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Eletrônica
MIDI-USB Adapter (Cabo MIDI-USB)
Este é um adaptador MIDI-USB. Seu objetivo é possibilitar a conexão de instrumentos musicais com interface MIDI (Musical Instrument Digital Interface) a um microcomputador (ou notebook), através de uma porta USB.
Através desse cabo é possível utilizar um instrumento musical em conjunto com um software sintetizador ou sequenciador instalado no PC (como Sonar, Cubase, Encore, Rosegarden e muitos outros).
É baseado no Microchip PIC18F13K50, que é um microcontrolador de baixíssimo custo e alto desempenho, apresentando interface USB 2.0, USART, PWM, ADC e outros recursos embutidos em seu encapsulamento de 20 pinos.
- Conexão ao PC via porta USB, através de um cabo A-B convencional;
- Conexão ao instrumento musical através de cabos com conectores DIN-5 convencionais (padrão da interface MIDI);
- Alimentação direta pela porta USB, não necessitando de nenhuma fonte de alimentação externa;
- Firmware implementa uma classe USB-MIDI genérica 2.0, por isso não há a necessidade de instalação de drivers específicos em Sistemas Operacionais mais recentes;
- Contém LED's indicadores de alimentação (USB-Power) e de atividade (MIDI-IN e MIDI-OUT);
- Design de hardware simplificado (o microcontrolador, um opto-acoplador e mais alguns componentes apenas);
- Suporta ICSP (In Circuit Serial Programming) para a gravação do firmware na própria placa, sem necessidade de remover o microcontrolador.
Descrição do Hardware:
O hardware deste adaptador foi inspirado na ideia do Projeto Midi-Nator, publicado em 2005 na revista Nuts and Volts. Entretanto, ao invés de utilizar o PIC18F2455 original (de 28 pinos), foi empregado o novo PIC18F13K50, que custa muito menos e tem um encapsulamento de apenas 20 pinos - mais do que suficiente para este projeto.
Abaixo está ilustrado o diagrama esquemático do adaptador MIDI-USB (ele está disponível nos formatos PDF e Autodesk Eagle na seção Downloads do Projeto):
Diagrama Esquemático do Adaptador MIDI-USB
O componente principal do adaptador MIDI-USB é o microcontrolador PIC (U1), que possui interfaces USB 2.0 e USART já embutidas em seu encapsulamento. O cristal X1 (12MHz) garante a frequência de operação da CPU e da interface USB (48MHz internamente).
A USART é usada para fazer comunicação com o instrumento musical, através dos pinos RX (12) e TX (10) do microcontrolador. A saída MIDI-OUT recebe os dados da linha TX, apenas adaptando os níveis de corrente para os exigidos pelo padrão MIDI (através dos resistores R5 e R6), e os envia ao instrumento. Já a entrada MIDI-IN recebe o sinal enviado pelo instrumento através do opto-acoplador (U2), e repassa os dados à linha RX da USART do microcontrolador.
Os conectores J2 e J3 são fêmeas DIN de 5 pinos (usados no padrão MIDI). Eles são os mesmos tipos de conectores usados nas placas-mãe antigas de PC's, para conectar teclados padrão AT. Desta forma, podem ser reaproveitados de velhas placas sucateadas...
Já o conector J1 é um USB tipo B, que permite a conexão de um cabo A-B convencional ao computador.
O conector J4 permite a gravação do microcontrolador PIC através de ICSP, diretamente na placa, sem necessidade de ser removido. Se não desejar usar ICSP, pode omiti-lo.
Quanto à gravação do microcontrolador PIC18F13K50, um alerta se faz necessário:
ATENÇÃO: Os microcontroladores PIC da família 18FxxKxx, possuem os pinos PGD e PGC compartilhando as linhas de D+ e D- do módulo USB. Esse tipo de dispositivo, apesar de operar normalmente com VDD de 5V, possui uma limitação nas linhas PGD e PGC: elas não podem ultrapassar 3,6V, sob pena de danificar o PIC!
Desta forma, se o programador de PIC's operar exclusivamente com 5V, é necessário manter os diodos zener D2 e D3 para utilizar a programação via ICSP, pois eles oferecem a devida proteção ao microcontrolador. Caso o programador suporte gravação de dispositivos a 3,3V (como o PICkit 2, ou o PK2C, que eu utilizei aqui), pode-se omitir a montagem desses diodos.
