原標題：基于樹莓派的自制MIDI鍵盤（教程）

基于樹莓派的自制 MIDI 鍵盤教程：從零開始搭建你的音樂控制器

音樂創作與表演在現代科技的加持下變得前所未有的自由與便捷。MIDI（Musical Instrument Digital Interface，樂器數字接口）技術作為連接數字樂器與電腦的橋梁，在其中扮演著舉足輕重的角色。擁有一款稱手的 MIDI 鍵盤，是許多音樂愛好者和制作人的夢想。市面上雖然不乏各種商業化的 MIDI 鍵盤，但通過自制的方式，你不僅能深入理解其工作原理，更能根據個人需求進行高度定制，打造獨一無二的音樂工具。本教程將引導你使用功能強大的樹莓派作為核心，一步步構建屬于你自己的 MIDI 鍵盤。

一、 項目概述與基本原理

自制 MIDI 鍵盤的核心思想是將物理按鍵的觸發信號，通過微控制器（如樹莓派）處理，轉換成符合 MIDI 協議的數字信號，并通過 USB 或其他接口發送給計算機或MIDI設備。這個過程主要涉及以下幾個關鍵環節：

1. 輸入端： 鍵盤按鍵（可以是物理琴鍵、觸點開關等）捕捉用戶的演奏動作。

2. 信號采集與處理： 樹莓派讀取按鍵狀態，并根據按鍵的按下、釋放等事件，生成相應的 MIDI 消息。

3. MIDI 消息生成： 根據 MIDI 協議，將按鍵事件映射為音符開/關（Note On/Off）、力度（Velocity）等 MIDI 信息。

4. 輸出端： 通過 USB 接口，樹莓派模擬成一個標準的 USB MIDI 設備，將 MIDI 消息發送給電腦上的 DAW（數字音頻工作站）軟件或其他支持 MIDI 的應用程序。

選擇樹莓派作為核心控制器，是因為其強大的處理能力、豐富的 GPIO 接口、成熟的 Linux 生態系統以及廣泛的社區支持，使得實現復雜的 MIDI 功能和便捷的編程變得輕而易舉。

二、 核心元器件選擇與功能解析

搭建一個功能完善的 MIDI 鍵盤，需要精心地挑選各種元器件。以下是本項目中推薦的核心元器件及其詳細功能、選擇理由：

2.1 核心控制器：樹莓派 (Raspberry Pi)

• 推薦型號： 樹莓派 4B (Raspberry Pi 4 Model B) 或 樹莓派 5 (Raspberry Pi 5)。

• 功能： 作為整個 MIDI 鍵盤的“大腦”，負責讀取按鍵輸入、處理數據、生成 MIDI 消息并通過 USB 接口發送出去。它運行 Linux 操作系統，可以方便地安裝各種開發庫和工具。

• 選擇理由：

• 強大的處理能力： 樹莓派 4B/5 擁有多核處理器和大內存，足以應對實時 MIDI 消息的處理和生成，保證低延遲。

• 豐富的 GPIO 接口： 提供大量的通用輸入/輸出引腳，用于連接鍵盤矩陣、LED 指示燈、旋鈕、滑塊等。

• USB 接口： 內置多個 USB 接口，其中一個可以直接作為 USB MIDI 設備連接到電腦，無需額外的轉換器。

• 成熟的生態系統： 擁有龐大的開發者社區，豐富的軟件庫（如 python-rtmidi 或 alsa-midi 相關庫）和詳細的文檔，大大降低開發難度。

• 低功耗與體積小巧： 適合嵌入到鍵盤外殼中，實現便攜性。

• 元器件功能： 樹莓派集成了 CPU、GPU、RAM、網絡接口（Wi-Fi 和藍牙）、USB 控制器以及大量的 GPIO 引腳。對于本項目，我們將主要利用其 GPIO 引腳進行輸入掃描，并利用其 USB 控制器模擬 MIDI 設備。

2.2 鍵盤輸入矩陣：按鍵開關與二極管

• 推薦型號：

• 按鍵開關： 方形輕觸開關 (Tactile Push Button Switches)、薄膜鍵盤導電膠觸點（如果是拆解廢棄電子琴）或 定制的機械琴鍵結構（如果是高端自制）。根據鍵程和手感需求選擇。

