Това е първата лекция от цикъла за MIDI, който се преподава в Техническия университет - Варна, на студентите от V курс на специалност "Компютърни системи и технологии" в дисциплината "Интегрирани компютърни системи и мрежи". Независимо от това, надяваме се, че изложението е на достатъчно достъпно ниво, за да може да има полза и за всички останали любители и професионалисти в областта на компютърната музика.

1.1 Що е MIDI?

MIDI е съкращение от "Musical Instrument Digital Interface" (цифров интерфейс за музикални инструменти). Този стандарт "дава възможност на хората да използват мултимедиймни компютри и електронни музикални инструменти, за да създават, да слушат и да изучават музика", съгласно определението на Асоциацията на MIDI-производителите (MIDI Manufacturer's Association или MMA). Стандартът е създаден през 1983 година от американските фирми "Opcode" и "Sequential Circuits", като към тях се присъединяват и японските гиганти Kawai, Roland, Korg, Yamaha и Casio, а постепенно и стотици други фирми от цял свят. Първоначално целта е била свързване на синтезатори от различни производители един към друг, но след въвеждането на секуенсерите се разбира, че MIDI може да се играе ролята на "нервна система" на цялото музикално оборудване в студиото и на сцената.

MIDI има три съставки - съединител (апаратен интерфейс), протокол за връзка (език) и формат за разпространение, наречен "Стандартни MIDI-файлове".

1.1.1. За MIDI-протокола

Протоколът на MIDI е цял език за описание на музиката в двоична форма. На всяка дума, описваща действие при музикалното изпълнение, се присвоява специфичен двоичен код. MIDI е бил първоначално проектиран за клавишни инструменти, така че много от действията са ориентирани към звукоизвличане с помощта на удар, което е характерно за пианото например. За да накараме една нота да звучи, ние изпращаме съобщение "Включване на нота", и после присвояваме "скорост", която определя колко силно тя звучи. (Това е по аналогия с пианото - колкото по-рязко (с по-голяма скорост) се натиска клавишът, толкова по-силна и "по-ярка" е атаката на звука.) Другите MIDI-съобщения включват избор на инструмента за свирене, смесване и разполагане на инструментите в пространството, както и управление на различни характеристики на електронните музикални инструменти.

1.1.2. За Стандартните MIDI-файлове

Когато MIDI-съобщенията се съхраняват на дискове, това най-често става във формат на Стандартен MIDI-файл (СМФ), който е малко по-различен от MIDI-протокола, защото събитията се "подпечатват" с времето на възникването им, за да могат да се възпроизвеждат в определената последователност така, както са били записани. Музиката, разпространявана чрез СМФ, е най-широкото приложение на MIDI днес. MIDI е главният източник на музиката в много популярни игри за персонални компютри и развлекателни компакт-дискове, а много хиляди MIDI-файлове са достъпни чрез Интернет. Почти всеки персонален компютър днес е оборудван за възпроизвеждането на СМФ.

Една от причините за популярността на СМФ е тази, че за разлика от цифровите звукови файлове или дори компакт-дисковете или касетите, MIDI-файлът няма нужда да съхранява самите звуци. MIDI-файлът е само списък от събития, които описват специфичните стъпки, които звуковата платка или друго възпроизвеждащо устройство трябва да предприеме, за да генерира съответните звуци. По този начин MIDI-файловете стават много по-малки от цифровите звукови файлове, а събитията могат да се редактират, което позволява музиката да се аранжира, редактира или дори да се композира интерактивно по желание.

1.2. Съединител, кабел и схема на свързване

Според спецификацията MIDI 1.0, единственият утвърден MIDI-съединител е DIN-съединителят с 5 крачета, показан по-долу (фиг. 1). Сигурно е възможно да се предават MIDI-съобщения и по други съединители и кабели, но с увеличаването на вариациите е все по-трудно да се гарантира възможността за свързване между различните продукти. MMA до момента не е одобрила използването на каквито и да е други съединители за MIDI 1.0, но по всяка вероятност ще усвои нов съединител за следващото поколение MIDI-спецификация.

Фиг. 1: Електрическа спецификация MIDI 1.0

Забележки:

1. Показаният оптрон е SHARP PC-900V. Може да се използва и HP 6N136 или друг тип (вж. точка 1.3 по-долу) със съответни промени.

2. Инверторите "A" са логически елементи или транзистори.

3. Всички резистори са с толеранс 5%.

4. Максималната дължина на кабела е 15 метра. В двата му края трябва да има съответен мъжки DIN-съединител, например SWITCHCRAFT 05GM5M.

5. Кабелът трябва да бъде тип "усукана двойка", с оплетка, свързана към краче 2 в двата края.

