申　晗　耿　浩　黃　平（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧　沈陽(yáng)　110870）

基于ZigBee的無(wú)線MIDI雙向接口設(shè)計(jì)

申晗耿浩黃平
（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110870）

針對(duì)在音樂(lè)表演現(xiàn)場(chǎng)常用的傳統(tǒng)MIDI音樂(lè)系統(tǒng)接口僅支持單線單向傳輸?shù)膯?wèn)題，本文研究了MIDI音樂(lè)傳輸原理及幾種主流無(wú)線傳輸方式，提出了一種MIDI傳輸速率與標(biāo)準(zhǔn)串口傳輸速率的匹配方法，設(shè)計(jì)了基于ZigBee傳輸協(xié)議的低功耗、短距離、高可靠性的無(wú)線MIDI傳輸接口。測(cè)試表明，該設(shè)計(jì)方法可以將傳統(tǒng)MIDI接口單線單向的傳輸方式轉(zhuǎn)換為無(wú)線雙向傳輸方式，連接、移動(dòng)方便，傳輸距離遠(yuǎn)。

MIDI；有線單向；ZigBee；無(wú)線雙向

MIDI（MusicalInstrumentDigital Interface）即樂(lè)器數(shù)字接口，是電子樂(lè)器間硬件接口標(biāo)準(zhǔn)和音樂(lè)網(wǎng)絡(luò)中各設(shè)備間的通信協(xié)議。它用音符數(shù)字控制信號(hào)、記錄音樂(lè)，一首完整的MIDI音樂(lè)只有幾十KB，節(jié)省了存儲(chǔ)空間，并且包含數(shù)十條音樂(lè)軌道。目前幾近所有的現(xiàn)代音樂(lè)都是基于MIDI并結(jié)合音色庫(kù)制作合成。

從當(dāng)前應(yīng)用市場(chǎng)來(lái)看，MIDI音樂(lè)系統(tǒng)使用普遍，但音樂(lè)現(xiàn)場(chǎng)常用的MIDI音樂(lè)系統(tǒng)接口僅支持有線單向傳輸，不僅連接、移動(dòng)不方便，而且傳輸距離受限。本文主要提出了一種MIDI傳輸速率與標(biāo)準(zhǔn)串口傳輸速率的匹配方法，設(shè)計(jì)了基于ZigBee傳輸協(xié)議的低功耗、短距離、高可靠性的無(wú)線MIDI雙向傳輸接口，完美地解決了傳統(tǒng)有線單向傳輸帶來(lái)的弊端。

1　ZigBee無(wú)線通信技術(shù)

ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個(gè)人局域網(wǎng)協(xié)議，并且是基于該協(xié)議規(guī)定的一種短距離、低功耗的全新無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。它主要應(yīng)用于遠(yuǎn)程控制、自動(dòng)控制和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)等相關(guān)領(lǐng)域，可嵌入各種設(shè)備，同時(shí)支持地理定位功能。

ZigBee具有低功耗、低成本、可靠性高、網(wǎng)絡(luò)容量大等特點(diǎn)，并且支持?jǐn)?shù)據(jù)透明傳輸、一對(duì)一傳輸、多對(duì)一傳輸和一對(duì)多傳輸，適用于分布有大量終端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)。其工作方式是：在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間以接力的方式通過(guò)無(wú)線電波，將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器，并進(jìn)入計(jì)算機(jī)分析或者被另一終端收集，使得MIDI音樂(lè)數(shù)據(jù)流可以在大量不同設(shè)備終端間傳輸。ZigBee所具有的空閑信道評(píng)估（CCA）、動(dòng)態(tài)信道選擇、信道算法、頻率快變FA及直序擴(kuò)頻技術(shù)（DSSS）等功能使其在2.4GHz ISM頻段表現(xiàn)出很好的抗干擾性能，特別適用于低功耗、高可靠性數(shù)據(jù)傳輸場(chǎng)合。

現(xiàn)有的應(yīng)用比較廣泛的無(wú)線通信技術(shù)主要有WiFi、藍(lán)牙技術(shù)等，Zigbee技術(shù)與其相比具有較大優(yōu)勢(shì)，見(jiàn)表1。

