveis ao toque, compondo três oitavas (36 teclas). Por não conter partes móveis e as teclas serem pequenas lâminas, o instrumento pode ser leve, ocupar pouco espaço, e ter custo reduzido. Por não simular um piano nem em mecânica nem na forma de tocar, passa a ser visto como um novo instrumento, possuindo assim o apelo da inovação. Uma vantagem adicional é ser um controlador MIDI, permitindo uma redução do custo por não exigir seu próprio sintetizador, e garantindo que os músicos poderão usá-lo nos sintetizadores disponíveis no mercado. Resumo – Este documento trata do projeto de um instrumento musical na forma de um controlador MIDI, sendo a interface composta de teclas metálicas sensível ao toque. Palavras-Chave – Controlador Instrumento Midi Musical Toque MIDI CONTROLLER USING TOUCH KEYS Abstract – This document describes the project of a musical instrument built as a MIDI controller, the interface being metalic touch sensors. 1 Keywords – Controller Instrument Midi Music Touch A. Histórico Quando os primeiros teclados eletrônicos foram criados e lançados comercialmente – o primeiro sendo o Novachord, lançado pela empresa Hammond em 1938 [6] – eles consistiam num equipamento único, que realizava todo o processo desde a interface até a sintetização do som. A partir da década de 50, músicos e fabricantes passaram a valorizar a forma modular dos instrumentos eletrônicos, ou seja, a interface e a sintetização do som em equipamentos separados, conectados eletricamente por algum cabo. A interface foi chamada controlador, e a sintetização, módulo sintetizador (popularmente abreviado para “módulo”). Com o tempo a forma modular introduziu diversas vantagens. Se o músico está satisfeito com o controlador, mas o módulo está deixando a desejar (ou o contrário), apenas uma das partes precisa ser substituída, reduzindo o custo – o que não seria possível se as partes não fossem independentes. Também passou a ser possível conectar vários controladores num mesmo módulo, aumentando as possibilidades de interface, ou vários módulos num mesmo controlador, aumentando a qualidade ou complexidade sonora. A princípio, todos os equipamentos eram de tecnologia proprietária. Mas a popularização dos sintetizadores fez surgir a necessidade de padronizar a forma como o controlador se comunica com o módulo, de forma que em 1983, foi criado o padrão MIDI – Music Instrument Digital Interface, ou “Interface Digital de Instrumentos Musicais”, incluindo tanto a especificação eletromecânica quanto o protocolo de dados a ser usado. Seguindo a tecnologia MIDI, o fabricante garante que seu equipamento se comunicará perfeitamente com os equipamentos que o músico já tenha adquirido. A tecnologia permitiu uma liberdade muito grande no que tange aos instrumentos. Não apenas teclados, mas controladores de diversos formatos acionam os mesmos equipamentos, que podem ser módulos sintetizadores, NOMENCLATURA Vpp dBpp DC Tensão pico-a-pico em volts Tensão pico-a-pico em decibéis Valor em corrente contínua I. INTRODUÇÃO A música, sendo parte do mercado de entretenimento, está muito associada aos sentimentos de entusiasmo e fascinação. Assim, um músico ou conjunto que possua um apelo de inovação terá um grande diferencial perante o público. [1] Quando surgiram os instrumentos eletrônicos, uma das grandes vantagens introduzidas foi a flexibilidade para inovações, que levou a indústria a investir em instrumentos eletrônicos, principalmente nos teclados, ou seja, instrumentos eletrônicos seguindo o formato dos pianos. Um instrumento eletrônico é composto de duas partes: a interface e a produção do som. Com a evolução da eletrônica, essas partes puderam ser separadas em equipamentos distintos, a interface sendo o controlador, e a produção do som sendo o sintetizador. Posteriormente, a forma de comunicação entre essas duas partes foi padronizada na tecnologia MIDI (Music Instrument Digital Interface), permitindo