1.2.1. Подробно описание на схемата

Както се вижда от фиг. 1, това е типичен токов кръг, но за разлика от стандартния токов кръг на RS-232 има някои особености:

• Ток в кръга тече само при предаване на данни, а не в неактивно състояние, както е при токовия кръг RS-232. Това се вижда, като се проследи откъде тече токът. Нека си представим, че изходът OUT на предаващото устройство е включен с MIDI-кабел към входа IN на приемащото. Нормално изходният транзистор на инвертора "A" е запушен и ток в кръга не тече. При постъпване на данни, по време на стартовия бит, както и при нулев бит данни, той се отпушва и тече ток по веригата: +5V - Ra - Rb - светодиод - Rc - изходен транзистор - маса. Поради това различие, при MIDI не е възможно откриване на прекъсната връзка в неактивно състояние, както в RS-232, а само по време на предаване на данни. Специално за тази цел в MIDI е предвидено системното съобщение ACTIVE SENSE, както ще стане дума в по-следващата лекция. Очевидно причината интерфейсът да е проектиран така, че в неактивно състояние да няма ток, е стремежът към икономия на енергия - важен фактор при много устройства с батерийно захранване.

• Токът в кръга е 5 mA, а не 20 mA, каквато е стандартната стойност за токовия кръг RS-232. Тази стойност се получава, като се пресметне падът на напрежението във всички резистори, който е 5V - 1,5V (върху светодиода на оптрона) - 0,2V (върху отпушения краен транистор на инвертора "A") = 3,3V. Разделяйки този пад на сумарното съпротивление на трите резистора (3 X 220 = 660 ома), получаваме 3300 mV / 660 = 5 mA. Тази малка стойност на тока е избрана отново за икономия на енергия.

Основен момент в схемата е липсата на връзка между краче 2 на вход IN и маса. Тъй като оплетката на кабела е замасена и в двата му края (вж. забележка 5 по-горе), това й позволява да играе роля на т.нар. "Фарадеев кафез" и да отведе всички индуцирани от полето в проводниците токове на маса. По този начин кабелът не внася смущения в чувствителните звукови входове на апаратурата. Това всъщност е и основната причина за MIDI да бъде избран токов кръг. За да се осигури галванична изолация обаче е необходим оптрон. Той е и най-важният елемент от схемата. Критериите за неговия избор ще бъдат изяснени в т. 1.3 по-долу.

1.2.2. MIDI-адаптери, "кабели" и обратна връзка по маса

Тъй като много персонални компютри нямат място за DIN-съединител с 5 крачета, много производители са решили да използват за свързване на MIDI-инструменти или сериен порт, или порт за лостов манипулатор ("джойстик"). Отделни MIDI-инструменти са оборудвани със сериен порт тип "мини-DIN" с 8 крачета, който позволява свързване директно към някои компютри (Макинтош - чрез порт тип RS-422, или PC - чрез порт RS-232). Но единственият начин да се свърже MIDI-устройство, оборудвано с DIN-съединител с 5 крачета, към порта за "джойстик" на компютъра, е чрез специален адаптер ("кабел"), който трябва да бъде поръчан отделно. Има много такива "MIDI-адаптери за звукови платки", но не всички са проектирани според електрическите стандарти, определени от MMA. По-долу е показана принципната схема на правилно проектиран адаптер "джойстик-MIDI" (фиг. 2).

Забележки:

1. За оптрона, инверторите и резисторите важат забележките към фиг. 1

2. Извънредно важно е да не се замасява краче 2 на входния съединител MIDI IN. Това би довело до обратна връзка по маса, която причинява шумове. Краче 2 на изходния съединител MIDI OUT трябва да е замасено. По този начин екранът на MIDI-кабела ще бъде замасен, което е и целта на задачата!

Обратната връзка по маса причинява ужасен брум, жужене и други шумове, особено когато се свързва с компютризирано оборудване или системи за светлинни ефекти. Шумовете се причиняват от потенциалните разлики между двата края на кабела. Това, разбира се, може да се избегне, като се прокарат симетрични звукови кабели и никога да не се свързват физически шаситата на различни устройства. Конструкторите на MIDI-инструменти разбират от обратни връзки по маса. Всъщност, основна цел на стандарта, като се вижда от електрическата спецификация, е да се предотврати всяка обратна връзка по маса по MIDI-кабелите. Това се прави с използване на симетричен токов кръг чрез оптрон и замасяване само на MIDI-изходите. Входният съединител MIDI IN не е свързан към шасито на приемното устройство. Когато това се направи правилно, няма обратни връзки по маса и няма брум или други шумове, причинени от MIDI.