2　MIDI樂(lè)器數(shù)字接口

MIDI是一種用來(lái)保障音樂(lè)網(wǎng)絡(luò)中各設(shè)備終端間數(shù)據(jù)傳送的協(xié)議。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)MIDI協(xié)議的要求，MIDI數(shù)據(jù)流包括狀態(tài)和數(shù)據(jù)兩類(lèi)字節(jié)，其基本命令格式主要由指令字節(jié)、音符字節(jié)及力度字節(jié)等組成。指令字節(jié)主要包括8mH關(guān)斷指令和9mH開(kāi)啟指令（m為通道號(hào)）兩種，音符字節(jié)是范圍為0～7FH的音符數(shù)據(jù)，即演奏音符，力度字節(jié)也稱(chēng)為速度數(shù)據(jù)，其范圍也是0～7FH，表示擊鍵的力度。

表1　Zigbee、WiFi和藍(lán)牙比較

3　硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

硬件部分由MIDI接口電路、匹配電路和ZigBee無(wú)線傳輸電路組成。由于MIDI傳輸速率不是標(biāo)準(zhǔn)波特率，因此需要基于匹配電路以實(shí)現(xiàn)與傳輸速率為115.2Kbps的KLZB214A串口轉(zhuǎn)ZigBee模塊匹配。匹配電路主要由光電耦合電路及波特率轉(zhuǎn)換電路組成，以達(dá)到隔離及電平轉(zhuǎn)換的目的，所選用光電隔離器件型號(hào)為6N137，最大可支持1MHz。

MIDI為數(shù)據(jù)傳送速率為31.25Kbps的異步串行接口，數(shù)據(jù)格式由為1個(gè)起始位、1個(gè)停止位和8個(gè)數(shù)據(jù)位組成。系統(tǒng)采用STM32微處理器硬件USART串口完成MIDI信號(hào)的接收和發(fā)送，波特率匹配電路選用意法半導(dǎo)體公司的高性能主控芯片STM32F103U8T6。

無(wú)線傳輸電路基于可藍(lán)電子公司ZigBee轉(zhuǎn)串口通信模塊KLZB214A，該模塊內(nèi)嵌符合標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee2007協(xié)議棧，采用AES128加密。整機(jī)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

數(shù)據(jù)流由MIDIIN_A進(jìn)入，經(jīng)過(guò)光電耦合電路、波特率匹配電路，將MIDI標(biāo)準(zhǔn)的31.25Kbps的波特率轉(zhuǎn)化為115.2Kbps的高速波特率。緊接著ZigBee模塊A將數(shù)據(jù)傳出，ZigBee模塊B將數(shù)據(jù)接收，將接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)波特率匹配電路使其115.2Kbps的高速波特率轉(zhuǎn)化為MIDI標(biāo)準(zhǔn)的31.25Kbps波特率，最后通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路將數(shù)據(jù)傳送到MIDIOUT_B端口輸出，如此往復(fù)。

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，對(duì)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)備安裝ZigBee模塊，通過(guò)軟件設(shè)置，實(shí)現(xiàn)在任意兩個(gè)設(shè)備終端間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，以達(dá)到MIDI數(shù)據(jù)流傳輸?shù)哪康?。系統(tǒng)具體接口連接電路如圖2所示。

MIDI接口采用標(biāo)準(zhǔn)的5芯DIN連接器。MIDI信號(hào)流為電流信號(hào)而非電壓信號(hào)，因此傳送線使用帶有屏蔽層的雙絞線電纜，以增強(qiáng)其抗干擾能力。不僅其傳輸速率高達(dá)31.5Kbps，而且可達(dá)到15m傳輸距離，高于RS-232接口傳輸距離。

4　軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括STM32F103U8T6微處理器與MIDI接口及ZigBee之間通信以實(shí)現(xiàn)波特率的轉(zhuǎn)換。STM32F103U8T6微處理器內(nèi)部帶有兩個(gè)可編程USART串口，通過(guò)對(duì)相關(guān)寄存器進(jìn)行設(shè)置，可以將MIDI接口的低波特率轉(zhuǎn)換成與ZigBee相匹配的高波特率，反之，可使得ZigBee傳輸?shù)母咚俨ㄌ芈兽D(zhuǎn)化為MIDI設(shè)備可識(shí)別的標(biāo)準(zhǔn)MIDI數(shù)據(jù)流。主程序流程圖如圖3所示。

