MIDI - USB клавиатура на Arduino Nano

*(Текста будет много)
Жил-был старенький (но рабочий) детский синтезатор:


*(на фото он уже в разобранном состоянии)

И вот решил сделать бюджетную MIDI - клавиатуру из него!
Гуглил, я гуглил про это - много чего видел, всякого бреда, который никогда не заработает, и кучу всего бесполезного, типа "подключите каждую клавишу к Arduino Mega...." и т.п. Так что думаю, если кто-то захочет сделать нечто подобное - эта статейка поможет.
Вытащил из синтезатора клавиатуру (она у меня на 44 клавиши):



Схемы почти всех клавиатур от дешёвых синтезаторов имеют приблизительно одинаковый вид:

В качестве основы я выбрал Nano не только потому что она дешёвая, хотя это тоже положительный момент, просто в ней, в отличие от Uno и некоторых других, 8 аналоговых входов, которые, как известно, можно использовать и как цифровые.
В качестве считывателя значений клавиш - использовал известную библиотеку Keypad (её можно отрыть во всяких туториалах по подключению клавы 4x4).
Теперь, о подключении клавы к ардуино:

ВАЖНО: При подключении необходимо поставить подтягивающие резисторы по 10КОм между +5V ардуино и выводом от строк. (Резисторы подключаются не на землю, а на 5V - это важно!) Нарисовал в протеусе, для тех, кто в танке:



Выводы с анодов диодов (смотрите схему клавиатуры) будут колонками для библиотеки, а выводы с кнопок - строками.
Как-то так:

Код (C++):

#include <Keypad.h>
const byte ROWS = 8; // строки
const byte COLS = 6; // колонки
// А это имена для каждой кнопки (можно начинать, конечно с 1, но 48 - это нуль, а так удобнее)
char keys[ROWS][COLS] = {
  {48,56,64,72,80,88},
  {49,57,65,73,81,89},
  {50,58,66,74,82,90},
  {51,59,67,75,83,91},
  {52,60,68,76,84,92},
  {53,61,69,77,85,93},
  {54,62,70,78,86,94},
  {55,63,71,79,87,95},
};
byte rowPins[ROWS] = {2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9}; //Пины ардуино, на которые подключены выводы от кнопок
byte colPins[COLS] = {10, 11, A0, A1, A2, A3}; //Пины ардуино, на которые подключены выводы от анодов диодов

Keypad kpd = Keypad( makeKeymap(keys), rowPins, colPins, ROWS, COLS );

Можно сделать вывод в сериал порт для проверки правильности подключения. (код будет аналогичным подключению клавы 4x4)

Но ведь нам нужно не просто включить ноту и тут же её выключить, а пока клавиша зажата её играть, причём с возможностью одновременного нажатия нескольких клавиш (у меня это 6 клавиш) (именно для этого и нужны были резисторы).
И делается это так: (Код не мой, я его просто доработал)

Код (C++):

    if (kpd.getKeys())
    {
        for (int i=0; i<LIST_MAX; i++)
        {
            if ( kpd.key[i].stateChanged )
            {
                switch (kpd.key[i].kstate) {
                    case PRESSED:
                    //Клавишу kpd.key[i].kchar нажали
                break;
                    case HOLD:
                    //Клавишу kpd.key[i].kchar держат
                break;
                    case RELEASED:
                    //Клавишу kpd.key[i].kchar отпустили
                break;
                    case IDLE:
                break;
                }
            }
        }
    }

Теперь об отправки самих миди данных на порт USB:
Я использовал две программы:
1. loopMIDI (для скачивания загляните в гугл). Она создаёт виртуальный миди-порт.
2. Serial MIDI Converter - это и есть конвертер сигнала с ардуино в миди.
Для отправки ноты надо сделать так:

Код (C++):

void noteOn(int cmd, unsigned long pitch, int velocity) {
  Serial.write(cmd);
  Serial.write(pitch);
  Serial.write(velocity);
}

