基于ATtiny85制作MIDI数字音乐盒

风筝

在本篇文章中，我们将主要介绍如何基于ATtiny85制作数字音乐盒，该设备可以播放以MIDI格式存储在内存卡中的音乐：

音符听起来像一个破破的音乐盒或大键琴，有四个通道，所以最多可以同时播放四个音符。我的示范音乐弹奏的是D小调的巴赫赋格曲；以下是播放的声音：midiplayer.mp3。

您可以轻松地对其进行编程，以便从Music Box Maniacs等网站播放您喜欢的任何MIDI音乐盒曲调，您可以将其用作电子贺卡、音乐求婚戒指盒、电子门铃的基础，或任何其他基于音乐的项目。

项目介绍

这个项目开始于我发现Music Box Maniacs，这是一个提供曲调的网站，你可以打印成纸条，用于各种机械音乐盒。这些曲调也可以作为MIDI文件下载，我认为编写一个程序将MIDI格式转换为我之前的Digital Music Box [Updated]项目所需的二进制数字格式会很有趣。使用MIDI文件格式的描述我写了一个转换器程序（在Lisp中），但后来意识到我可以不需要中间的转换步骤，而是制作一个可直接从微控制器的闪存中读取MIDI文件的音乐盒项目。这还有一个优点，即它将删除我原始程序的32音符范围限制，该限制将编码为32位数字中的位位置。

我的MIDI转换器处理MIDI格式的一个子集，适合在Music Box Maniacs网站上播放音乐盒曲调，我用它的几个曲调测试了它。但是，我不确定它将如何处理一般的MIDI文件。

电路

该电路与我之前的音乐盒相同，如果在解析MIDI代码时出现错误，则会添加一个错误指示灯以提供反馈。 LED闪烁的次数告诉您MIDI格式在何处发生错误。

PWM输出通过电解电容直接馈入8Ω扬声器，以去除DC。扬声器的电感滤除了波形的高频成分：

电源线上的10μF电容使ATtiny85能够应对音乐引起的电流尖峰。

如果要将输出馈送到音频放大器，则必须包含低通滤波器，否则可能会使放大器过载。

列出MIDI数据

您想要播放的乐曲的MIDI数据只包含在程序的开头部分；以下是一个例子，简写为：

1. const uint8_t Tune[] PROGMEM = {
   
2.   0x4d, 0x54, 0x68, 0x64, 0x00, 0x00, 0x00, 0x06, 0x00, 0x01, 0x00, 0x01,
   
3.   0x03, 0xc0, 0x4d, 0x54, 0x72, 0x6b, 0x00, 0x00, 0x0a, 0x7e, 0x00, 0xff,
   
4.   ...
   
5.   0x50, 0xb0, 0x5b, 0x00, 0x00, 0xff, 0x2f, 0x00
   
6. };

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这是我用于以正确格式列出MIDI文件的过程。

●    将MIDI文件复制到主目录中。

●    打开终端应用程序。

●    键入以下命令，替换MIDI文件的名称：

xxd -i musicbox.mid

-i参数告诉xxd输出C include格式的数据。 输出看起来像：

1. unsigned char musicbox_mid[] = {
   
2.   0x4d, 0x54, 0x68, 0x64, 0x00, 0x00, 0x00, 0x06, 0x00, 0x01, 0x00, 0x01,
   
3.   0x03, 0xc0, 0x4d, 0x54, 0x72, 0x6b, 0x00, 0x00, 0x0a, 0x7e, 0x00, 0xff,
   
4.   ...
   
