基于ZigBee的無線MIDI雙向接口設計

申　晗　耿　浩　黃　平（沈陽工業大學信息科學與工程學院，遼寧　沈陽　110870）

基于ZigBee的無線MIDI雙向接口設計

申晗耿浩黃平
（沈陽工業大學信息科學與工程學院，遼寧沈陽110870）

針對在音樂表演現場常用的傳統MIDI音樂系統接口僅支持單線單向傳輸的問題，本文研究了MIDI音樂傳輸原理及幾種主流無線傳輸方式，提出了一種MIDI傳輸速率與標準串口傳輸速率的匹配方法，設計了基于ZigBee傳輸協議的低功耗、短距離、高可靠性的無線MIDI傳輸接口。測試表明，該設計方法可以將傳統MIDI接口單線單向的傳輸方式轉換為無線雙向傳輸方式，連接、移動方便，傳輸距離遠。

MIDI；有線單向；ZigBee；無線雙向

MIDI（MusicalInstrumentDigital Interface）即樂器數字接口，是電子樂器間硬件接口標準和音樂網絡中各設備間的通信協議。它用音符數字控制信號、記錄音樂，一首完整的MIDI音樂只有幾十KB，節省了存儲空間，并且包含數十條音樂軌道。目前幾近所有的現代音樂都是基于MIDI并結合音色庫制作合成。

從當前應用市場來看，MIDI音樂系統使用普遍，但音樂現場常用的MIDI音樂系統接口僅支持有線單向傳輸，不僅連接、移動不方便，而且傳輸距離受限。本文主要提出了一種MIDI傳輸速率與標準串口傳輸速率的匹配方法，設計了基于ZigBee傳輸協議的低功耗、短距離、高可靠性的無線MIDI雙向傳輸接口，完美地解決了傳統有線單向傳輸帶來的弊端。

1　ZigBee無線通信技術

ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗個人局域網協議，并且是基于該協議規定的一種短距離、低功耗的全新無線網絡通信技術。它主要應用于遠程控制、自動控制和無線傳感器網絡等相關領域，可嵌入各種設備，同時支持地理定位功能。

ZigBee具有低功耗、低成本、可靠性高、網絡容量大等特點，并且支持數據透明傳輸、一對一傳輸、多對一傳輸和一對多傳輸，適用于分布有大量終端設備的網絡。其工作方式是：在數千個微小的傳感器之間以接力的方式通過無線電波，將數據從一個傳感器傳到另一個傳感器，并進入計算機分析或者被另一終端收集，使得MIDI音樂數據流可以在大量不同設備終端間傳輸。ZigBee所具有的空閑信道評估（CCA）、動態信道選擇、信道算法、頻率快變FA及直序擴頻技術（DSSS）等功能使其在2.4GHz ISM頻段表現出很好的抗干擾性能，特別適用于低功耗、高可靠性數據傳輸場合。

現有的應用比較廣泛的無線通信技術主要有WiFi、藍牙技術等，Zigbee技術與其相比具有較大優勢，見表1。

2　MIDI樂器數字接口

MIDI是一種用來保障音樂網絡中各設備終端間數據傳送的協議。根據標準MIDI協議的要求，MIDI數據流包括狀態和數據兩類字節，其基本命令格式主要由指令字節、音符字節及力度字節等組成。指令字節主要包括8mH關斷指令和9mH開啟指令（m為通道號）兩種，音符字節是范圍為0～7FH的音符數據，即演奏音符，力度字節也稱為速度數據，其范圍也是0～7FH，表示擊鍵的力度。

表1　Zigbee、WiFi和藍牙比較

3　硬件平臺設計

硬件部分由MIDI接口電路、匹配電路和ZigBee無線傳輸電路組成。由于MIDI傳輸速率不是標準波特率，因此需要基于匹配電路以實現與傳輸速率為115.2Kbps的KLZB214A串口轉ZigBee模塊匹配。匹配電路主要由光電耦合電路及波特率轉換電路組成，以達到隔離及電平轉換的目的，所選用光電隔離器件型號為6N137，最大可支持1MHz。

MIDI為數據傳送速率為31.25Kbps的異步串行接口，數據格式由為1個起始位、1個停止位和8個數據位組成。系統采用STM32微處理器硬件USART串口完成MIDI信號的接收和發送，波特率匹配電路選用意法半導體公司的高性能主控芯片STM32F103U8T6。