//далее сама команда отправки для включения клавиши
noteOn(0x90, номер клавиши или её код, 0x7F);
// и для выключения
noteOn(0x90, номер клавиши или её код, 0x00);

ВАЖНО: в программа типа фл-студио у каждой клавиши есть номер, именно его и надо прописывать в noteOn. В фл-студио клавиши от 1 (C0) до 131 (B10). Если вы хотите через HEX, то тогда в начало HEX-а надо добавить 0x и далее значение HEX , но этот вариант сложнее и бесполезее. Например, вот команда включения клавиши под номером 41 (F3):
noteOn(0x90, 41, 0x7F);
Таким образом код для запуска определённой клавиши будет выглядить как-то так:

Код (C++):

// это в лупе (смотрите код выше)
switch (kpd.key[i].kstate) {
                    case PRESSED:
                    kpress(kpd.key[i].kchar);
                break;
                    case HOLD:
                break;
                    case RELEASED:
                    kreleased(kpd.key[i].kchar);
                break;
                    case IDLE:
                 break;
                }

// А вот и сами обработчики:
void noteOn(int cmd, unsigned long pitch, int velocity) {
  Serial.write(cmd);
  Serial.write(pitch);
  Serial.write(velocity);
}

void kpress(char knum) {
    noteOn(0x90, (knum - 7), 0x7F); //Char кнопки в номер клавиши
}
void kreleased(char knum) {
    noteOn(0x90, (knum - 7), 0x00); //Char кнопки в номер клавиши
}

Ну, в принципе - это уже будет работать (только в сетап поставьте Serial.begin(115200);)
Теперь нам надо сделать переключение по октавам. В одной октаве всего 12 клавиш (белые + черные)
Для этого берём пару кнопочек и подключаем их на Analog4 и Analog5 по стандартной схеме с подтягивающим резистором на 10Ком на землю, а также для индикации берём один светодиодик и подключаем через резистор 200-400 Ом на 12 выход ардуино:

(важно, чтобы кнопки были не бомжовые, которые дребезжат, а нормальные, как мои)

(как подключить кнопки и светодиод к ардуино, думаю объяснять не надо...)

А вот и полный скетч:
(возможно есть что-то лишнее, т.к. я брал из кучи разных мест и дорабатывал)

Код (C++):

#include <Keypad.h>
uint32_t val = 0;
const byte ROWS = 8;
const byte COLS = 6;
char keys[ROWS][COLS] = {
  {48,56,64,72,80,88},
  {49,57,65,73,81,89},
  {50,58,66,74,82,90},
  {51,59,67,75,83,91},
  {52,60,68,76,84,92},
  {53,61,69,77,85,93},
  {54,62,70,78,86,94},
  {55,63,71,79,87,95},
};
byte rowPins[ROWS] = {2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9};
byte colPins[COLS] = {10, 11, A0, A1, A2, A3};
Keypad kpd = Keypad( makeKeymap(keys), rowPins, colPins, ROWS, COLS );

unsigned long loopCount;
unsigned long startTime;

int octave = 0;
int lstval = 0;
void setup() {
  pinMode(A5, INPUT);
  pinMode(A4, INPUT);
  pinMode(12, OUTPUT);
    Serial.begin(115200);
    loopCount = 0;
    startTime = millis();
    msg = "";
}


void loop() {
  if (digitalRead(A4) == HIGH)
  {
    delay(300);
    if (octave >= 36)
    {
      octave = 0;
    }
      else
      {
    octave = octave + 12;
      }
      alloff();
  }
  if (digitalRead(A5) == HIGH)
  {
    delay(300);
    if (octave <= -36)
    {
      octave = 0;
    }
      else
      {
    octave = octave - 12;
      }
      alloff();
  }
    if (kpd.getKeys())
    {
        for (int i=0; i<LIST_MAX; i++)
        {
            if ( kpd.key[i].stateChanged )
            {
                switch (kpd.key[i].kstate) {
                    case PRESSED:
                    kpress(kpd.key[i].kchar);
                break;
                    case HOLD:
                break;
                    case RELEASED:
                    kreleased(kpd.key[i].kchar);
                break;
                    case IDLE:
                    break;
                }
            }
        }
    }
}
void noteOn(int cmd, unsigned long pitch, int velocity) {
  Serial.write(cmd);
  Serial.write(pitch);
  Serial.write(velocity);
}