5.   0x50, 0xb0, 0x5b, 0x00, 0x00, 0xff, 0x2f, 0x00
   
6. };
   
7. unsigned int musicbox_mid_len = 2708;

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最后一行显示数据的长度；这应该小于约6000，以使MIDI数据适合可用的闪存空间。

●    从终端窗口中剪切并粘贴，以替换Tiny MIDI Player源文件中的相应行。

setup()函数

音乐盒使用ATtiny85定时器和看门狗定时器。这些是在setup()中配置的。

首先，64MHz锁相环（PLL）用作T / C1的时钟源：

1.   PLLCSR = 1<<PCKE | 1<<PLLE;

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然后，定时器/计数器1设置为PWM模式，使其充当模数转换器，使用OCR1B中的值来改变占空比。

1.   TIMSK = 0;                     // Timer interrupts OFF
   
2.   TCCR1 = 1<<CS10;               // 1:1 prescale
   
3.   GTCCR = 1<<PWM1B | 2<<COM1B0;  // PWM B, clear on match
   
4.   OCR1B = 128;
   
5.   DDRB = 1<<DDB4;                // Enable PWM output on pin 4

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方波的频率由OCR1C指定；我们将它设置为默认值255，它将64MHz时钟除以256，得到250kHz方波。这足够高于我们的采样率，以避免抗锯齿问题。

定时器/计数器0设置为产生中断以输出样本：

1.   TCCR0A = 3<<WGM00;             // Fast PWM
   
2.   TCCR0B = 1<<WGM02 | 2<<CS00;   // 1/8 prescale
   
3.   OCR0A = 19;                    // Divide by 20
   
4.   TIMSK = 1<<OCIE0A;             // Enable compare match, disable overflow

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该中断的速率是16MHz系统时钟除以预分频器8，OCR0A中的值为19 + 1，给出100kHz。该中断用于依次输出四个通道，多路复用，因此每个通道的采样率为25kHz。中断调用中断服务程序ISR（TIMER0_COMPA_vect），它计算并输出样本。

最后，看门狗定时器配置为每16ms发出一次中断，用于定时音符输出：

1. WDTCR = 1<<WDIE | 0<<WDP0;     // Interrupt every 16ms

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风筝

产生波形

MIDI播放器使用DDS（Direct Digital Synthesis）产生波形。为了给这个项目一个音乐盒的声音我想给波形衰减。 ATtiny85不提供硬件乘法，因此为了避免需要乘法，基础波形采用的是矩形波，所以我们只需要将包络的幅度乘以1或-1。此外，我使包络线性衰减，因此我们可以简单地通过递减计数器来计算幅度值。

对于每个通道，有三个变量; Freq [] - 当前音符值，Acc [] - 相位累加器和Amp [] - 包络幅度值。对于每个样本，Freq []值被添加到相位累加器Acc []。 Acc []的最高位用于生成通道的方波。 Freq []的值越大，顶部位产生的频率越高。最后，波形乘以包络Amp []。四个通道复用在一起，结果输出到模拟输出。

中断服务程序

该程序的关键部分是T / C0中断服务程序，它将波形样本输出到模拟输出，并以约95kHz的速率调用。对于当前通道c，它更新频率累加器Acc [c]和幅度Amp [c]，并计算当前音符的值。然后输出到T / C1的比较寄存器OCR1B，在引脚4上给出一个模拟值：

1. ISR(TIMER0_COMPA_vect) {
   
2.   static uint8_t c;
   
3.   signed char Temp, Mask, Env, Note;
   
4.   Acc[c] = Acc[c] + Freq[c];  
   
5.   Amp[c] = Amp[c] - (Amp[c] != 0);
   
6.   Temp = Acc[c] >> 8;
   
7.   Temp = Temp & Temp<<1;
   
8.   Mask = Temp >> 7;
   
9.   Env = Amp[c] >> Volume;
   
10.   Note = (Env ^ Mask) + (Mask & 1);
    
11.   OCR1B = Note + 128;
    
12.   c = (c + 1) & 3;
    
13. }

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逐行解释此代码：

1. Acc[c] = Acc[c] + Freq[c];

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将当前通道Freq [c]的频率值添加到频率累加器Acc [c]。 Freq [c]的值越大，Acc [c]的变化越快。

1. Amp[c] = Amp[c] - (Amp[c] != 0);

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减小通道的幅度值。 （Amp [c]！= 0）部分确保一旦达到零，它就保持为零。