a aquisição dos equipamentos separadamente. [2] Apesar de serem eletrônicos, a grande maioria dos teclados disponíveis atualmente é constituída de teclas mecânicas, simulando a forma operacional de um piano. Isso exige espaço, peso e complexidade mecânica, aumentando o 1 Trabalho de Conclusão do Curso de Graduação em Engenharia Elétrica na Universidade Federal do Paraná, desenvolvido no período de Julho a Dezembro de 2009, sob orientação do Professor Dr. Ewaldo Luiz de Mattos Mehl 1 Note On Note Off Aftertouch Controller Program Pitch Bend computadores com softwares sintetizadores ou mesmo equipamentos de palco como luzes e outros efeitos. B. A Especificação MIDI 1) Regulamentação A tecnologia MIDI é regulamentada por um órgão chamado MMA – MIDI Manufacturers Association (“Associação de Fabricantes MIDI”), que em 1982 emitiu um documento contendo a especificação chamada “MIDI 1.0” e continua mantendo a tecnologia atualizada até a data desta publicação. - Ligar uma nota (começar a soar) - Desligar nota (cessar som) - Variação de pressão durante a nota - Alteração de controle - Mudança de programa ou timbre - Variação da altura2 das notas 3.2) Mensagens de Sistema São mensagens independentes dos canais. Incluem instruções de playback (execução de seqüências memorizadas), sincronização e mensagens de configuração do equipamento, geralmente proprietárias e sem regulamentação fixada. As mensagens de sistema não serão utilizadas neste projeto pois esses recursos não serão usados. 2) Organização dos Dados O protocolo MIDI é essencialmente digital, enviando mensagens numéricas com instruções que podem ser de vários tipos. Por exemplo, quando o músico pressiona a tecla Dó, o controlador envia ao módulo a instrução: ligar nota Dó. Quando o músico solta a tecla, o controlador envia a mensagem: desligar nota Dó. Outras informações também podem ser enviadas, como a força com que a tecla foi pressionada, mudança de volume ou de timbre. Cada sistema MIDI pode conter até 16 canais, isto é, 16 camadas independentes de transmissão dessas informações. Assim, o músico pode, por exemplo, controlar um timbre no canal 1, outro timbre independente no canal 2, um grupo de luzes de palco no canal 3 e outro grupo de equipamentos no canal 4. Ou, em outro exemplo, todos os canais terem o mesmo timbre, mas ligados a controladores diferentes. As informações são enviadas em conjuntos de bytes (geralmente três), numa transmissão serial assíncrona, cada byte com um bit de início e um bit de fim, a uma velocidade de 31250 bits por segundo (baud rate) [3]. O primeiro byte é dividido em duas partes: os primeiros 4 bits indicam a operação sendo realizada (ligar nota, desligar nota, mudar posição de controle, etc), e os outros 4 bits indicam o canal a que a mensagem se refere (0 a 15). O segundo byte é o valor da operação. Por exemplo, se a operação é ligar uma nota, o segundo byte indica qual nota ligar. Se a operação for trocar o programa (timbre), o segundo byte indica o número do novo timbre, etc. Algumas mensagens não possuem o segundo byte por não ser necessário, por exemplo a mensagem de sincronização. A maioria das operações possuem um terceiro byte. Por exemplo, a operação “ligar nota” possui um terceiro byte indicando a velocidade com que a tecla foi pressionada. A operação “alterar controle” (controle sendo um interruptor ou potenciômetro, por exemplo o potenciômetro de volume) possui como segundo byte o controle a ser alterado e como terceiro byte o novo valor. Quando o terceiro byte não é necessário, apenas dois bytes são enviados. II. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO Praticamente todas as instalações elétricas prediais são feitas em corrente alternada. Com isso, o interior e as proximidades dessas instalações são permeados por um campo eletromagnético constante, oscilando na freqüência da rede de distribuição. Como o corpo humano possui alguns parâmetros elétricos (resistência, capacitância e indutância), uma pessoa nas proximidades dessas instalações, conforme Fig. 1, se transforma numa antena, captando esse campo e traduzindo em corrente elétrica. Fig. 1. Ilustração de um músico imerso em campo eletromagnético predial Assim, sempre que uma pessoa toca um condutor metálico, seu corpo induz uma corrente de intensidade variável porém significativa, sempre em ressonância com a rede elétrica. Essa corrente possui características semelhantes ao campo, ou seja, forma aproximadamente senoidal, centrada em zero, e - no caso do Brasil - numa freqüência de 60 Hz. 3) Tipos de Mensagens Existem dois tipos de mensagens MIDI: mensagens de canal e mensagens de sistema. 3.1) Mensagens de Canal São mensagens que afetam somente um canal, e se destinam a configurar a forma como soam as notas e são interpretados os controles. Essas mensagens compreendem as seguintes operações: 2 Altura de uma nota é a posição dela numa escala de freqüência. Uma nota dita mais “alta” significa mais aguda, e mais “baixa” significa mais grave. A variação de altura no caso do Pitch Bend refere-se a uma variação pequena, desde meio tom abaixo até meio tom acima. Um tom é o intervalo de nota, entre, por exemplo, o dó e o ré. 2 A Fig. 2 mostra a medição em volts, feita em osciloscópio, da extremidade de um fio desencapado tocado pela ponta de um dedo. III. PROJETO A. Levantamento das Necessidades O controlador deve realizar as seguintes funções: 1. Quando tocada uma tecla, com mãos nuas, deve iniciar a respectiva nota; 2. Se o toque for mantido, a nota deve continuar soando, respeitando as características do timbre – isto é, a nota deve ser mantida ativa; 3. Quando cessar o toque, a respectiva nota deve ser encerrada; 4. Se uma tecla for tocada enquanto a outra ainda soa, a nota respectiva à segunda tecla deve ser iniciada sem prejuízo no comportamento da primeira nota de forma alguma – isto é, a situação de cada nota deve ser memorizada; 5. O controlador deve respeitar qualquer configuração presente no sintetizador, para que o músico possa usar em conjunto com outros controladores – isto é, não deve alterar volume, programa(timbre) ou outras configurações que não sejam referentes às notas; 6. O delay máximo (isto é, o atraso para executar uma função) não pode exceder o delay da própria comunicação MIDI; 7. Se nenhuma tecla estiver sendo tocada, todas as notas devem cessar. Fig. 2. Medição em osciloscópio da tensão aplicada pela ponta de um dedo, em volts As Fig. 3 e Fig. 4 mostram o espectro em freqüência do sinal representado na Fig. 2, em decibéis pico-a-pico e em volts pico-a-pico, respectivamente, para a rede elétrica brasileira. B. Operações Necessárias As considerações 1 a 4 exigem que o controlador memorize o estado de todas as teclas individualmente, e envie mensagens somente na transição de estado. Assim, quando uma tecla é pressionada, o controlador envia a mensagem NoteOn e o estado “tecla pressionada” é armazenado na memória; quando outra tecla é pressionada, outra mensagem NoteOn é enviada para ela sem enviar uma NoteOff para a primeira, e o estado da segunda também é armazenado sem interferir no armazenamento do estado da primeira. Quando cessa o toque na primeira tecla, então finalmente a mensagem NoteOff é enviada para ela e o estado “tecla solta” é armazenado para esta tecla, e assim sucessivamente. Para a consideração 5, é necessário arbitrar um dos 16 canais como o canal fixo, e ao ligar o controlador este não deve enviar nenhuma mensagem de inicialização alterando o programa (timbre), enviando as notas para o programa que já esteja selecionado. Foi escolhido o canal 0, por ser o primeiro canal. Assim, todas as mensagens começam com os bits “0000” (primeiro canal). Para a consideração 6, foi assumido que o controlador não deve introduzir absolutamente nenhum atraso. Para isso, deve ser levado em conta a velocidade de transmissão do próprio