void kpress(char knum) {
  digitalWrite(12, HIGH);
    noteOn(0x90, ((knum - 7) + octave), 0x7F);
}
void kreleased(char knum) {
    noteOn(0x90, ((knum - 7) + octave), 0x00);
    digitalWrite(12, LOW);
}
void alloff() {
  digitalWrite(12, HIGH);
  for (int i=0; i <= 131; i++){
    noteOn(0x90, i, 0x00);
  }
  digitalWrite(12, LOW);
}

Программы:
Для работы всего этого, надо установить две программы (выше сказано).
После установки открываем loopMIDI и жмакаем на плюсик, чтобы у нас появилось loopMIDI Port 1. После чего loopMIDI можно закрыть (он будет висеть в трее , ну по крайней мере на WIN10 так.)
Затем подключаем ардуино и заливаем скетч. Открывает программу Serial MIDI Converter и с помощью букв на клаве выбираем наш порт (у меня под буквой A (просто жмём на клавишу A)), затем скорость передачи 115200 (у меня под F), потом B, а затем loopMidi port (у меня это D). Эту программу уже нельзя закрывать. Чтобы исправить скетч - закройте.
Ну вот и всё! открываем фл студио или ещё что-то, затем в настройках миди выбираем loopMIDI и проверяем! Если будут какие-то вопросы, пишите ниже (админы и модеры, не закрывайте тему). Если всё же тему закроют, мне на мэйл: irialmain@gmail.com

Вот парочка фоток готового устройства:
Ещё можно добавить всякие эффекты, кнопки, зная команды midi, дополнять можно очень долго.

 

Спасибо, что опубликовали работу. Знаю людей которые хоте ли бы такое, но не могут.

Напишу несколько пожеланий:
- В плату Arduino проводки лучше впаивать вместо пинов, но для этого нужно две платки иметь, одну для разработки одну для внедрения.
- Для процедуры

Код (C++):

void noteOn(int cmd, unsigned long pitch, int velocity)

Мне кажется важно вписать комментарий в код. Что означает каждый параметр?
- Если последний параметр <velocity> громкость, то возможно интересно было бы прикрутить регулятор громкости.
- Можно даже на ультразвуковом дальномере сделать диджейские эффекты когда звуковые затухания регулируются рукой над некой тарелкой, показывали мне такую штуку. Лично меня как-то не впечатлило, но народу вроде нужно.

- На счет подтягивающих резисторов. Они в контроллере есть. Их можно включить командой digitalWrite(pin, HIGH), для INPUT пинов будет подключен подтягивающий резистор. Это значительно упростит схему.

 

Большое спасибо! Да, идей можно очень много придумать. Можно загуглить MIDI - команды и там их будет просто огромнейшее количество, а с дальномером - тоже очень хорошо. Ещё думаю приделать унопки на базовые команды, типа "запись, стоп, старт, плей ну и т.д." Все их буду цеплять на один аналоговый пин ардуино через резисторы. Ещё сейчас в гугле нашёл более продвинутую программу hairless-midiserial . В ней, для заливки кода ничего не надо закрывать, а достаточно просто прервать соединение. Ещё можно приделать экранчик к этому всему, проблема только в количестве пинов...

 

Также пока планирую обрезать корпус до клавиш, а всю начинку со всеми кнопочками впихнуть в коробочку, и приделать её вплотную к клавишам, типа как у заводских. Хотя, если так думать, то по функционалу самодельная клавиатура может выйти даже лучше, ведь всё ограничивается только фантазией и количеством пинов на ардуино.

 

А с проводками - исправить можно, но лень выпаивать всё это! Хотя и помпа для отпаивания у меня есть... Вдруг ещё пригодятся ножки, ведь можно, чтобы было красиво купить проводочков мама-мама, их нарезать и использовать.

