Conception et réalisation d'une pédale MIDI

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2 Conception et réalisation d'une pédale MIDI Origine et historique du projet: Plusieurs dizaines de lycéens de Porto-Vecchio adhèrent au club musique du foyer socio-éducatif et se retrouvent à l'heure du repas ou pendant leurs heures d'étude dans une petite salle, essentiellement pour faire du hard-rock ou de la chanson corse. Cette salle a été équipée au fil des ans de nombreux instruments, et en particulier d'un clavier numérique relié par un câble MIDI à un générateur de sons (Expandeur) capable de synthétiser des sons de timbres variés: violon, flûte,... Durant le cours de MPI (mesures physiques informatisées, option de seconde) des élèves ont demandé à leur professeur si la liaison MIDI entre instruments de musiques était de type série ou parallèle et comment les informations circulaient entre les deux instruments. Il a donc été décidé de se retrouver le vendredi après-midi durant le créneau 15h30-17h30, réservé durant l'année scolaire 2007/08 aux activités culturelles et sportives, pour essayer de répondre à cette question. Ce projet a été proposé également aux élèves de première S et une douzaine d'entre eux y ont participé activement, mais ceux-ci préféraient un autre créneau le lundi après-midi pendant une heure d'étude. Un groupe d'élèves a effectué des expériences d'acquisition de signaux sortant par la prise MIDI OUT du clavier (à l'aide d'un oscilloscope numérique relié à un ordinateur) et ont comparé les courbes obtenues en faisant varier certains paramètres: note jouée, vélocité (force de frappe sur la touche), timbre de l'instrument choisi. D'autres ont effectué des recherches sur internet pour essayer de comprendre le protocole de transmission utilisé et les messages correspondant aux différentes informations transmises. Face au manque de clarté et de rigueur dans les explications trouvées sur les nombreux sites consultés, un groupe d'élèves déjà initiés en autodidactes à l'utilisation des logiciels «dreamweaver» et «flash» a proposé de réaliser un site internet sur lequel les résultats de nos recherches ainsi que nos réalisations pourraient être divulgués. Ce site a été intitulé: «comment voir MIDI à sa porte» en adaptant un ancien dicton datant du temps où les montres n'existaient pas et où chacun pouvait lire l'heure sur un cadran solaire situé au dessus de sa porte, et qui signifie que «face à un événement donné, chacun peut avoir son propre point de vue». Nous avons pour notre part utilisé des composants électroniques appelés «portes logiques» pour générer des signaux MIDI. Ce site est presque terminé et consultable à l'adresse: «Mezziornu» signifie «midi» en corse.

3 Tout le travail réalisé l'an dernier: photos et films de nos réalisations, carnet de bord tenu à chaque séance, classeurs pédagogiques sur les thèmes «protocole MIDI» et «pédale MIDI» est consultable sur ce site. De nombreuses animations «flash» ont été réalisées par les élèves et leurs enseignants qu'ils ont initié, et qui ont rapidement pris goût à travailler avec ce logiciel qu'ils ne connaissaient pas avant de débuter ce projet. Toutes les illustrations de ce mémoire sont des copies d'écran d'animations flash réalisées pour illustrer et agrémenter la présentation de ce projet et le site internet qui lui est dédié. Après avoir décrypte et maitrisé le protocole de transmission MIDI, nous avons conçu et réalisé un montage électronique essentiellement basé sur l'utilisation de circuits logiques (qui sont au programme du cours de MPI) pour reproduire les mêmes signaux que ceux sortant d'un clavier numérique lorsqu'on appuie sur une touche. Ce montage, baptisé «clavier pédagogique» est en fait une sorte de télécommande capable de piloter un générateur de sons par sa prise MIDI, et de lui faire jouer une note quelconque avec une intensité sonore réglable, et de changer de timbre instrumental. MIDI signifie: Musical Instrument Digital Interface Un élève de première ES, fréquentant également la salle de musique et ayant entendu parler du travail réalisé par ses camarades, leur a demandé si ils étaient capables de fabriquer une pédale capable de démarrer et arrêter la boite à rythme qu'il utilise pour travailler ses solos de guitare. Nous avons donc recherché quels étaient les messages MIDI correspondant à ces fonctions et avons modifié le montage réalisé pour le «clavier pédagogique» afin de l'adapter au nouveau cahier des charges.

