《圈圈教你玩USB》 第七章 USB MIDI键盘 看书笔记

修改前的代码： 《圈圈教你玩USB》第四章 USB键盘 UsbKeyboard

修改后的代码： 《圈圈教你玩USB》第七章 USBMIDI键盘 UsbMidiKeyboard

7.1 MIDI简介

7.2 MIDI的工作原理

1.MIDI控制命令之一：让指定通道发声——Note On Message

格式(16进制)：9n, kk, vv。

                           9:表示该消息的ID;

                           n:表示发送到的通道，可以选择为0~15，共16个通道；

                            kk:表示音符的音高，60(十进制)为中央C音；

                            vv:表示演奏的力度，0为关闭声音，127为最大音量。

7.3 USB MIDI设备的数据流模型

   一个USB MIDI设备可以有很多模块，例如MIDI合成器、MIDI转换器(必须的)、插孔等。本文设计无合成器等模块，只有MIDI插孔和转换器。
模块作用：
   转换器：将各个插孔和模块连接起来；
   插孔    : 是一个抽象概念，供MIDI信息输入输出使用。
传递MIDI消息的方法：批量端点，一个批量端点可以传输多路MIDI消息。
    此处传输的不是原始的MIDI消息，而是由打包为32位的USB-MIDI事件包发送。
    eg：Note On消息，打包方法：
        在前面加上0xP9，其中P为某一路MIDI消息的编号，本实例只有一路，设置未0即可，故为0x09。 

7.4 设备描述符

    将设备描述符中的PID改为0x0008.

7.5 配置描述符集合

删除无用描述符：

   配置描述符集合中的HID描述符；

   报告描述符、获取报告描述符的代码；

添加新的描述符：

    MIDI流接口描述符；

    类特殊接口描述符；

    类特殊端点描述符；

详细见7.5.1~7.5.7和USB MIDI设备类的协议文档。

7.5.1 配置描述符

该USBMIDI键盘的配置需要两个接口。

修改内容：

   修改配置描述符中的bNumInterfaces为0x02。

7.5.2 音频控制类接口描述符

      每个音频设备都有一个音频控制接口AC(Audio Control)，可以有多个音频流接口或者MIDI流接口。

    作用：这里，音频控制接口没有实际的用途，仅是协议强制要求而已。

   所以使用的端点数目为0，接口类为音频类(0x01)，子类为音频控制子类(0x01)，没有使用协议，为0值。

重点添加内容：

    bNumEndpoints为0；

    bInterfaceClass为0x01;

    bInterfaceSubClass为0x01;

    bInterfaceProtocol为0x00;

7.5.3 类特殊音频控制接口描述符

    作用：本描述符用来描述该音频控制接口的属性，这里仅有一个头描述符，用来说明从属于该音频控制接口的其他接口有哪些。

重点添加内容：

   这里只有一个流接口，并且它的编号为1。

    bInCollection 为0x01        //流接口的数目

    baInterfaceNr(1)为0x01   //哪个MIDI流接口属于该音频控制接口(这里为接口1，即MIDI流接口)

7.5.4 MIDI流接口描述符

    作用：使用两个批量端点分别输入和输出MIDI流数据。

   本描述符使用标准的接口描述符类型，将前面的音频控制接口描述符复制一份修改为MIDI流接口描述符。

重点修改部分：

    bInterfaceNumber改为0x01   //这里属于第二个接口

    bNumEndpoints改为0x02      //端点数目

    bInterfaceSubClass改为0x03//子类代码，0x03表示MIDI流接口子类

7.5.5 类特殊MIDI流接口描述符

    作用：描述USB MIDI设备内部各模块(包括元件与插孔)间的连接关系。

    插孔分类：内嵌输入插孔、内嵌输出插孔、外部输入插孔、外部输出插孔(方向是对设备来说的，与前面的端点方向刚好相反)。

    插孔(USB MIDI设备中)简介：

插孔数据流向：

 键盘的数据通过内嵌输出插孔输出给PC，但键盘的数据不能直接发送到内嵌输出插孔，而是假设有一个外部输入插孔(虚拟的)，将该输入插孔连接到内嵌输出插孔的“输入引脚”上。

        对于PC端的数据也类似，数据将到达内嵌输入插孔，将内嵌输入插孔连接到外部输出插孔的输入引脚上，数据就可以发送出去了。

        各个插孔都有ID号，可以通过在各自插孔的描述符中指定某个插孔的ID号，把输入和输出插孔连接起来。

描述符简介：

        ① 类特殊MIDI流接口头描述符(class-specific MS interface header descriptor)：头描述符，引导下面三种类特殊MIDI接口描述符。

        ② MIDI输入插孔描述符(MIDI IN jack descriptor)    ：描述输入插孔；

        ③ MIDI输出插孔描述符(MIDI OUT jack descriptor)：描述输出插孔；

        ④ 元件描述符(element descriptor)                             ：描述USB MIDI设备的元件，例如MIDI合成器等(本例未用到)

描述符的结构和具体实现：

        ① 类特殊MIDI流接口头描述符：

           

        ② MIDI输入插孔描述符：

                bJackType为插孔的类型，可以选择内嵌（0x01）或者外部（0x02）；

                bJackID    为插孔的唯一ID，可以用在输出插孔的输入源选择上。

                

         ③ MIDI输出插孔描述符

            前5个字节同输入插孔意义相同。

            

