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MIDI（樂器數(shù)字接口）是一種電子樂器之間以及電子樂器與電腦等設(shè)備之間的統(tǒng)一交流協(xié)議。該協(xié)議是一個二進制形式的音樂描述語言，每一個描述樂器演播動作的字都賦給一個特定的二進制代碼，通過它指示樂器即MIDI設(shè)備做什么和怎樣做，如演奏音符、加大音量、生成音響效果等。
由于MIDI本身不是聲音信號，而只是讓聲音設(shè)備產(chǎn)生聲音的一系列的指令，所以MIDI文件本身非常小，特別適用于對存儲容量有限制的手持設(shè)備，如手機和掌上電腦。本文將著重介紹如何在手持信息終端嵌入式系統(tǒng)平臺上實現(xiàn)MIDI的播放。
MIDI的基本原理
MIDI文件主要由MIDI消息組成。MIDI消息又可分成通道消息和系統(tǒng)消息兩大類，如圖1所示。
圖1 MID I消息的組成 從上面的描述中，
可以看到MIDI實際上只是一組數(shù)字信號，并不包括聲音信號，它記錄的是音樂在什么時間用什么音色發(fā)多長的音等等。MIDI音樂每個樂音是由三個要素組成的：音色、音高（音調(diào)）和音長。可以把各種樂器的音色先錄下來，然后給每個音色編號，如鋼琴編為00；再給音高編號，如C5編為49；然后是音符播放的時間的編碼，如把8分音符編號為60。此時，數(shù)字串“00 49 60”就表示演奏的是鋼琴的C5音，演奏時間為8分音符。MIDI在播放時，會根據(jù)MIDI文件紀錄的樂曲信息向預(yù)先錄制好的樂器（如鋼琴）的波表發(fā)出指令，從波表中找出對應(yīng)的聲音信息，經(jīng)過合成、加工后再回放出來，就形成了美妙的音樂。
手持信息終端軟硬件平臺
手持信息終端包括手機、個人數(shù)字助理（PDA）、掌上電腦（HPC）等等，它們可以實現(xiàn)多種功能，如PIM（電話簿、日程安排、備忘錄、記事本、時鐘）、計算器、錄音、辭典、游戲和播放音樂等功能；也可以加入無線通信的功能，如電話、短信、無線Email等等；還可以通過數(shù)據(jù)線與PC相連，互通數(shù)據(jù)、進行備份和數(shù)據(jù)交換。
該手持信息終端平臺采用的是業(yè)界流行的Motorola公司的MC68EZ328處理器；存儲模塊由4M字節(jié)的Flash閃存和2M字節(jié)的EDO DRAM組成；顯示模塊采用160×240的16級灰度的黑白屏，屏上合成有四線電阻式觸摸屏。音頻處理模塊的作用是用來播放音樂，它由兩部分構(gòu)成：濾波電路和音頻功率放大電路。該模塊接受來自處理器內(nèi)部輸出的PWM脈沖信號和音頻模塊的開啟關(guān)閉的控制信號。硬件平臺的結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 手持信息終端的硬件平臺結(jié)構(gòu)
該手持信息終端是以自主研發(fā)的多任務(wù)嵌入式操作系統(tǒng)AsixOS為基礎(chǔ)，包括操作系統(tǒng)（Asix OS）、驅(qū)動程序包（Driver）、應(yīng)用程序包（Application）、圖形用戶接口（AsixWIN）、圖形庫軟件包（AsixGPC）、嵌入式數(shù)據(jù)庫（AsixDB）、嵌入式文件系統(tǒng)（AsixFS）、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議軟件包（Asixnet）等等。Asix模塊原理框圖如圖3所示。
圖3 Asix模塊原理框圖
由圖可以看出，音頻驅(qū)動模塊是播放MIDI音樂的基礎(chǔ)，它控制硬件設(shè)備的打開關(guān)閉等等操作；音頻服務(wù)層是連接應(yīng)用程序和底層驅(qū)動的樞紐，它包含了對底層操作的接口；應(yīng)用程序是整個手持終端產(chǎn)品的具體功能的體現(xiàn)，MIDI播放器是其中一個用來測試MIDI播放的小應(yīng)用程序，它是建立在音頻服務(wù)模塊和音頻驅(qū)動模塊基礎(chǔ)之上的。
MIDI播放的實現(xiàn)
MIDI的播放需要軟硬件協(xié)同工作，要播放MIDI文件，首先必須對MIDI文件進行解碼：若是控制信息（如節(jié)拍、時間格式等等），則進行相應(yīng)的控制；若遇到音符信息，則將相應(yīng)的數(shù)據(jù)（音符代碼、時間值）存儲在音頻緩沖區(qū)。
解碼完成后，聲音處理程序?qū)σ纛l緩沖區(qū)中的音頻數(shù)據(jù)進行處理，根據(jù)音符代碼從各個軟波表中取出相應(yīng)音符的真實采樣值送往音頻設(shè)備，再由音頻設(shè)備的濾波電路進行濾波排除電路中的高低頻干擾，然后再經(jīng)過音頻放大電路對音頻信號進行放大，驅(qū)動喇叭放出音樂，音樂時間的長短則根據(jù)音頻緩沖區(qū)中記錄音符長短的數(shù)據(jù)來控制音頻設(shè)備的開啟和關(guān)閉來實現(xiàn)。