• 二極管： 1N4148 小信號開關二極管。

• 功能：

• 按鍵開關： 檢測用戶按下琴鍵的動作。

• 二極管： 在鍵盤矩陣中，每個按鍵都需要串聯一個二極管，用于防止“鬼影”和“遮蔽”效應，確保每個按鍵的獨立識別。當多個按鍵同時按下時，如果沒有二極管，電流可能會通過未按下的按鍵反向流回，導致誤判（鬼影），或者阻止某些按鍵的信號被正確讀取（遮蔽）。

• 選擇理由：

• 按鍵開關： 根據成本、手感、壽命和易用性選擇。輕觸開關成本低廉，易于焊接，適合初期原型開發。如果追求專業手感，可以考慮定制機械鍵軸。

• 二極管： 1N4148 是非常常見的通用小信號開關二極管，成本低廉，易于獲取，并且其反向恢復時間短，適用于高速信號切換，完美滿足鍵盤矩陣掃描的需求。

• 元器件功能： 按鍵開關在按下時閉合電路，提供一個電信號。二極管利用其單向導電性，確保電流只沿一個方向流動，從而在復雜的鍵盤矩陣中隔離每個按鍵的信號。

2.3 信號擴展與復用：MCP23017 I2C GPIO 擴展器（可選，用于大型鍵盤）

• 推薦型號： Microchip MCP23017。

• 功能： 如果你的 MIDI 鍵盤有大量的按鍵（例如超過 20-30 個），樹莓派的 GPIO 引腳可能不夠用。MCP23017 是一款 16 通道 I/O 擴展器，可以通過 I2C 總線與樹莓派通信，從而擴展更多的 GPIO 引腳，用于連接更多的按鍵、旋鈕等。

• 選擇理由：

• 節省 GPIO 引腳： 只需使用樹莓派的兩個 I2C 引腳（SDA 和 SCL）即可控制 16 個額外的 GPIO。一個樹莓派可以連接多個 MCP23017 芯片，進一步擴展。

• 簡化布線： 減少了從樹莓派直接引出的線纜數量，使得電路布局更整潔。

• 易于編程： 有成熟的 Python 庫（如 smbus2 和特定的 MCP23017 庫）支持，方便讀取和控制。

• 元器件功能： MCP23017 內部包含兩個 8 位 I/O 端口（PortA 和 PortB），每個端口的引腳都可以獨立配置為輸入或輸出。它通過 I2C 協議接收來自樹莓派的命令，以讀取按鍵狀態或控制輸出。

2.4 模擬輸入：ADC 模數轉換器 (如 MCP3008)（用于力度感應、旋鈕、滑塊）

• 推薦型號： Microchip MCP3008 (8 通道 10 位 SPI 接口 ADC)。

• 功能： 樹莓派的 GPIO 引腳只能讀取數字信號（高電平/低電平），無法直接讀取模擬信號（如電位器產生的連續電壓變化）。ADC 的作用是將模擬電壓信號轉換為數字信號，供樹莓派讀取。這對于實現按鍵力度感應（通過壓敏電阻或光電傳感器）、音高彎音輪、調制輪以及各種參數旋鈕和滑塊至關重要。

• 選擇理由：

• SPI 接口： MCP3008 使用 SPI（串行外設接口）與樹莓派通信，速度快且穩定。

• 多通道： 8 個模擬輸入通道，足以滿足大部分 MIDI 鍵盤的擴展需求（如力度、彎音、調制、音量等）。

• 10 位精度： 提供 1024 個離散值，對于 MIDI 127 級的力度和控制器值來說，精度綽綽有余。

• 成本效益： 價格合理，性能穩定。

• 元器件功能： MCP3008 接收一個模擬電壓輸入，然后通過內部的采樣保持電路和模數轉換器將其轉換為一個數字值，并通過 SPI 總線以串行數據的形式發送給樹莓派。