1. Temp = Acc[c] >> 8;

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将Temp设置为频率累加器的前8位。

1. Temp = Temp & Temp<<1;

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如果前两位为1，则该行将顶部位设置为1，否则设置为0，这将给出具有25/75标记空间比的矩形波。对于这个项目，我决定使用一个矩形波，它具有更丰富的谐波和更好的声音。

1. Mask = Temp >> 7;

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由于Temp和Mask是有符号值，因此在整个字节中将顶部位向下扫描。如果最高位为0，则得到0x00，如果为1则得到0xFF。

1. Env = Amp[c] >> Volume;

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默认情况下，Volume为8，将Env设置为幅度的顶部字节。

1. Note = (Env ^ Mask) + (Mask & 1);

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最后，把它们放在一起。如果Mask为0x00，则将Note设置为Env值。如果Mask为0xFF，则将Note设置为Env + 1的补码，或减去Env值。因此，Note现在包含一个在正负电流幅度之间变化的波形。

1. OCR1B = Note + 128;

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输出寄存器设置为Note + 128，以提供无符号的8位值。

1. c = (c + 1) & 3;

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四个通道在连续中断时输出，在输出端多路复用通道。

生成比例

良好的调节比例由数组Scale []中的常量生成：

1. unsigned int Scale[] = {
   
2. 10973, 11626, 12317, 13050, 13826, 14648, 15519, 16442, 17419, 18455, 19552, 20715};   

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第一个数字10973对应于C0。为了获得C4，中间C，即四个八度音高，我们将其除以24得到686.因此，Acc [c]的最高位将以25000 /（65536/685）或261.7 Hz，中间C的频率变化。 。

改变声音

两个变量可让您更改音符的声音。您可以在7到9之间改变音量以尝试不同的音量设置。你可以改变14到12之间的腐烂来改变信封; 14给出了长衰减，12给出了最短的衰减。超出这些范围的值可能不会有用。

MINI解释器

MIDI解释器读取在音乐盒合成器上播放曲调所需的MIDI子集。它假定只有一个MIDI通道，并读取速度和分度（每拍节拍）设置，但忽略大多数其他设置。

读取数据

MIDI解释器使用以下函数来读取MIDI数据：

readIgnore()跳过文件中指定的字节数：

1. void readIgnore (int n) {
   
2.   Ptr = Ptr + n;
   
3. }

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readNumber()读取具有指定字节数精度的数字，最多4个：

1. unsigned long readNumber (int n) {
   
2.   long result = 0;
   
3.   for (int i=0; i<n; i++) result = (result<<8) + pgm_read_byte(&Tune[Ptr++]);
   
4.   return result;
   
5. }

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readVariable()以MIDI变量精度格式读取数字。这可以包含一到四个字节：

1. unsigned long readVariable () {
   
2.   long result = 0;
   
3.   uint8_t b;
   
4.   do {
   
5.     b = pgm_read_byte(&Tune[Ptr++]);
   
6.     result = (result<<7) + (b & 0x7F);
   
7.   } while (b & 0x80);
   
8.   return result;
   
9. }

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每个字节对结果贡献7位；如果顶部位置位，则表示后面跟着另一个字节。

播放音符

解释器调用noteOn()在音乐盒的下一个可用通道上播放音符：

1. void noteOn (uint8_t number) {
   
2.   uint8_t octave = number/12;
   
3.   uint8_t note = number%12;
   
4.   unsigned int freq = Scale[note];
   
5.   uint8_t shift = 9-octave;
   
6.   Freq[Chan] = freq>>shift;
   
7.   Amp[Chan] = 1<<Decay;
   
8.   Chan = (Chan + 1) & 3;
   
9. }

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播放MIDI数据

最后，这是播放MIDI数据的主要例程。变量Ptr是指向要读取的下一个字节的指针：

1. void playMidiData () {
   
2.   Ptr = 0;                                  // Begin at start of file

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MIDI文件中的第一个块是标题，它指定了音轨的数量和division（节拍）：

1. // Read header chunk
   
2.   unsigned long type = readNumber(4);
   