Além dos componentes citados, foram adicionados 3 LED's: um para indicar a alimentação via porta USB (LED Power - DS1); outro para indicar atividade na saída MIDI-OUT (DS2), conectado ao pino RC6 (PORT C) do microcontrolador; e outro LED para indicar a atividade na entrada MIDI-IN (DS3), conectado ao pino RC7 (também no PORT C) do PIC.
Descrição do Firmware:
O firmware do Adaptador MIDI-USB foi implementado em linguagem JALv2 (Just Another Language, version 2), que é uma linguagem muito parecida com Pascal, destinada à programação de microcontroladores Microchip PIC de diversas famílias, incluindo PIC18xx. Além disso, foram usadas as bibliotecas do projeto jallib.
Para simplificar o desenvolvimento, foi utilizado o ambiente descrito no artigo: Ambiente de Desenvolvimento para Microchip PIC, com Eclipse, JAL, e GNU/Linux.
A implementação do firmware do Adaptador MIDI-USB foi estruturada da seguinte maneira:
-
Programa Principal
[midiusbadapter.jal]- Rotinas da Porta Serial (MIDI)
[midiserial.jal] -
Rotinas da Porta USB
[midiusb.jal]- Biblioteca da classe USB-MIDI
[usb_midi.jal]
- Biblioteca da classe USB-MIDI
- Rotinas da Porta Serial (MIDI)
Programa Principal [midiusbadapter.jal]
Nesse arquivo são definidas as constantes de configuração do PIC (fuses) e o loop principal do programa. O Timer 0 é usado para verificar periodicamente se houve atividade na porta serial (MIDI-IN ou MIDI-OUT), e acionar os LED's correspondentes, por um tempo definido na constante MIDI_LED_DELAY (default: 40ms). Já dentro do loop principal, as rotinas da porta serial e da porta USB são chamadas periodicamente, verificando se há dados a serem recebidos (pela serial ou pela USB), e retransmitindo-os, conforme o caso.
Como essa implementação é um simples USB-MIDI Single Cable Device, os dados recebidos pela porta serial (MIDI-IN) são repassados para a porta USB, e os dados recebidos pela USB são repassados para a porta serial (MIDI-OUT), após um parsing (tratamento dos pacotes recebidos, para compatibilizar os dois padrões).
Rotinas da Porta Serial (MIDI) [midiserial.jal]
Aqui há uma implementação de rotinas para receber e transmitir bytes via porta serial (USART) do microcontrolador, baseada na biblioteca serial_hardware da jallib. No caso da interface MIDI, o baudrate usado é de 31,25 kbps.
Nesse arquivo também há a implementação do acionamento dos LED's indicadores de atividade da entrada MIDI-IN e da saída MIDI-OUT.
Rotinas da Porta USB [midiusb.jal]
Nesse arquivo há a implementação das rotinas responsáveis por receber e transmitir bytes via porta USB, dentro dos pacotes da classe USB-MIDI. Essas rotinas são baseadas na biblioteca usb_midi.jal, que ainda não é parte integrante da jallib, mas que foi escrita seguindo todas as suas regras de codificação. Desta forma, esta biblioteca poderá ser submetida à comunidade do projeto como contribuição, e futuramente ser incorporada à jallib, se aprovada.
Biblioteca da classe USB-MIDI [usb_midi.jal]
Esse arquivo implementa um dispositivo single cable, da classe genérica USB-MIDI (de acordo com as especificações do USB Implementers Forum), com as rotinas responsáveis por receber e transmitir pacotes MIDI via porta USB.
Além disso, dentro dessa implementação, há rotinas de parsing, para transformar os dados recebidos pela interface MIDI em pacotes compatíveis com a classe USB-MIDI, e vice-versa. Essas rotinas são inspiradas no Projeto Midi-Nator.
Esta biblioteca usb_midi.jal não é parte integrante da jallib, mas foi escrita seguindo todas as suas regras de codificação. Desta forma, ela poderá ser submetida à comunidade do projeto como contribuição, e futuramente ser incorporada à jallib, se aprovada.
Descrição da Montagem:
Os diagramas esquemáticos e layouts das placas foram elaborados com o software Autodesk Eagle, e para transferir o layout para a placa, foi usado o método detalhado no artigo: Fabricação de PCB através de Transferência Térmica.