4 Depuis la rentrée de septembre 2008, nous avons réalisé deux maquettes permettant d'expliquer le fonctionnement des circuits électroniques composant la pédale que nous avons fabriquée. Pour ces maquettes, nous avons augmenté considérablement les constantes de temps réellement mises en jeu dans la pédale, de façon à pouvoir visualiser par des diodes électroluminescentes les changements d'états des sorties binaires des portes logiques utilisées. La pédale que nous avons mise au point fonctionne parfaitement et est de plus capable de modifier grâce à un potentiomètre intégré le tempo de la boite à rythme qu'elle commande. Il n'existe pas dans le commerce de pédale MIDI équivalente à celle que nous avons réalisée (pour un cout global d'environ 20 ) mais seulement des pédaliers encombrants à plusieurs pédales coûtant 200 à 300, et ceux-ci ne permettent pas de modifier le tempo du séquenceur. Nous envisageons donc de la commercialiser. Les participants au projet: Durant l'année scolaire 2007/08 une douzaine d'élèves de 1ère S qui ont essentiellement travaillé sur les montages électroniques, 5 élèves de seconde option MPI qui se sont plutôt investis dans la conception du site internet et les montages de films, et une élève de BEP secrétariat qui a réalisé le montage d'un ordinateur et a participé au site internet. Durant l'année scolaire 2008/09 six élèves ont poursuivi le projet. Enseignants: Mme CASTEL Mme ANDREANI M. FERRANT

5 Le protocole MIDI: Les prises MIDI sont des prises de type DIN à cinq broches: la broche du centre est reliée à la masse de l'appareil et au blindage du câble à deux conducteurs qui relie deux appareils entre eux. Les deux broches voisines situées de part et d'autre de la masse véhiculent le signal, et les deux broches éloignées ne sont pas utilisées. En branchant un oscilloscope numérique à la sortie MIDI d'un clavier et en enregistrant le signal qui en sort lorsqu'on appuie sur une touche, on se rend compte qu'il s'agit d'un signal numérique binaire, la tension observée étant une succession de créneaux de valeur 0V ou 5V. La durée d'une information élémentaire appelée «BIT» est mesurée et vaut 32μs. En tapant plus ou moins fort sur la touche du clavier, nous avons constaté que les bits situés le plus à droite étaient modifiés. En changeant de note sur le clavier, ce sont les bits situés au centre qui se trouvent modifiés, tandis que les bits situés à gauche de l'écran et émis en premier sont les mêmes dans tous les cas. Plusieurs sites sur internet prétendent indiquer les messages MIDI associés à chaque ordre ou donnée envoyés d'un instrument appelé «maitre» vers un autre appelé «esclave». Mais aucun des nombreux sites que nous avons consultés ne permet à un néophyte de décrypter simplement un message comme celui visualisé ci-dessus! Tout d'abord, ce qui est annoncé comme un bit «0» dans le protocole MIDI correspond sur un oscillogramme à une tension de 5V et bien sûr un bit «1» correspond à une tension de 0V! L'explication de ces inversions est un peu complexe mais se trouve détaillée dans le cahier «protocole MIDI» sur notre site Il est donc déjà nécessaire d'inverser les «0» et les «1» pour s'y retrouver!

6 D'autre part, un message simple véhiculant un ordre ou une donnée correspond à un groupe de huit bits constituant un octet, mais celui-ci pour être reconnu doit être précédé d'un bit de début («1») et terminé par un bit de fin («0»)... ce qui fait donc dix bits au total. Enfin le sens et l'ordre d'émission des bits, pour un message constitué de trois octets comme celui généré par notre clavier, est tout à fait imprévisible à partir de ce qui figure sur les différents sites consultés... et ce n'est que par la confrontation entre les oscillogrammes et les informations puisées sur internet qu'il a été possible de remettre de l'ordre dans tout cela. Sur les sites consultés ce message apparaît ainsi: Décodage: On remplace les «0» par des «1» et inversement, ce qui donne: On encadre chaque octet par un bit de début «1» et un bit de fin «0», et on obtient: On émet en premier l'octet de gauche, en commençant par son bit de droite, puis de la même façon l'octet du milieu, et enfin l'octet situé à droite. Aucun site consulté n'explique tout cela, et nos galères nous ont incité à créer notre propre site dédié aux instruments MIDI, de façon à essayer de rendre les choses plus compréhensibles... Le premier octet émis, noté «statut» correspond à un ordre donné: celui de jouer une note. Pour être pris en compte et exécuté, il doit être suivi de deux octets de données: la donnée 1 correspond à la note jouée la donnée 2, appelée «vélocité», indique la force de frappe sur la touche du clavier, ce qui va se traduire par une note émise plus ou moins forte.