2.5 MIDI 輸出指示：LED 指示燈與限流電阻

• 推薦型號：

• LED： 任意顏色 3mm 或 5mm 發光二極管。

• 限流電阻： 根據 LED 的正向電壓和所需亮度選擇，通常為 220 歐姆到 1k 歐姆 之間。

• 功能：

• LED： 提供視覺反饋，例如指示 MIDI 信號傳輸狀態、電源狀態、模式切換等。

• 限流電阻： 串聯在 LED 和電源之間，限制通過 LED 的電流，防止 LED 因電流過大而燒毀。

• 選擇理由： LED 成本低廉，易于集成，能夠直觀地顯示設備狀態。限流電阻是任何 LED 電路中必不可少的保護元件。

• 元器件功能： LED 在有足夠電流通過時發光。電阻通過歐姆定律 (V=IR) 限制電路中的電流。

2.6 連接與供電：面包板/PCB、杜邦線、USB 數據線、電源適配器

• 推薦型號：

• 面包板： 標準無焊面包板（用于原型開發）。

• PCB： 定制 PCB 板（用于最終產品）。

• 杜邦線： 公對公、公對母、母對母杜邦線。

• USB 數據線： USB A 轉 USB C/Micro B 數據線（根據樹莓派型號選擇）。

• 電源適配器： 5V 3A (樹莓派 4B/5) 或 5V 2.5A (樹莓派 3B+) USB 電源適配器。

• 功能：

• 面包板/PCB： 用于搭建和固定電路。面包板適合初期快速原型驗證，PCB 適合最終產品的穩定性和美觀度。

• 杜邦線： 連接各個元器件。

• USB 數據線： 連接樹莓派和電腦，傳輸 MIDI 信號和供電。

• 電源適配器： 為樹莓派提供穩定的電力。

• 選擇理由：

• 面包板： 無需焊接，方便調整電路布局和測試。

• PCB： 一旦設計定型，定制 PCB 可以使電路更緊湊、穩定、可靠，并具有專業外觀。

• 杜邦線： 方便連接和調試。

• USB 數據線： 樹莓派的供電和 MIDI 通信都通過 USB 進行。

• 電源適配器： 樹莓派對電源質量有較高要求，選擇足夠電流的適配器是保證穩定運行的關鍵。劣質電源可能導致樹莓派重啟或運行不穩定。

• 元器件功能： 面包板和 PCB 提供一個物理平臺，用于元器件的電氣連接。杜邦線是導線，用于連接不同元器件的引腳。USB 數據線同時傳輸電力和數據。電源適配器將交流電轉換為樹莓派所需的直流電。

2.7 外殼：木材、亞克力、3D 打印材料等

• 功能： 保護內部電路，提供穩固的鍵盤結構，提升美觀度和用戶體驗。

• 選擇理由： 根據預算、美學偏好和加工難度選擇。

• 木材： 質感好，易于加工，適合手工愛好者。

• 亞克力： 現代感強，可以激光切割，精度高。

• 3D 打印： 最具定制性，可以設計出復雜的結構和造型。

• 元器件功能： 提供機械支撐和保護。

三、 電路設計與連接

電路設計是自制 MIDI 鍵盤的核心環節，它決定了按鍵信號如何被樹莓派正確讀取。

3.1 鍵盤矩陣連接

這是最關鍵的部分。為了節省樹莓派的 GPIO 引腳，我們通常采用矩陣掃描的方式來連接按鍵。

• 原理： 鍵盤矩陣將按鍵排列成行（Row）和列（Column）的形式。樹莓派通過輪流向某一行發送高電平信號，然后讀取所有列的電平狀態。如果某列檢測到高電平，則表示該行與該列交叉處的按鍵被按下。

• 二極管的重要性： 如前所述，每個按鍵都需要串聯一個二極管。二極管的帶條紋的一端（陰極）應連接到行線，另一端（陽極）連接到按鍵。當按鍵按下時，電流只能從行線經過二極管流向列線，反之則不能。這確保了在同時按下多個鍵時，不會出現電流回流導致誤判。

• 連接示例（以 4x4 矩陣為例，擴展到更多鍵位同理）：

• 選擇樹莓派的 GPIO 引腳作為行線和列線。

• 例如，使用 GPIO 17, 27, 22, 23 作為行輸出 (Rows Output)，使用 GPIO 24, 25, 5, 6 作為列輸入 (Columns Input)。