系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)需要對(duì)USART1、USART2、系統(tǒng)時(shí)鐘等模塊進(jìn)行初始化設(shè)置，標(biāo)志位FLAG在無(wú)MIDI數(shù)據(jù)流時(shí)清零，當(dāng)存在MIDI數(shù)據(jù)流時(shí)，即表明需要傳輸數(shù)據(jù)，標(biāo)志位FLAG置1。

目前許多MIDI音樂(lè)設(shè)備會(huì)在MIDI數(shù)據(jù)流中加入FE、F8等數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)符以提高硬件連接的活躍性，并且在傳輸連續(xù)多個(gè)指令字節(jié)、音符字節(jié)以及力度字節(jié)的情況下，許多MIDI設(shè)備會(huì)省略指令字節(jié)8mH或9mH。為了保證MIDI數(shù)據(jù)流傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)性、準(zhǔn)確性和高效性，需要對(duì)MIDI數(shù)據(jù)流進(jìn)行軟件濾波，濾除無(wú)用信息并調(diào)整數(shù)據(jù)格式。

速率匹配算法包括低速轉(zhuǎn)高速及高速轉(zhuǎn)低速兩部分。低速轉(zhuǎn)高速只需在軟件上將收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)軟件濾波后，立即轉(zhuǎn)發(fā)到下一接口。高速轉(zhuǎn)低速部分，由于輸入是高速且輸出為低速，所以需將接收到的數(shù)據(jù)存入數(shù)組A中，并設(shè)定參數(shù)j記錄接收數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。由于高速數(shù)據(jù)的來(lái)源是低速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化而來(lái)，高速轉(zhuǎn)低速部分的輸入是間斷的高速數(shù)據(jù)流，而輸出則為慢速連續(xù)的數(shù)據(jù)流。因此，如圖4所示，當(dāng)i＜j時(shí)，即輸出數(shù)據(jù)量小于輸入數(shù)據(jù)量，輸出繼續(xù)“追趕”輸入。當(dāng)i=j時(shí)，即輸出數(shù)據(jù)量等于輸入數(shù)據(jù)量，令i=j=0，重新計(jì)數(shù)。根據(jù)上述“追趕”算法能夠保證在高速轉(zhuǎn)低速的過(guò)程中所傳輸數(shù)據(jù)的完整性。

5　系統(tǒng)傳輸距離測(cè)試

本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)是基于ZigBee實(shí)現(xiàn)MIDI接口的無(wú)線雙向接口設(shè)計(jì)，ZigBee無(wú)線傳輸距離是該技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。表2是分別在無(wú)障礙物的走廊和在走廊與教室間有障礙物的實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸距離的測(cè)試。

通過(guò)表2可知，在空曠的開(kāi)放空間條件下，ZigBee無(wú)線通信技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)的距離大約在50m，而在有障礙物條件下雖然數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x有近一半的衰減，但仍可達(dá)到25m左右。因此，基于ZigBee的無(wú)線雙向MIDI接口設(shè)計(jì)方法適用于大型音樂(lè)現(xiàn)場(chǎng)和家庭使用。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)實(shí)際的環(huán)境條件，在不同地點(diǎn)放置主節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的音樂(lè)數(shù)據(jù)傳輸。

表2　不同實(shí)驗(yàn)環(huán)境下ZigBee　無(wú)線傳輸距離

結(jié)論

（1）本文提出了一種基于ZigBee技術(shù)的MIDI無(wú)線雙向接口設(shè)計(jì)方案，利用KLZB214A無(wú)線通信模塊，將傳統(tǒng)MIDI的有線單向傳輸方式轉(zhuǎn)換為無(wú)線雙向傳輸方式，實(shí)現(xiàn)了MIDI接口之間的無(wú)線數(shù)據(jù)通信。

（2）在無(wú)障礙物和有障礙物條件下傳輸距離分別達(dá)到50m及25m左右，表明基于ZigBee的雙向無(wú)線MIDI接口設(shè)計(jì)方案可滿(mǎn)足大多數(shù)音樂(lè)現(xiàn)場(chǎng)和家庭使用。

（3）完美解決了傳統(tǒng)MIDI接口僅支持有線單向傳輸?shù)膯?wèn)題，而且連接、移動(dòng)方便，傳輸距離遠(yuǎn)，可以實(shí)現(xiàn)任意設(shè)備之間的相互數(shù)據(jù)流傳輸。

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