Конструкторите на персонални компютри обикновено не са звукови инженери и очевидно не са чували за обратни връзки по маса. Всъщност, имайки предвид шумните вентилатори и дискови устройства в персоналния компютър, интересно е дали те изобщо чуват нещо? (Всички тези шумове карат някои звукови професионалисти да съхраняват компютъра в тоалетната или някоя друга стая.) Но основният източник на проблеми с обратните връзки в звуковата част на персоналните компютри е MIDI-интерфейсът на звуковата платка.

Звуковата платка изнася серийния MIDI-сигнал от своя UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter = универсален асинхронен приемопредавател) на две крачета на порта за "джойстик" или игри. Кабелът, който може да струва до 100 лева (!), го преобразува към утвърдения MIDI-съединител, и той трябва да включва необходимия оптрон за преобразуване към изисквания симетричен токов кръг. Входният съединител MIDI IN също трябва да има оптрон и да няма връзка към краче 2 или или към оплетката, с изричната цел да се избегне обратната връзка по маса.

От MMA са открили шест различни вида такива "кабели", и всичките те нарушават апаратната MIDI-спецификация чрез заземяване на двата MIDI-съединителя (MIDI IN и MIDI OUT). Много от производителите си "спестяват" сравнително скъпия оптрон. Всички тези кабели ще причинят обратни връзки по маса и ще генерират брум и друг излишен шум!

1.2.3. MIDI-вход IN и изходи THRU и OUT

Както се вижда от фиг. 1, MIDI-връзката е еднопосочна. Токовият кръг изисква свързване на всеки изход към не повече от един вход. Тогава как можем да подадем сигнала от даден изход към повече входове? За целта съществува специален тип MIDI-изход, наречен MIDI THRU. Това е просто повторител на сигнала от входа MIDI IN. Ако искаме да подадем този сигнал и на други устройства, трябва да включим изхода THRU на първото устройство към входа IN на второто. Неговият изход THRU може също да се свърже към трето устройство. По този верижен начин могат да се свързват не повече от 3 устройства, защото формата на сигнала се изкривява от всеки последователен оптрон и накрая могат да възникнат грешки в предаването на данните, което е катастрофално поради пълната липса на средства за контрол на предаваната информация в MIDI!

На фиг. 3 е показана примерна конфигурация на една типична MIDI-система. Разбира се, ролята на секуенсера може да играе компютър!

Фиг. 2: Типична конфигурация на MIDI-система

1.3. Комуникационни параметри и избор на оптрон

Нека да разгледаме времево-честотните параметри на MIDI-канала. Това е асинхронна серийна връзка, подобна на RS-232 и RS-422, използвани в персоналните компютри. Използват се 8 даннови бита, които се предават с най-младшия бит напред, 1 стартов и 1 стопов бит. Контрол по четност не се прилага. Голямата и единствена разлика в сравнение с гореспоменатите стандарти е несъответствието на скоростта на предаване с нито един от тях!

Скоростта на предаване при MIDI е 31250 бита в секунда. Тази скорост е избрана по много проста причина. През 1983 г. по-голямата част от микропроцесорите имаха стандартна тактова честота 1 MHz. Разделено на 2, това прави 500 kHz. Ако подадем тази честота на входа на UART, той ще може да работи със скорост на данните 500000 / 16 = точно 31250 бита в секунда! Като се има предвид, че се предават 1 стартов бит (лог. 0), 8 даннови и 1 стопов бит (лог. 1), или общо 10 бита, се получава, че един байт се предава за 10 X 1000000 / 31250 = 320 микросекунди.

При тактова честота на UART от 500 kHz, най-малкият интервал на дискретизация в UART е 2 микросекунди (1000000 / 50000 = 2). Следователно най-бавното устройство в схемата, което в най-голяма степен може да изкриви сигнала (а това е именно оптронът!), трябва да бъде с време на нарастване и спадане на фронтовете под 2 микросекунди. При съвременното развитие на елементната база е желателно да се използва оптрон, специално пригоден за предаване на цифрови данни. Скоростта му трябва да е минимум 1 Mb/s, но се препоръчва тя да е 10 Mb/s. На това изискване отговарят следните съвременни оптрони с миниатюрен корпус за повърхностен монтаж с 5 крачета (по каталожни данни от 2000 г.):

С това първата лекция от цикъла за MIDI завършва. В следващата лекция ще разгледаме MIDI-протокола, и по-конкретно каналните MIDI-съобщения. Благодаря за вниманието.

Лекция 1 - Въведение. Апаратна част

Лекция 2 - Протокол. Канални съобщения

Лекция 3 - Системни съобщения

Лекция 4 - Стандарти GM / GS / XG / GM2

Лекция 5 - MIDI - преговор и Стандартни MIDI-файлове

Назад