• 每個按鍵的一端連接到對應的行線，另一端串聯一個 1N4148 二極管，二極管的另一端連接到對應的列線。

• 列線通常需要連接到樹莓派的內部上拉電阻，或者外部連接一個下拉電阻，以確保在按鍵未按下時，引腳狀態為低電平。樹莓派的 GPIO 可以通過軟件配置內部上拉/下拉電阻。

3.2 ADC 連接（用于模擬輸入）

如果你需要力度感應、彎音輪或調制輪，就需要連接 ADC。

• MCP3008 與樹莓派的 SPI 連接：

• VCC (MCP3008) -> 3.3V (樹莓派)

• GND (MCP3008) -> GND (樹莓派)

• CLK (MCP3008) -> SCLK (GPIO 11) (樹莓派)

• DOUT (MCP3008) -> MISO (GPIO 9) (樹莓派)

• DIN (MCP3008) -> MOSI (GPIO 10) (樹莓派)

• CS (MCP3008) -> CE0 (GPIO 8) 或 CE1 (GPIO 7) (樹莓派) (片選引腳，用于選擇特定的 SPI 設備)

• 模擬傳感器連接：

• 壓敏電阻 (FSR)： 用于力度感應。一個 FSR 串聯一個固定電阻（形成分壓器），然后連接到 MCP3008 的一個模擬輸入通道。FSR 的電阻值隨壓力變化而變化，從而改變分壓點的電壓。

• 電位器： 用于彎音輪、調制輪、音量旋鈕等。電位器的兩端分別連接 3.3V 和 GND，中間的滑動端連接到 MCP3008 的一個模擬輸入通道。滑動電位器時，滑動端的電壓會線性變化。

3.3 LED 指示燈連接

• LED 的長引腳（陽極）連接到限流電阻，限流電阻的另一端連接到樹莓派的一個 GPIO 輸出引腳。

• LED 的短引腳（陰極）連接到 GND。

• 通過控制 GPIO 引腳的高低電平，可以點亮或熄滅 LED。

3.4 電源連接

• 樹莓派通過其 USB Type-C (樹莓派 4B/5) 或 Micro USB (樹莓派 3B+) 接口供電。

• 確保使用足電流的電源適配器，例如樹莓派 4B 建議使用 5V 3A 的適配器。

四、 軟件開發：樹莓派上的 MIDI 編程

軟件是 MIDI 鍵盤的靈魂，它將硬件信號轉化為音樂語言。

4.1 樹莓派系統配置

1. 燒錄操作系統： 使用 Raspberry Pi Imager 工具將 Raspbian OS（現在更名為 Raspberry Pi OS）燒錄到 MicroSD 卡。

2. 啟用 SPI 和 I2C： 在樹莓派系統啟動后，通過 sudo raspi-config 命令，在 "Interface Options" 中啟用 SPI 和 I2C 接口，這是與 ADC 和 MCP23017 通信所必需的。

3. 更新系統： sudo apt update && sudo apt upgrade 確保系統和軟件包都是最新版本。

4. 安裝 Python 和相關庫： 樹莓派通常預裝 Python。你需要安裝用于 MIDI 通信和 GPIO 控制的 Python 庫。

• GPIO 控制： pip install RPi.GPIO 或 pip install lgpio (對于新的樹莓派版本)。

• SPI 通信 (MCP3008)： pip install spidev。

• I2C 通信 (MCP23017)： pip install smbus2 和 pip install adafruit-circuitpython-mcp230xx (Adafruit 庫封裝了 MCP23017 的復雜操作)。

• MIDI 通信： pip install python-rtmidi 是一個流行的 Python MIDI 庫，支持跨平臺。它能讓樹莓派作為 USB MIDI 設備出現。

4.2 軟件邏輯概述

核心的軟件邏輯將包括以下幾個部分：

1. GPIO 初始化： 配置所有用于鍵盤矩陣掃描的 GPIO 引腳為輸入或輸出模式，并設置內部上拉/下拉電阻。

2. MIDI 接口初始化： 使用 python-rtmidi 庫創建一個 MIDI 輸出端口，讓樹莓派能夠發送 MIDI 消息。

3. 鍵盤矩陣掃描循環：

• 在一個無限循環中，依次將每一行設置為高電平。

• 讀取所有列的電平狀態。

• 根據讀取到的狀態，判斷哪個按鍵被按下或釋放。

• 消抖 (Debouncing)： 按鍵按下或釋放時，由于機械觸點的物理特性，可能會產生短暫的抖動信號。必須通過軟件延時或狀態機算法進行消抖，以避免發送重復的 MIDI 消息。