Os arquivos de layout da placa poderão ser encontrados na seção Downloads do projeto.
Placa de circuito do Adaptador MIDI-USB
Note que os diodos D2 e D3 foram omitidos, pois o PK2C suporta programação de PIC's a 3,3V.
Placa de circuito do Adaptador MIDI-USB
Os conectores DIN-5 (J2 e J3) foram reaproveitados de velhas placas-mãe de Pentium I sucateadas.
Placa de circuito do Adaptador MIDI-USB
O cristal X1 foi reaproveitado de um leitor de cartões USB sucateado.
A placa de circuito impresso foi acondicionada em uma caixa plástica Patola PB-201, através de parafusos
Pinagem do Cabo MIDI:
Para interligar o Adaptador MIDI-USB ao instrumento musical, é necessário usar um cabo blindado que contenha um conector DIN-5 macho em cada extremidade.
A pinagem necessária é a seguinte:
| Pino (conector A) |
Pino (conector B) |
Descrição |
|---|---|---|
| 2 | 2 | GND |
| 4 | 4 | Source |
| 5 | 5 | Sink |
| Parte Externa | Parte Externa | Malha (Blindagem) |
Sendo que o pino 2 (GND) poderá ser interligado à própria malha, sem problemas (para este projeto!). Desta forma, um cabo blindado estéreo (de 2 vias) poderia ser usado assim:
| Pino (conector A) |
Pino (conector B) |
Descrição |
|---|---|---|
| 4 | 4 | Source |
| 5 | 5 | Sink |
| 2 | 2 | GND / Malha (Blindagem) |
| Parte Externa | Parte Externa |
Abaixo está a pinagem do conector DIN 5 pinos:
Downloads do projeto:
Aqui podem ser encontrados todos os downloads relativos a versão corrente do projeto MIDI-USB Adapter (esquema, layout da placa e firmware).
Para salvar ao invés de visualizar os documentos que estão em formato PDF, use o botão direito / "Salvar Link [ou Destino] Como..." e escolha a pasta / diretório onde deseja salvar o arquivo.
Os diagramas esquemáticos e layouts das placas foram elaborados com o software Autodesk Eagle, e para transferir o layout para a placa, foi usado o método detalhado no artigo: Fabricação de PCB através de Transferência Térmica.
Para gravar o firmware no microcontrolador PIC18F13K50, foi utilizado o programador Microchip PIC USB Programmer - PICkit 2 Clone (PK2C).
Repositório:
O repositório do projeto está no GitHub:
Repositório do projeto MIDI-USB Adapter.
MIDI-USB Adapter versão 1.0:
| Arquivo | Descrição |
|---|---|
| Diagramas Esquemáticos e Layout da PCB (PDF + Eagle) | Diagramas Esquemáticos e Placa de Circuito Impresso nos formatos PDF e Autodesk Eagle (arquivo ZIP, ~395KB). |
| Firmware (HEX) | Firmware em formato HEX, para gravação no PIC (arquivo ZIP, ~5KB). |
| Firmware (Source) | Arquivos fonte do Firmware do Adaptador MIDI-USB, em linguagem JALv2 (arquivo ZIP, ~11KB). |
| Todos arquivos do Projeto | Todos os arquivos do Projeto compactados em um único pacote (arquivo ZIP, ~11MB) |
Referências e Bibliografia:
Nuts And Volts. The Midi-Nator Project. 2005.
http://
USB Implementers Forum. Universal Serial Bus Device Class Definition for MIDI Devices. 1999.
https://
Wikipedia. Musical Instrument Digital Interface (MIDI).
http://
Microchip Inc. PIC18F13K50 Product Page.
http://
Autodesk. Autodesk Eagle.
https://
Martins, Robson. Fabricação de PCB através de Transferência Térmica.
http://
Martins, Robson. Ambiente de Desenvolvimento para Microchip PIC, com Eclipse, JAL, e GNU/Linux.
http://
Martins, Robson. Microchip PIC USB Programmer - PICkit 2 Clone (PK2C).
http://
Just Another Language v2 (JALv2).
http://
Jallib team. Jallib.
https://
Todos os sites foram visitados em 14/04/2020.
Robson Martins - 08/2012
http://www.robsonmartins.com
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