protocolo. As maiores mensagens tendo três bytes, o controlador deve executar todo o processamento no tempo desses três bytes serem enviados. A uma velocidade de 31250 bps, isso significa que toda a varredura deve levar no máximo 960 µs. A consideração 7 é uma questão de tornar o controlador a prova de falhas de comunicação. Caso ocorra uma falha de comunicação numa mensagem NoteOff e a mensagem não seja interpretada, uma determinada nota permaneceria Fig. 3. Espectro em escala logarítmica da tensão aplicada pela ponta de um dedo Fig. 4. Espectro em escala linear da tensão aplicada pela ponta de um dedo 3 soando constantemente mesmo que o músico não esteja tocando. Para garantir que nunca uma nota permaneça ativa indevidamente, sempre que o controlador estiver ocioso - isto é, nenhuma tecla sendo tocada - ele deve enviar uma mensagem All Notes Off (operação Controller seguido do valor 123). Devido à matriz elaborada, deve possuir 6 entradas e 6 saídas, não incluindo a interface UART. Essas entradas e saídas devem ser digitais e compatíveis entre si. Foi escolhido o microcontrolador PIC 16F628A com oscilador interno de 4 MHz, atendendo a todos esses requisitos com o menor custo. Para as teclas, foi escolhido um par de transistores BC548 por tecla, também por motivos de custo. C. Forma de Varredura A forma de entrada de dados escolhida foi a varredura em matriz, pelo motivo de economia de entradas e saídas. Nessa forma, as teclas são dispostas conforme a Fig. 5; alimenta-se uma única saída, e a entrada é lida, obtendo as teclas daquela linha. Depois é alimentada a linha seguinte e lida, e assim sucessivamente. Sendo 36 teclas, a forma mais eficiente seria uma matriz 6x6, com seis colunas lidas nas entradas de dados e seis linhas a serem varridas pelas saídas de dados. G. Software O software para o microcontrolador foi escrito em linguagem C, utilizando o módulo interno UART do microcontrolador para a comunicação MIDI. O software segue a lógica apresentada a seguir: − Coloca a primeira linha da matriz no nível ALTO − Verifica as entradas 1 a 6, acionando respectivamente as teclas 1 a 6 − Coloca a primeira linha da matriz no nível BAIXO − Coloca a segunda linha da matriz no nível ALTO − Verifica as entradas 1 a 6, acionando respectivamente as teclas 7 a 12 − Coloca a segunda linha da matriz no nível BAIXO − Coloca a terceira linha da matriz no nível ALTO − Verifica as entradas 1 a 6, acionando respectivamente as teclas 13 a 18 − Coloca a terceira linha da matriz no nível BAIXO − Coloca a quarta linha da matriz no nível ALTO − Verifica as entradas 1 a 6, acionando respectivamente as teclas 19 a 24 − Coloca a quarta linha da matriz no nível BAIXO − Coloca a quinta linha da matriz no nível ALTO − Verifica as entradas 1 a 6, acionando respectivamente as teclas 25 a 30 − Coloca a quinta linha da matriz no nível BAIXO − Coloca a sexta linha da matriz no nível ALTO − Verifica as entradas 1 a 6, acionando respectivamente as teclas 31 a 36 − Coloca a sexta linha da matriz no nível BAIXO − Verifica se nenhuma tecla foi acionada, no caso enviando AllNotesOff − Executa novamente do início (loop) Fig. 5 – Matriz de varredura das teclas D. Teclas As teclas devem detectar o toque de um dedo nú, isto é, sem luvas ou outros materiais, e sem aparatos de auxílio. A forma optada foi detectar eletricamente através da corrente injetada pelo corpo do músico (conforme o princípio de funcionamento já explicado) na base de um transistor, amplificada e convertida para digital. E. Requisitos de Software Considerando que cada tecla usa um bit para armazenar seu estado (ligada/desligada), e que um registrador normalmente contém 8 bits, são necessários 5 registradores (bytes) de memória para armazenar o estado das teclas. Conforme mencionado, o tempo disponível para toda a rotina é 960 µs. São ao todo 36 teclas, e como caso nenhuma tecla esteja ativa é necessário enviar uma mensagem (AllNotesOff), temos 37 procedimentos de rotina, o que significa que o software dispõe de aproximadamente 26 µs para cada procedimento. Onde “acionar” uma tecla significa: − Verifica se a entrada está diferente do valor memorizado para ela. Caso esteja: − Se tiver mudado de BAIXO para ALTO, envia mensagem NoteOn − Se tiver mudado de ALTO para BAIXO, envia mensagem NoteOff − Em ambas as mudanças, salva o novo valor na memória 1) Mensagens O envio de mensagens MIDI é feito utilizando a UART interna do microcontrolador. De acordo com o protocolo MIDI 1.0, as mensagens são traduzidas numericamente em dois ou três bytes da seguinte forma (para o canal 0): F. Requisitos de Hardware Como o protocolo MIDI é serial assíncrono, o controlador deve dispor de uma UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter – Receptor/Transmissor Assíncrono Universal), capaz de transmitir a um baud rate de 31250 bps. 4 − NoteOn: 144, Número da nota, Velocidade pressionada − NoteOff: 128, Número da nota, Velocidade liberada − AllNotesOff: 176, 123 H. Circuito A entrada do circuito é a corrente injetada pelo corpo do músico, ou seja, uma onda senoidal deformada, em 60 Hz, gerando uma tensão variável com média pico-a-pico em torno de 5 V. A onda está presente quando a tecla está pressionada, e ausente caso contrário – ou seja, uma modulação em amplitude com envoltória digital. Essa informação é amplificada, convertida para digital, organizada na matriz de varredura da Fig. 5, e lida por um microcontrolador. Este por fim envia as mensagens seriais correspondentes de acordo com a lógica já apresentada. A amplificação e conversão para digital são feitas de forma individual para cada tecla, de forma que aqui será apresentado somente o circuito de uma única tecla. O método escolhido para converter o sinal para digital foi retificar através de um retificador de meia onda, amplificar o valor retificado e aplicar um filtro passa-baixa assimétrico [4]. O circuito é mostrado na Fig. 6. Para um instrumento que não é sensível à pressão do toque, as Velocidades não são relevantes, logo sempre será enviado o valor de velocidade máxima (127). 2) Notas Para o número da nota, o padrão MIDI estabelece a relação indicada na Tabela I: Tabela I – Números das notas no padrão MIDI Oitava 1 2 3 4 5 6 7 Dó 24 36 48 60 72 84 96 Dó# 25 37 49 61 73 85 97 Ré 26 38 50 62 74 86 98 Ré# 27 39 51 63 75 87 99 Mi 28 40 52 64 76 88 100 Fá 29 41 53 65 77 89 101 Fá# 30 42 54 66 78 90 102 Sol 31 43 55 67 79 91 103 Sol# 32 44 56 68 80 92 104 Lá 33 45 57 69 81 93 105 Lá# 34 46 58 70 82 94 106 Si 35 47 59 71 83 95 107 A tecla central de um piano é o dó da oitava 4 [1], logo as oitavas escolhidas para este controlador foram as oitavas 3, 4 e 5. A correspondência das teclas e números de nota passa a ser conforme a Tabela II: Tabela II – Correspondência entre as teclas e as notas Tecla Nota Tecla Nota 1 48 19 66 2 49 20 67 3 50 21 68 4 51 22 69 5 52 23 70 6 53 24 71 7 54 25 72 8 55 26 73 9 56 27 74 10 57 28 75 11 58 29 76 12 59 30 77 13 60 31 78 14 61 32 79 15 62 33 80 16 63 34 81 17 64 35 82 18 65 36 83 Fig. 6 – Circuito de uma tecla, dividido em quatro etapas O circuito é composto de quatro etapas, indicadas na figura com as letras a a d. a) Redutor de sensibilidade Se a tecla for muito sensível, a mera proximidade do corpo do músico (por exemplo, a mão inteira passando por cima da tecla) pode disparar uma nota. Assim, um resistor R1 é necessário para drenar corrente e reduzir a sensibilidade de forma que apenas o toque dispare a nota. Como a corrente de entrada é totalmente empírica, R1 também é estritamente experimental. O valor 100kΩ mostrou boa estabilidade. A tensão no ponto V1 da Fig. 6 é a tensão de entrada, mostrada na Fig. 2. b) Primeiro estágio transistorizado - Q1 Nessa etapa, três funções são realizadas. Em primeiro lugar, a junção base-emissor opera como um diodo direto, realizando a função de retificador de meia