• 記錄按鍵的當前狀態和上一次狀態，以便檢測按鍵的邊緣觸發（按下或釋放）。

4. 模擬信號讀取與映射 (如果包含 ADC)：

• 定期從 MCP3008 讀取模擬通道的數字值。

• 將這些值映射到 MIDI 協議的 0-127 范圍內。例如，力度感應會將 0-1023 的 ADC 值映射到 MIDI 0-127。

5. MIDI 消息生成與發送：

• Note On/Off 消息： 當檢測到按鍵按下時，發送一個 Note On 消息，包含音符編號（MIDI Note Number，例如 C4 是 60）和力度值。當按鍵釋放時，發送一個 Note Off 消息，包含音符編號和力度值（通常為 0）。

• Control Change (CC) 消息： 用于發送旋鈕、滑塊等控制器的值。包含控制器編號和控制器值。

• Pitch Bend (彎音) 消息： 用于彎音輪，值范圍更大 (0-16383)，中點為 8192。

• 使用 python-rtmidi 的 send_message() 函數發送這些 MIDI 字節數據。

6. LED 控制： 根據程序狀態或 MIDI 信號（如接收到 MIDI 時鐘信號或發送 MIDI 消息時），控制 GPIO 引腳高低電平以點亮或熄滅 LED。

4.3 關鍵 MIDI 消息格式

MIDI 消息由一系列字節組成，每個字節通常在 0-127 之間。

• Note On 消息： [0x9n, note_number, velocity]

• 0x9n: 狀態字節，其中 n 是 MIDI 通道號 (0-15)。

• note_number: 音符編號 (0-127)，例如 60 代表 C4。

• velocity: 力度值 (0-127)，0 代表 Note Off，大于 0 代表 Note On。

• Note Off 消息： [0x8n, note_number, velocity]

• 0x8n: 狀態字節，其中 n 是 MIDI 通道號 (0-15)。

• note_number: 音符編號 (0-127)。

• velocity: 通常為 0。

• Control Change 消息： [0xBn, controller_number, controller_value]

• 0xBn: 狀態字節，其中 n 是 MIDI 通道號 (0-15)。

• controller_number: 控制器編號 (0-127)，每個編號對應不同的功能，例如 7 是音量，10 是聲像。

• controller_value: 控制器值 (0-127)。

• Pitch Bend 消息： [0xE n, lsb, msb]