3.   if (type != MThd) error(1);
   
4.   unsigned long len = readNumber(4);
   
5.   unsigned int format = readNumber(2);
   
6.   unsigned int tracks = readNumber(2);
   
7.   unsigned int division = readNumber(2);    // Ticks per beat
   
8.   TempoDivisor = (long)division*16000/Tempo;

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division是节拍中的细分数量；通常为960。然后我们读取指定数量的轨道块：

1.   // Read track chunks
   
2.   for (int t=0; t<tracks; t++) {
   
3.     type = readNumber(4);
   
4.     if (type != MTrk) error(2);
   
5.     len = readNumber(4);
   
6.     EndBlock = Ptr + len;

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然后，我们读取每个轨道块末尾的连续事件：

1.     // Parse track
   
2.     while (Ptr < EndBlock) {
   
3.       unsigned long delta = readVariable();
   
4.       uint8_t event = readNumber(1);
   
5.       uint8_t eventType = event & 0xF0;   
   
6.       if (delta > 0) Delay(delta/TempoDivisor);

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每个事件都指定delta，事件发生之前的时间延迟应该生效。对于同时发生的事件，delta为零。

元事件的事件类型为0xFF：

1.       // Meta event
   
2.       if (event == 0xFF) {
   
3.         uint8_t mtype = readNumber(1);
   
4.         uint8_t mlen = readNumber(1);
   
5.         // Tempo
   
6.         if (mtype == 0x51) {
   
7.           Tempo = readNumber(mlen);
   
8.           TempoDivisor = (long)division*16000/Tempo;
   
9.         // Ignore other meta events
   
10.         } else readIgnore(mlen);

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我们感兴趣的唯一一个是Tempo元事件，它指定以微秒为单位的节拍持续时间。默认情况下，这是500000;即半秒，相当于120bpm。

其余事件是MIDI事件，由事件类型中的第一个十六进制数字标识。我们感兴趣的唯一一个是0x90，Note On，它在下一个可用的音乐盒频道上播放音符：

1.       // Note off - ignored
   
2.       } else if (eventType == 0x80) {
   
3.         uint8_t number = readNumber(1);
   
4.         uint8_t velocity = readNumber(1);
   
5.       // Note on
   
6.       } else if (eventType == 0x90) {
   
7.         uint8_t number = readNumber(1);
   
8.         uint8_t velocity = readNumber(1);
   
9.         noteOn(number);
   
10.       // Polyphonic key pressure
    
11.       } else if (eventType == 0xA0) readIgnore(2);
    
12.       // Controller change
    
13.       else if (eventType == 0xB0) readIgnore(2);
    
14.       // Program change
    
15.       else if (eventType == 0xC0) readIgnore(1);
    
16.       // Channel key pressure
    
17.       else if (eventType == 0xD0) readIgnore(1);
    
18.       // Pitch bend
    
19.       else if (eventType == 0xD0) readIgnore(2);
    
20.       else error(3);
    
21.     }
    
22.   }
    
23. }

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我目前忽略了速度值velocity，因为它不适用于音乐盒，但您可以使用它来设置音符的初始幅度。

我们必须识别其他MIDI事件以允许我们跳过它们，因为它们的长度会有所不同。最后，任何其他信号都会在错误LED上发出错误信号。

编译程序

为了能够支持四个通道，ATtiny85需要以16MHz时钟运行;幸运的是，它提供了16MHz时钟选项，无需晶体，使用内部PLL将内部8MHz时钟提升至16MHz。

我使用Spence Konde的ATTiny Core 编译了程序。 在Board菜单上的ATtinyCore标题下选择ATtiny25/45/85选项。 然后在后续菜单中选择 Timer 1 Clock: CPU, B.O.D. Disabled, ATtiny85, 16 MHz (PLL) 。 选择Burn Bootloader以适当设置保险丝。 然后使用ISP上传程序（系统内编程）; 我使用的是Sparkfun的Tiny AVR Programmer Board。

以上就是整个MIDI数字音乐盒的程序。