onda. Em segundo lugar, a tensão mínima exigida pela junção para que o transistor entre em condução (tipicamente 0,7 V) evita que pequenas tensões vindas de interferências ativem o circuito. Como o emissor deste transistor está diretamente na base de 5 outro transistor Q2 (com emissor aterrado), a tensão de duas junções deve ser atingida para o disparo. Ou seja, a tecla deve receber uma tensão de 1,4 V para ser acionada. Esse valor filtra as interferências presentes nos testes, e está seguramente abaixo do valor esperado com o toque do músico (5 V). Em terceiro lugar, essa etapa é o primeiro estágio de amplificação, na configuração coletor-comum, amplificando a corrente. A tensão após essa etapa (indicada na Fig. 6 pelo ponto V2), ou seja, após a barreira de 1,4V e retificada, é mostrada na Fig. 7. d) Filtro Para converter a onda quadrada num nível lógico, foi utilizado um capacitor, criando um delay no efeito pull-up de R3 e formando com ele um filtro passa-baixa truncando o valor DC. Quando Q2 está cortado (ausência de sinal de entrada ou semi-ciclo negativo do sinal de entrada), R3 lentamente carrega o capacitor C1 até o nível lógico alto. Quando Q2 conduz, C1 é descarregado instantaneamente. Sendo os tempos de carga e descarga assimétricos (com dominância da descarga), com o aumento da freqüência o capacitor tende ao estado descarregado, criando um nível lógico baixo (com ripple), conforme Fig. 9. Fig. 7 – Tensão no ponto V2 da Fig. 6, após retificador de meia onda Fig. 9 – Tensão no ponto V3 da Fig. 6 na presença de sinal de entrada, com o capacitor C1 c) Segundo estágio transistorizado – Q2 Após a retificação e amplificação de corrente, o segundo estágio amplifica a tensão. A carga no emissor de Q1 afeta diretamente a tensão exigida na base deste, logo é importante que essa carga seja a menor e mais estável possível. Portanto, Q2 está na configuração emissor comum, mantendo a tensão de emissor de Q1 fixa, no valor da tensão base-emissor de Q2. Para manter baixa a carga de emissor de Q1, a limitação de corrente na base de Q2 (que é o emissor de Q1) foi rebatida para o coletor de Q1, na forma de um resistor R2 (cujo valor não é crítico). A corrente de base de Q2 vem de um estágio com alta corrente de saída, portando ele estará sempre saturado ou em corte. Assim, como o resistor de coletor de Q2, R3, desempenha nesta etapa o papel de resistor de pull-up, a saída é uma onda quadrada na presença da entrada senoidal distorcida (conforme Fig. 8), e a tensão de alimentação na ausência de sinal de entrada. O sinal de saída do filtro será a entrada de uma porta lógica (conforme explicado posteriormente), em cujo datasheet [5] consta que a tensão máxima do nível lógico baixo é 0,8 V, logo todo o ripple deve estar contido entre 0 V e 0,8 V. Assim, os valores de R3 e C1 devem ser escolhidos de forma que na presença do sinal de entrada, 60Hz, o capacitor consiga ser carregado com um máximo de 0,8 V. Para uma freqüência f = 60 Hz, um período T vale 0.0167 segundos. O capacitor se carrega somente em metade do ciclo, logo o tempo t a considerar é T / 2 = 0,00833 segundos. Para um circuito RC, temos a curva de carga conforme a Fig. 10, onde τ = RC. Fig. 8 – Tensão no ponto V3 da Fig. 6 na presença de sinal de entrada, quando não existe o capacitor C1 (mostrado com nível DC filtrado) Fig. 10 – Carga de um capacitor num circuito RC 6 Por simplificação, vamos assumir que até o tempo τ a curva seja aproximadamente linear. Nesse caso, se após RC segundos a curva atinge 1-(1/e) da tensão de alimentação Vcc, podemos considerar a reta: (1) Que equivale a: (2) Fig. 11 – Multiplexação das teclas usando varredura em matriz. As saídas são as linhas varridas e as entradas são os valores lidos em cada varredura. Onde Vc(t) é a tensão no capacitor e t o tempo decorrido em segundos. Devido a restrições nominais do microcontrolador, a tensão de alimentação do circuito é 5 V. O Vc a ser atingido