• 0xEn: 狀態字節，其中 n 是 MIDI 通道號 (0-15)。

• lsb: 最低有效字節。

• msb: 最高有效字節。

• Pitch Bend 值為 0-16383，通常由 lsb + (msb << 7) 組合而成。

五、 外殼制作與組裝

外殼是自制 MIDI 鍵盤的“門面”和保護。

5.1 設計考慮

• 尺寸與布局： 根據琴鍵數量、旋鈕、滑塊以及樹莓派和電路板的大小，合理規劃外殼的尺寸。

• 按鍵固定： 確保按鍵能夠牢固地安裝在外殼上，并且手感良好。

• 端口預留： 為樹莓派的 USB、電源、HDMI 等接口預留開孔。

• 散熱： 如果長時間使用，考慮為樹莓派預留散熱孔或安裝散熱片。

• 美觀性： 考慮整體外觀，可以進行噴漆、貼紙等裝飾。

5.2 制作方法

1. 圖紙設計： 使用 CAD 軟件（如 Fusion 360, SketchUp, Inkscape）繪制詳細的結構圖，包括孔位、尺寸等。

2. 材料切割與加工：

• 木材： 使用鋸、鉆、砂紙等工具進行切割、打磨和組裝。

• 亞克力： 送到專業的激光切割店進行切割，或者使用亞克力切割刀手工切割。

• 3D 打印： 使用 3D 打印機打印設計好的模型部件。

3. 元器件固定： 將焊接好的電路板、樹莓派等用螺絲或熱熔膠固定在外殼內部。

4. 按鍵安裝： 將琴鍵或開關固定在外殼面板上，確保按鍵下方的觸點能夠正確連接到鍵盤矩陣。

5. 最終組裝： 將所有部件組裝起來，確保線路連接牢固，外殼封閉良好。

六、 測試與調試

完成硬件組裝和軟件編程后，進行全面的測試和調試是必不可少的步驟。

6.1 硬件測試

1. 電源測試： 確保樹莓派能正常啟動，LED 指示燈正常工作。

2. GPIO 測試： 編寫簡單的 Python 腳本，測試每個 GPIO 引腳的輸入/輸出功能，確保能正確讀取按鍵狀態和控制 LED。

3. 鍵盤矩陣測試： 逐個按壓每個按鍵，使用調試輸出（例如 print() 語句）查看樹莓派是否能正確識別每個按鍵的按下和釋放。特別注意是否有“鬼影”或漏檢的現象，這通常與二極管的連接或消抖算法有關。

4. ADC 測試 (如果適用)： 旋轉旋鈕、滑動滑塊或按壓力度傳感器，觀察讀取到的 ADC 值是否在預期范圍內且變化平滑。

6.2 軟件調試

1. MIDI 端口識別： 將樹莓派連接到電腦，查看電腦的設備管理器（Windows）或 aplaymidi -l / aconnect -l (Linux) / Audio MIDI Setup (macOS) 是否能識別到樹莓派作為一個 USB MIDI 設備。

2. MIDI 消息測試：

• 使用 MIDI 監視器軟件： 在電腦上安裝 MIDI 監視器軟件（如 MIDI-OX (Windows), MIDI Monitor (macOS), qmidiroute (Linux)）。

• 打開監視器，按下自制 MIDI 鍵盤上的按鍵，觀察是否能接收到正確的 Note On/Off 消息，包括音符編號和力度值。

• 測試旋鈕、滑塊、彎音輪等，檢查是否能發送正確的 Control Change 或 Pitch Bend 消息。

3. 延遲測試： 觀察按鍵按下到聲音產生之間的延遲。過高的延遲可能意味著軟件處理效率低下或 USB 連接問題。

4. 穩定性測試： 長時間運行，看是否有崩潰、數據丟失或按鍵失效的情況。

七、 進一步擴展與高級功能

一旦你成功搭建了基本的 MIDI 鍵盤，你可以考慮添加更多高級功能，使其更具專業性：

• 多八度切換： 添加按鍵或開關，用于快速切換鍵盤的音高八度。

• 移調功能： 實現音高微調或半音移調。

• 多模式切換： 通過按鍵組合或旋鈕，切換鍵盤的不同工作模式（例如，演奏模式、控制器模式、編程模式）。

• OLED 顯示屏： 集成一塊小的 OLED 屏幕，用于顯示當前八度、模式、參數值等信息。

• MIDI Out 接口： 如果需要連接傳統的 MIDI 設備，可以增加一個 MIDI Out 接口（需要一個 MIDI DIN 5 針連接器和光耦隔離電路，如 6N137）。

• 復音觸后 (Polyphonic Aftertouch)： 這需要更復雜的按鍵傳感器和軟件算法，能夠感應每個單獨按鍵的壓力變化，并發送相應的 MIDI 消息。

• 琶音器/和弦模式： 在樹莓派上編寫算法，實現自動琶音或和弦演奏功能。

• 踏板輸入： 增加踏板接口，用于延音踏板或表情踏板。

• 電池供電： 如果希望便攜使用，可以考慮加入鋰電池和充電管理模塊。

八、 總結與展望

自制基于樹莓派的 MIDI 鍵盤是一個極具挑戰性但回報豐厚的項目。它不僅能讓你親手打造一款個性化的音樂工具，更能在過程中深入學習電子、編程和音樂 MIDI 協議的知識。從選擇合適的元器件，到精心設計電路，再到編寫高效的軟件代碼，每一步都需要你的耐心和創造力。

完成這個項目后，你將不僅僅擁有一個能發出聲音的鍵盤，更擁有了深入理解數字音樂世界的一把鑰匙。你可以根據自己的需求，不斷地迭代和優化你的設計，將其打造成一個功能更加強大、更加符合你個人演奏習慣的專業級音樂控制器。希望本教程能夠為你提供一個清晰的指引，助你開啟這段充滿樂趣的創客之旅！