            中间的省略号部分表示可以有多组baSourceID和BaSourcePin；

            如“插孔数据流向”部分左图所示，这里指定内嵌输入插孔的ID为1；外部输入插孔的ID为2；内嵌输出(到PC)插孔的ID为3；外部输出(从PC)插孔的ID为4，则：

            在内嵌输出插孔的baSourceID中指定ID为2，即外部输入插孔；

            在外部输出插孔的baSourceID中指定ID为1，即内嵌输入插孔。

         ④ 元件描述符(Element Descriptor)在本实例中未用到，这里不详述了。可以在USB MIDI设备协议中查到。

最终设置好的类特殊MIDI流接口描述符包含下列部分：

        /************* 内嵌输入插孔描述符***********/

        /************* 外部输入插孔描述符***********/

        /************* 内嵌输出插孔描述符***********/

        /************* 外部输出插孔描述符***********/

 7.5.6 端点描述符和类特殊端点描述符

作用：

   标准批量数据端点描述符：

   类特殊MIDI流批量数据端点描述符：描述内嵌插孔是如何在端点上组织的，跟在每个标准的批量数据端点描述符后面。

描述符的结构：

    ① 类特殊MIDI流批量数据端点描述符

        

        bNumEmbMIDIJack：本例仅有一个内嵌输入插孔或内嵌输出插孔，所以为1；

        baAssocJackID       ：可以有多个，视该端点内嵌插孔的数量而定。对于输入端点，指定为内嵌输出插孔的ID，对于输出

                                             端点，指定为内嵌输入插孔的ID。

最终设置好的代码如下：

        /***************标准批量数据输入端点描述符*********/

        /*************** 类特殊MIDI流批量数据端点描述符***/

        /***************标准批量数据输出端点描述符*********/

        /*************** 类特殊MIDI流批量数据端点描述符***/

7.5.7 字符串描述符

修不修改无所谓

7.6 修改好描述符后的测试

 

7.7 USB MIDI键盘的数据返回

本MIDI键盘的功能：产生一条Note On(音符开)消息。

32位MIDI事件包格式(16进制)为：P9，9n，kk，vv，其中

        第一个字节P9：为USB MIDI协议中增加的包头，P为某一路MIDI消息的编号(这里仅有一个内嵌输出插孔，为0)；9为该包的ID标识。

        后面三个字节为实际的MIDI消息，9n表示在通道n上发送Note On消息；kk表示音符的音高；vv表示音符的力度(响度，127为最大声)。

按键对应音高：KEY1~KEY8对应简谱的5、6、1、2、3、5、6、1，第一个1为中央C，按照书中的介绍，可以计算出它们在MIDI消

                          息中的音高值分别为55、57、60、62、64、67、69、72。

代码修改：将原来返回报告的函数SendReport改为SendNoteOnMsg，在该函数中根据不同按键的按下和抬起来发送Note On消息。

                   当某个按键按下时，就发送力度值为最大的Note On消息，让某个音符发声；当某个按键弹起时，就发送力度为0的消

                   息，这将停止该音符的发声。

数据输出：因为实验板无法设置为31.25kb/s波特率，所以对于端点2输出的数据直接丢弃。仅在端点2输出中断处理中清除中断标志

                   和清空缓冲区。

                   需要注意的是，输出数据的处理速度一定要够，否则可能导致应用软件停止响应甚至整个操作系统崩溃。如果设备用不

                   到MIDI输出，则干脆在外部输出插孔描述符中修改baSourceID为0x02，选择输入源为外部输入插孔。这样内嵌输入插孔

                   就没有被使用，从而Windows就不会增加MIDI输出设备。正常使用时，将config.h中定义的调试宏删除，避免多余的消耗。

7.8 USB MIDI键盘的使用 

使用HappyEO电子琴软件

                  

       该MIDI键盘连接上PC后，会产生一个MIDI输出设备，Windows操作系统有时会自动将它选择为“MIDI音乐播放”的默认设备。如果此时播放一个MIDI文件，数据将发送到USB MIDI设备上去，从而PC声卡无声音输出。可以进入控制面板的“ 声音和音频设备 ”中选择需要的MIDI设备。如下图所示，一般声卡使用“ Microsoft GS波表软件合成器”。如果不想改这个MIDI音乐播放器的默认设置，参考7.7中最后一段。

                  

7.9 单片机自动弹奏的实现

找到曲子后，把每个音符翻译成MIDI消息，然后按照谱子中给定的时间间隔发送就行了。
减少数据存储量的方法：
        定义一种结构，曲子以行的格式保存，每行在同一个时刻(实际上是比较短的时间内分多个包发送的)声音。每行第一个字节为该行需要发声的个数；接下来的两个字节反别是音符的音高和力度，一行有多个音节时，音高和力度如此重复下去；最后两个字节为该行音符发送后停留的时间。
    整首曲子保存在一个数组中，数组的前两个字节为整个曲子的行数，接下来就是一行行的MIDI消息数据。具体数据格式参考源代码中的song.c文件，里面包含了曲子的数据和播放曲子的函数。
怎么区分通道：
    旋律音和打击乐是在不同通道上的，代码中利用0xff(数据中未用到0xff)作为通道切换指示。当遇到0xff时，就切换到另一个通道。
    代码中同时按下KEY1和KEY8后，开始自动播放。

7.10 本章小结

本章简单介绍了USB MIDI键盘的实现，MIDI以及音乐方面的知识；

               实现了USB MIDI设备的基本功能。

若要制作一个完整、符合规范的USB MIDI键盘，还有很多工作要做。