無線傳輸電路基于可藍電子公司ZigBee轉串口通信模塊KLZB214A，該模塊內嵌符合標準的ZigBee2007協議棧，采用AES128加密。整機系統框圖如圖1所示。

數據流由MIDIIN_A進入，經過光電耦合電路、波特率匹配電路，將MIDI標準的31.25Kbps的波特率轉化為115.2Kbps的高速波特率。緊接著ZigBee模塊A將數據傳出，ZigBee模塊B將數據接收，將接收到的數據通過波特率匹配電路使其115.2Kbps的高速波特率轉化為MIDI標準的31.25Kbps波特率，最后通過驅動電路將數據傳送到MIDIOUT_B端口輸出，如此往復。

在實際應用過程中，對需要進行數據傳輸的設備安裝ZigBee模塊，通過軟件設置，實現在任意兩個設備終端間進行數據通信，以達到MIDI數據流傳輸的目的。系統具體接口連接電路如圖2所示。

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

4　軟件設計

軟件設計主要包括STM32F103U8T6微處理器與MIDI接口及ZigBee之間通信以實現波特率的轉換。STM32F103U8T6微處理器內部帶有兩個可編程USART串口，通過對相關寄存器進行設置，可以將MIDI接口的低波特率轉換成與ZigBee相匹配的高波特率，反之，可使得ZigBee傳輸的高速波特率轉化為MIDI設備可識別的標準MIDI數據流。主程序流程圖如圖3所示。

系統上電后，系統需要對USART1、USART2、系統時鐘等模塊進行初始化設置，標志位FLAG在無MIDI數據流時清零，當存在MIDI數據流時，即表明需要傳輸數據，標志位FLAG置1。

目前許多MIDI音樂設備會在MIDI數據流中加入FE、F8等數據標識符以提高硬件連接的活躍性，并且在傳輸連續多個指令字節、音符字節以及力度字節的情況下，許多MIDI設備會省略指令字節8mH或9mH。為了保證MIDI數據流傳輸的標準性、準確性和高效性，需要對MIDI數據流進行軟件濾波，濾除無用信息并調整數據格式。

速率匹配算法包括低速轉高速及高速轉低速兩部分。低速轉高速只需在軟件上將收到的數據經過軟件濾波后，立即轉發到下一接口。高速轉低速部分，由于輸入是高速且輸出為低速，所以需將接收到的數據存入數組A中，并設定參數j記錄接收數據個數。由于高速數據的來源是低速數據轉化而來，高速轉低速部分的輸入是間斷的高速數據流，而輸出則為慢速連續的數據流。因此，如圖4所示，當i＜j時，即輸出數據量小于輸入數據量，輸出繼續“追趕”輸入。當i=j時，即輸出數據量等于輸入數據量，令i=j=0，重新計數。根據上述“追趕”算法能夠保證在高速轉低速的過程中所傳輸數據的完整性。

5　系統傳輸距離測試

本文的主要創新點是基于ZigBee實現MIDI接口的無線雙向接口設計，ZigBee無線傳輸距離是該技術實現的關鍵。表2是分別在無障礙物的走廊和在走廊與教室間有障礙物的實驗條件下對無線數據傳輸距離的測試。

通過表2可知，在空曠的開放空間條件下，ZigBee無線通信技術傳輸數據的距離大約在50m，而在有障礙物條件下雖然數據傳輸的距離有近一半的衰減，但仍可達到25m左右。因此，基于ZigBee的無線雙向MIDI接口設計方法適用于大型音樂現場和家庭使用。在實際應用中，可根據實際的環境條件，在不同地點放置主節點，實現遠距離的音樂數據傳輸。

表2　不同實驗環境下ZigBee　無線傳輸距離

結論

（1）本文提出了一種基于ZigBee技術的MIDI無線雙向接口設計方案，利用KLZB214A無線通信模塊，將傳統MIDI的有線單向傳輸方式轉換為無線雙向傳輸方式，實現了MIDI接口之間的無線數據通信。

（2）在無障礙物和有障礙物條件下傳輸距離分別達到50m及25m左右，表明基于ZigBee的雙向無線MIDI接口設計方案可滿足大多數音樂現場和家庭使用。

（3）完美解決了傳統MIDI接口僅支持有線單向傳輸的問題，而且連接、移動方便，傳輸距離遠，可以實現任意設備之間的相互數據流傳輸。

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