7 Le message ci-dessus, un peu plus complexe, est émis par un synthétiseur. Celui-ci, en plus des trois octets décrits précédemment, génère au préalable deux octets supplémentaires qui permettent d'affecter un timbre instrumental parmi 127 disponibles dans la banque MIDI (ici le piano) à un canal parmi 16 possibles (ici le canal noté A). Le standard MIDI réserve le canal 6 aux sons de percussions ou batterie, et il est donc à la fois inutile et impossible d'affecter un timbre instrumental à ce canal. A chaque touche du clavier correspond alors non plus une note mais un instrument différent dans la famille des percussions. Le «clavier pédagogique» que nous avons conçu et fabriqué l'an dernier permet de générer et de modifier à volonté les cinq octets décrits précédemment. Il peut par conséquent commander l'expandeur pour qu'il génère n'importe quelle note, plus ou moins forte, avec un timbre instrumental modifiable, comme le ferait un clavier de synthétiseur... sauf que ce dernier est polyphonique et peut générer plusieurs notes simultanément. Remarque: La notation des octets sous forme de 0 et de 1 successifs peut devenir fastidieuse pour des messages un peu complexes. Il est plus judicieux de considérer un octet comme la juxtaposition de deux «quadrets» (groupe de 4 bits). Exemple: peut se décomposer en 0011 et 1010 Chaque quadret peut prendre 16 valeurs possibles (voir tableau page suivante) et on affecte à chacune de ces valeurs un symbole particulier: un chiffre de 0 à 9, ou une lettre de A à F. Ceci définit le système de numérotation hexadécimal. Dans notre exemple, 0011=3 et 1010=A donc l'octet correspondant s'écrit simplement 3A.

8 Le cahier des charges de la pédale MIDI: Un séquenceur ou une boite à rythme ne démarre que si il reçoit un ordre de démarrage (START), mais cela ne suffit pas... il faut aussi lui indiquer à quel tempo il doit avancer. Pour cela, il faut lui envoyer périodiquement des octets appelés «CLOCK (horloge)»: plus la fréquence d'envoi des CLOCK est grande, plus le séquenceur avance rapidement. En modifiant cette fréquence, il est donc possible d'accélérer ou de ralentir le tempo de la boite à rythme. Le séquenceur s'arrête dès qu'il reçoit un ordre d'arrêt (STOP). Sens d'émission des bits Démarrage: Clock: Arrêt: Il faut donc concevoir un montage électronique capable de générer en permanence des octets «CLOCK» à une fréquence ajustable par un potentiomètre. Lorsqu'on appuie une première fois sur la pédale, c'est à dire que l'on ferme un interrupteur, un octet «DEMARRAGE» doit être émis à la place des octets «CLOCK» tout de suite après la fermeture de l'interrupteur et laisser rapidement (une fraction de seconde) la place à des octets «CLOCK» de façon à ce que le séquenceur démarre effectivement au tempo choisi. Le fait que le musicien conserve le pied longtemps sur la pédale enfoncée ne doit pas bloquer le démarrage du séquenceur. Lorsqu'on appuie une deuxième fois sur la pédale après l'avoir relâchée, c'est un octet «ARRET» qui doit être émis. La pédale doit aussi être peu encombrante et robuste. Elle peut être alimentée par une petite pile de 9V ou une alimentation externe.