é 0,8 V, e t é o tempo já calculado 0,00833. Logo, o valor mínimo admissível para RC - de acordo com a equação (2) - é 0,03291, valores maiores indicando um ripple menor (o que é desejável). Adotando uma margem de segurança de três vezes, temos um valor desejável para a constante RC de 0,1. Dentre as várias combinações possíveis para esse valor, foram escolhidos os valores R3 = 10 kΩ e C1 = 10 uF. Essa escolha tornou conveniente escolher o valor R2 também 10 kΩ (visto que ele não é crítico), visando a simplificação ao adquirir material em caso de manufatura. Ainda de acordo com o datasheet [5] da porta lógica, a tensão mínima do nível alto é 2 V. Isso significa que - com esses valores de R3 e C1 - após cessar o toque, a tecla levará aproximadamente 0,06 segundos para ser considerada “solta”. A Fig. 12 mostra o circuito completo com detalhes de barramento das duas primeiras teclas dos dois primeiros blocos, desde o contato aberto onde o músico toca, até o microcontrolador. Após as quatro etapas mencionadas, o sinal lógico com ripple passa por uma porta lógica, para multiplexação conforme a matriz da figura 5. A alternativa adotada para isso foi o uso de seis circuitos integrados (CIs) 74LS05, cada um contendo 6 buffers inversores com saída em coletor aberto, e as saídas ligadas em seis barramentos de seis saídas cada, com pull-ups. Os coletores abertos são integrados no próprio 74LS05, e os resistores de pull-up são integrados no próprio microcontrolador. Durante a varredura, cada linha corresponde a um bloco de 6 buffers, e a ativação da varredura é feita pela própria alimentação do CI. Assim, os únicos elementos da fase de multiplexação são os próprios CIs 74LS05 e o microcontrolador. Na Fig. 11, dois dos seis blocos são mostrados. As saídas são relacionadas com as linhas varridas uma a uma, ou seja, durante a varredura os CIs são alimentados um a um (colocando as saídas em nível alto). Quando o CI é isoladamente alimentado, a informação disponível nos seis barramentos são as saídas daquele bloco. Cada barramento N compreende os N-ésimos buffers de todos os blocos. Fig. 12 – Circuito completo de 4 das 36 teclas A Fig. 13 mostra a versão implementada da matriz conceitual mostrada na Fig. 5, onde os números representam as saídas dos circuitos das respectivas teclas. Fig. 13 – Matriz de varredura, com as teclas numeradas 7 Para o microcontrolador 16F628 – que possui duas portas de 8 bits, A e B - as entradas foram organizadas em 6 dos 8 bits da porta B, pois possui pull-ups internos. As saídas ficaram, portanto, na porta A. De acordo com a especificação MIDI, a entrada do módulo é optoacoplada, logo o que a saída MIDI do circuito deve fazer é alimentar um LED padrão infravermelho. Dessa forma, a saída USART do microcontrolador é ligada ao conector de saída MIDI através de uma resistência em série. IV. CONCLUSÕES Com a simplicidade do circuito e das teclas, este projeto tem grande potencial visando um público alvo menos explorado pelos fabricantes de equipamentos MIDI: músicos iniciantes ou de baixa renda, ou seja, que não querem ou não podem investir num equipamento de alto custo. Com o apelo inovativo, esse instrumento pode ser incluído na categoria de música experimental, um estilo conhecido pela irreverência e criatividade. Mesmo outros estilos de música podem ser tocados neste controlador, de forma que quaisquer conjuntos interessados na inovação podem contemplar o uso deste instrumento. Estudantes de teoria musical, que não são intérpretes de um instrumento específico mas que necessitam de um instrumento qualquer para o estudo das escalas e princípios musicais, poderão usufruir da portabilidade deste controlador, podendo transportar de casa até o local de estudo. Desse ponto de vista, uma escola de música que já disponha de computadores pode reduzir custos ao utilizar este controlador, bastando instalar softwares sintetizadores nos computadores que já