基于樹莓派的自制MIDI鍵盤(教程)


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:
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。
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。
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。
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
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。
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。更新系統:
sudo apt update && sudo apt upgrade
確保系統和軟件包都是最新版本。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:
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。
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。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)。
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。
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。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
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。
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。
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。
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。
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
電源測試: 確保樹莓派能正常啟動,LED 指示燈正常工作。
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。
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。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
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。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。
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。
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!
責任編輯:David
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