9 Conception du montage électronique: Essayons tout d'abord de concevoir un montage électronique capable de générer, les unes à la suite des autres, 8 informations binaires «0» ou «1» correspondant respectivement à des tensions de 0V ou 5V, et ce au rythme de 32μs par bit. Il existe un composant électronique de référence «4051» qui possède 8 entrées de données notées de E0 à E7 que l'on peut relier soit à la masse (0V) soit au pôle positif de l'alimentation (+5V)... ce qui revient à mettre en mémoire 8 bits «0» ou «1». Ici on a mémorisé l'octet Ce circuit appelé «commutateur 8 entrées/1 sortie» permet de relier les unes après les autres chacune de ces entrées à la sortie S. Pour le faire commuter sur une entrée particulière, il faut lui adresser en binaire sur les entrées de commande A,B et C le numéro de cette entrée. Comment générer les tensions nécessaires pour commander les entrées A,B et C? Une horloge (composant électronique contenant un oscillateur et un quartz pour stabiliser la fréquence d'oscillation) génère des créneaux à la fréquence de 2,0...MHz. La période T des créneaux est donc de 5,0.10-7s. Un circuit «compteur binaire à 14 étages» de référence «4020» possède une sortie A où on retrouve le signal d'horloge avec une fréquence divisée par 27, soit une période T' de 64μs. D'autres «diviseurs par 2» inclus dans le même boitier (il y en a 14 au total) permettent d'obtenir les tensions de commande B et C. Remarque: la valeur binaire des sorties A, B et C change de valeur 2 fois pendant une période T', donc toutes les 32μs, et c'est à ce rythme que le commutateur commute.

10 Nous retrouvons donc à la sortie S du montage précédent les 8 informations binaires mises en mémoire sur les entrées de données E0 à E7, émises les unes à la suite des autres au rythme de un bit toutes les 32μs, conformément à ce que prévoit la norme MIDI. Cependant, ces octets de données sont émis en permanence, à l'identique, et à un rythme effréné et incontrôlable... Comment faire pour que le commutateur «4051» s'arrête automatiquement de commuter dès qu'il a fini d'émettre un octet complet? 1 2 Il suffit d'utiliser un «diviseur par 2» supplémentaire inclus dans le boitier du compteur «4020» pour obtenir une sortie D qui va passer à «1» dès que les sorties A,B et C auront fini de compter jusqu'à 7 (7 en décimal, soit 111 en binaire) et repasseront à 0 (voir courbes en bas à gauche du schéma ci dessus). Lorsque la sortie D du compteur passe à «1», la sortie de la porte non-et n 1,montée en inverseur, passe à «0», ce qui bloque la sortie de la porte non-et n 2 dans l'état «1» et les signaux d'horloge n'atteignent plus le compteur... Le compteur s'arrête de compter... et le commutateur s'arrête de commuter: sa sortie S reste reliée à l'entrée de donnée E0 et se trouve donc à 0V pour l'éternité. Remarque: Ce montage est capable d'émettre 8 bits différents avant de se bloquer dans un état où il émet en permanence des bits «0». Or nous avons vu que l'émission d'un message nécessite l'émission de 10 bits en comptant le bit de début d'octet «1» et le bit de fin d'octet «0». Heureusement les messages «temps réel» qui nous intéressent pour la pédale MIDI se terminent tous par plusieurs bits «0» dont l'émission se fait... lorsque le commutateur se bloque sur l'entrée E0!

11 Le montage précédent émet donc dans l'ordre les bits suivants: 0 puis 1,1,1,1,0,0,0 et 0,0,0,0... Le séquenceur qui le reçoit prend en compte les huit bits qui suivent la réception du premier bit «1» émis, considéré comme le bit de début d'octet, soit ici 1 puis1,1,0,0,0,0,0 et vérifie que le message se termine bien par un bit «0» considéré comme le bit de fin d'octet. Les bits «0» qui suivent ne sont pas pris en compte car tout nouveau message doit forcément commencer par un bit «1». Ce message correspond bien à un octet de «CLOCK» qui va permettre au séquenceur d'avancer dans la lecture de la séquence musicale (qui peut être un rythme préprogrammé) à condition qu'il ait reçu au préalable un ordre de démarrer, soit l'octet «START». Comment faire pour que le montage précédent émette des octets «CLOCK» de façon périodique? La boite à rythme va lire la séquence rythmique qu'elle possède en mémoire au rythme des octets «CLOCK» reçus. Comment compléter le montage précédent pour lui faire ré émettre un octet «CLOCK»? Le circuit compteur diviseur «4020» possède une entrée de remise à zéro RAZ qui, lorsqu'elle est au niveau logique «0», laisse compter le circuit mais qui, si elle est maintenue au niveau logique «1», remet et maintient les sorties A,B,C et D à «0». Pour émettre de façon périodique des octets «CLOCK» à la fréquence N, il suffit donc de brancher un oscillateur délivrant une tension en créneau de fréquence N sur l'entrée RAZ du compteur: 1 2 *pendant une demi-période, l'entrée RAZ est portée à 5V et les sorties du compteur sont alors remises à zéro: A,B et C étaient déjà dans cet état mais la sortie D passe alors de «1» à «0», ce qui rend la porte «non-et n 2» passante pour les signaux d'horloge à 2 MHz. *pendant l'autre demi-période, l'entrée RAZ est ramenée à 0V, ce qui permet au compteur de compter... jusqu'à 8 car alors la sortie D passe à «1» ce qui bloque la porte «non-et n 2».