 

Подтягивающие резисторы встроены в ардуино и включаются с помощью pinMode(pin, INPUT_PULLUP)

 

Спасибо, не знал, попробую, но уже не сегодня.

 

Только они на 5V или на землю подключены-то?

 

В AVR(Arduino) только Pull-up (5V). Как раз то, что нужно.

 

Ага! Спасибо большое! Буду пробывать

 

Такой вопрос , если у меня синтезатор на 61 клавишу , мне подойдет Arduino Nano ? Я пока-что не очень разбираюсь в Arduino , так что заранее извиняюсь за глупые вопросы .

 

Надо в схеме клавиатуры разбираться. Без этого бесполезно.

 

Я писал как выглядит схема синтезатора. Чтобы определить какие выводы строки, а какие колонки, бери мультиметр и прозванивай выводы от диодов и шлейф от клавиатуры.

Надо не количество клавиш смотреть, а количество выводов на шлейфе от клавиатуры. Разбери синтезатор, посмотри сколько на шлейфе контактов. У ардуино нано:
D2-D13 (итого 11) и ещё A0-A7 (ещё 8) (всего 19). Но если я не ошибаюсь, то у нано аналоговые пины можно использовать только как входы, а значит, что на аналоговые ты можешь подключить только выводы с анодов диодов, т.е. колонки (смотри схему). Т.е. если у твоего синтезатора выводов от кнопок (не от диодов! Смотри по схеме) не более 11, а от анодов диодов не более 8 - то подключить ты можешь без всяких расширителей, но учти, если ты займёшь все выводы, то ты не сможешь подключить кнопки для изменения октав. (подсказка: несколько кнопок можно подключить на один аналоговый вход).
ВЫВОД:
Чтобы подключить твой синтезатор вместе с двумя кнопками для изменения октав, у тебя должно быть на плате выводов от кнопок не более 11, а от анодов диодов не более 7.



Сомневаюсь что написал понятно, просто торопился очень. Если что-то не понятно, пиши. А ещё, желательно, пришли фотку шлейфа.

 

Спасибо большое , на след выходных прозвоню все , буду пробовать , стаття очень помогла

 

Ну я вообще не прозванивал, а замыкал выводы на клаве при включённом синтезаторе и слушал звук. Но лучше так не делать, тем более, у вас синтезатор нормальный, а ни как у меня . Но если вам не жалко плату синтезатора, то можно и замыкать как я. (хотя возможно, и ничего не будет)

Спасибо!

 

Ещё есть всякие расширители выводов, сдвиговые регистры и т.д. Дело с ними и библиотекой Keypad не имел, но думаю в гугле что-то есть. (хотя не знаю)

 

При вводе вашего скетча выдает ошибку "fatal error: Keypad.h: No such file or directory"

Уже нашел в чем проблема , нужно скачать библиотеку keypad
Но все равно находит кучу ошибок типа :

sketch_mar02a:6: error: stray '\240' in program
sketch_mar02a:7: error: stray '\302' in program
В {49,57,65,73,81,89},
^
sketch_mar02a:7: error: stray '\240' in program
sketch_mar02a:8: error: stray '\302' in program
В {50,58,66,74,82,90},

 

Значит скачал или поставил криво. С официального сайта качай, а распаковывать в папку libraries в корне ардуино. И убедить, что у тебя папка с либой называется также, как её 2 файла внутри Keypad.h и Keypad.cpp. Ошибок быть не должно, по крайней мере, если устанавливать всё с официальных ресурсов.
{50,58,66,74,82,90} - эти цифры - это номера символов char.

 

Может ошибка из-за того что я набирал не вручную , а методом Копировать-Вставить ?

Через MariaMole все получилось

 

У меня такой Касио 47 настоящий есть! А когда видео? Хочу посмотреть реинкарнацию.

Кстати, хочу midi клаву купить, чтобы не только физика, но и лирика творчеством выход находила! Но уже голову сломал какую выбрать. Все такое вкусное. )