possui e utilizar um adaptador para MIDI. Compositores também verão utilidade no tamanho reduzido, caso componham em suas residências dividindo espaço com outros afazeres. É necessário observar que o circuito é sensível e imprevisível em situações extremas, como locais com campo eletromagnético atipicamente forte ou rede elétrica pouco presente. Uma grande conclusão, portanto, é que esse instrumento é de uso essencialmente urbano, e não teria bom desempenho, por exemplo, num acampamento (ainda que possua alimentação disponível, ela não seria abundante ao redor do músico. Talvez, a menos, que o músico sentasse imediatamente ao lado de outros equipamentos. Não houve oportunidade para tais testes). Caso exista mercado específico para um instrumento semelhante que possa ser usado em regiões sem rede abundante, bastaria substituir o circuito da Fig. 6 por uma tecnologia que utilize outro princípio de funcionamento (como por exemplo sensores capacitivos). I. Testes O princípio de funcionamento levanta uma restrição ao instrumento: estar sempre próximo à rede elétrica. Medições do toque do músico sem a presença de rede elétrica, usando osciloscópio a bateria, mostraram completa ausência de sinal. No entanto, a restrição não constitui um problema crítico para este projeto, pois os equipamentos de áudio são geralmente alimentados pela rede, e na ausência de rede elétrica, não será possível ligar nem sequer o módulo sintetizador. Nos circuitos das teclas, o capacitor de filtragem causa um atraso de 0,06 segundos na detecção de que uma tecla foi solta. Um novo toque antes desse tempo causará a impressão da tecla não ter sido solta, limitando o equipamento a um máximo de aproximadamente 15 repetições da mesma nota por segundo. No entanto, um tremolo - que em música é a rápida repetição de uma mesma nota – é considerado a partir de 8 notas por segundo, logo a limitação não causa qualquer prejuízo na execução de uma música. O tempo total levado pelo microcontrolador para executar a rotina de varredura foi medido através do espaçamento no tempo entre dois pulsos de varredura na mesma linha – isto é, o tempo entre varrer uma linha, e varrê-la novamente. Essa medição foi feita diretamente na saída lógica que alimenta um dos CIs 74LS05, e mostrada na Fig. 14. Pela leitura constata-se que o tempo total de varredura é inferior a 700µs - ou seja, perfeitamente dentro do limite estabelecido. Assim, a velocidade de clock foi satisfatória. REFERÊNCIAS [1] MED, Buhumil. Teoria da Música. 3ª ed. Brasília: MusiMed, 1982. [2] MIDI MANUFACTURERS ASSOCIATION. MIDI Tech Specs & Info. Disponível em: <http://www.midi.org/techspecs/index.php>. Acesso em: 14 Agosto 2009. [3] GIESZCZYKIEWICZ, Filip. MIDI. Disponível em: <http://www.repairfaq.org/filipg/LINK/F_MIDI.html>. Acesso em: 14 Agosto 2009. [4] SEDRA, A. S.; SMITH, K. C. Microeletrônica, 4ª ed. São Paulo: MAKRON Books, 2000. Disponível em: [5] Motorola. SN74LS05D. <http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/motorola/S N74LS05D.pdf>. Acesso em: 16 Novembro 2009. [6] Introduction to the Hammond Novachord. Disponível em: <http://www.novachord.com>. Acesso em: 9 Dezembro 2009 Fig. 14 – Pulsos de varredura de uma das saídas da matriz Uma grande dificuldade encontrada na execução deste projeto foi a altíssima sensibilidade a fatores externos, devido à própria imprevisibilidade do princípio de funcionamento. O dimensionamento empírico da redução de sensibilidade causa certa dependência a fatores de ambiente. A amplificação em dois estágios foi uma solução eficaz e torna o sinal estável, mas apenas dentro de condições médias. 8 DADOS BIOGRÁFICOS compositor e intérprete de diversos instrumentos. Teve composições para piano registradas na Biblioteca Nacional em 2009. Fernando Cosentino, nascido em 04/06/1984 em Linhares (Espírito Santo), é Graduando do Curso de Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Paraná. É músico, 9