由于手持信息終端存儲容量的限制，該手持信息終端的軟波表只包含了大鋼琴（Acoustic Grand Piano）的一種音色，具有3階音色（12×3個音符）。該軟波表采用16kb/s和8bit的采樣率進行錄制，每個音符采樣0.5秒，即每個音符占有8000個字節(jié)，所以整個軟波表的大小為12×3×8000=288K字節(jié)，這樣的大小對于手持信息終端來說應(yīng)該是可以承受的。
聲音處理程序是利用MC 68EZ328的定時功能和PWM輸出功能來實現(xiàn)的。PWM具有三種工作模式：回放（playback）模式、單音調(diào)（tone）模式、D/A模式。由于tone模式發(fā)出的聲音的頻率比較單一，不能達到真實樂器的效果，所以采用了回放模式。回放模式是利用軟波表來實現(xiàn)的，它根據(jù)真實樂器的采樣值進行回放，從而能達到比較真實的效果。
MIDI播放的實現(xiàn)在硬件上是由兩部分組成的：M68EZ328內(nèi)部的PWM模塊和外部濾波放大電路。具體原理如下：
PWM（脈沖寬度調(diào)制）是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法。通過對方波的占空比調(diào)制來對一個模擬信號的電平進行編碼。
音頻處理的外圍電路比較簡單，它主要用來處理由PWM輸出的MIDI音樂，由濾波電路和音頻功率放大電路組成。MC68EZ328內(nèi)部具有PWM輸出電路，經(jīng)過一個由兩級運算放大器構(gòu)成的濾波電路，濾除噪聲后取出音樂信號；濾波后的信號，在經(jīng)過功率放大電路放大后，推動揚聲器發(fā)出音樂聲。為了減小功耗，音頻功率放大電路和濾波電路都有使能控制信號控制，當(dāng)需要播放音樂時將電路使能，平常關(guān)閉該模塊。
軟件的實現(xiàn)
通過對軟件平臺的介紹，可以知道Asix OS是一個嵌入式的多任務(wù)實時操作系統(tǒng)，所有應(yīng)用程序都是通過任務(wù)調(diào)度機制來實現(xiàn)的。因此要實現(xiàn)MIDI的播放需要軟件在以下三個層次給予支持：音頻驅(qū)動模塊、音頻服務(wù)模塊、應(yīng)用程序（MIDI播放器）。當(dāng)點擊應(yīng)用程序（如MIDI播放器）后，操作系統(tǒng)就會進行任務(wù)調(diào)度，然后啟動相應(yīng)的服務(wù)模塊（音頻服務(wù)模塊），通過服務(wù)模塊再調(diào)用底層驅(qū)動來播放MIDI音樂。下面將具體闡述一下各模塊的功能和實現(xiàn)：
該模塊是MIDI能夠播放聲音的基礎(chǔ)，它直接和底層硬件相關(guān)，通過CPU中PWM模塊的一些寄存器來實現(xiàn)聲音設(shè)備的打開關(guān)閉等操作。它通過聲音服務(wù)模塊被所有的需要發(fā)音的程序所調(diào)用，是所有發(fā)音程序得以正常工作的基礎(chǔ)。
它由以下幾個子模塊組成：PWM音頻設(shè)備初始化模塊；PWM音頻設(shè)備回放率配置模塊；PWM音頻設(shè)備啟動模塊和關(guān)閉模塊；PWM音頻設(shè)備工作模式選擇模塊。
該模塊屏蔽了底層的驅(qū)動，為應(yīng)用程序訪問音頻設(shè)備提供了統(tǒng)一的接口，使用戶無需關(guān)心底層的具體實現(xiàn)即可以完成聲音設(shè)備的控制，使之具有較好的移植性。它主要通過消息機制來實現(xiàn)，為應(yīng)用程序和底層驅(qū)動模塊的通信提供了一個橋梁，從而避免了直接和硬件打交道。服務(wù)層主要由定時播放模塊、定長播放模塊和配置模塊組成。
音頻服務(wù)模塊是播放MIDI的關(guān)鍵，它處于承上啟下的作用，用于連接上層的應(yīng)用程序和底層的設(shè)備驅(qū)動。該模塊中MIDI解碼子模塊完成對MIDI文件的解釋，并得到最終要播放的音符信息和各種控制信息鏈表，由于MIDI的解碼涉及到MIDI文件的規(guī)范協(xié)議和具體的算法，這里不作詳細的描述。
音頻服務(wù)模塊提供兩個層次的接口，面向應(yīng)用程序的接口和面向底層的接口。
服務(wù)模塊的接口工作原理如圖4所示。
圖4 服務(wù)模塊接口
MIDI播放模塊包括MIDI播放器（用來測試MIDI播放的應(yīng)用程序之一），此外還可以在手機鈴聲、信息提示音、筆觸音等等程序中實現(xiàn)MIDI的播放，但其實現(xiàn)原理基本上都是一樣的。除了界面上的設(shè)計，主要就是調(diào)用MIDI服務(wù)模塊提供的幾個接口函數(shù)即可實現(xiàn)MIDI的播放，這里不作詳細介紹。
結(jié)語
本文的手持信息終端平臺經(jīng)過實際測試，播放效果令人滿意，能夠和一般的手機鈴聲相媲美。由于MIDI文件的體積較小，正好可以彌補手持信息終端存儲容量小的缺陷，因此它具有廣闊的應(yīng)用前景。