12 Une porte «non-et à trigger de Schmidt» permet de réaliser facilement un oscillateur, en l'utilisant pour contrôler la charge et la décharge d'un condensateur à travers une résistance. Cette «porte non-et» présente la particularité de basculer pour une tension d'entrée différente selon que celle-ci augmente ou diminue: environ 3V pour une tension croissante mais seulement 2V pour une tension décroissante. Comment fonctionne cet oscillateur? État initial: le condensateur est déchargé donc la tension d'entrée de la porte est inférieure à son seuil de basculement: sa sortie est à +5V. Le condensateur se charge à travers la résistance, la tension à ses bornes augmente progressivement jusqu'à atteindre 3V: la porte bascule, sa sortie passe à 0V. Le condensateur se décharge alors à travers la résistance, la tension à ses bornes diminue progressivement jusqu'à atteindre 2V: la porte bascule, sa sortie passe à 5V. Et ainsi de suite... En diminuant R, les charges et décharges sont plus rapides En reliant la sortie de cet oscillateur à l'entrée RAZ du compteur, notre montage émet donc de façon périodique et à un rythme que nous pouvons faire varier grâce à la résistance R ajustable les octets «CLOCK» nécessaires pour faire avancer le séquenceur. Mais n'oublions pas que celui-ci ne démarre que si il reçoit l'ordre de le faire... Il faut donc transformer un octet «CLOCK» en octet «START» lorsqu'on appuie la première fois sur la pédale, puis émettre périodiquement des octets «CLOCK», et enfin transformer un octet «CLOCK» en octet «STOP» lorsqu'on appuie à nouveau sur la pédale.

13 Comment transformer un octet «CLOCK» en octet «START» ou «STOP»? Comparons les 3 octets qui doivent être émis par la pédale... Heureusement, ils se ressemblent beaucoup! Start: Clock: Stop: Il est possible de passer de l'octet émis en permanence «CLOCK» à l'un des deux autres «DEMARRAGE» ou «ARRET» en transformant soit un bit, soit un couple de bits initialement à «1» en bit «0». Nous avons conçu un montage permettant de réaliser cela... C2 P1 R1 R2 P2 C1 En appuyant sur la pédale, on ferme un interrupteur qui relie les entrées d'une porte «non-et» P1 (initialement maintenues au niveau «0» par la résistance R1) à +5V... Mais la fermeture est rarement franche et passe souvent par une succession d'ouvertures et de fermetures brèves avant de se stabiliser. On place donc un condensateur C1 aux bornes de la résistance R1 pour limiter ces variations de tension, ce qui permet à la sortie de la porte P1 de passer brutalement et franchement de +5V à 0V lors de la fermeture de l'interrupteur. Le condensateur C2 était initialement déchargé puisque ses deux armatures étaient au même potentiel +5V. Lors du basculement rapide de la porte P1, la tension aux bornes de C2 n'a pas le temps de varier et reste donc nulle tandis que son armature de gauche passe au potentiel 0V. Il en est donc de même pour son armature de droite reliée aux entrées de la porte P2 qui bascule ainsi au même instant: sa sortie passe à +5V. Le condensateur C2 qui a son armature de gauche à 0V et celle de droite reliée à +5V par l'intermédiaire de la résistance R2 se charge à travers celle-ci. La tension à ses bornes augmente progressivement jusqu'à atteindre le seuil de basculement de la porte P2 (environ 2,5V). On obtient ainsi à la sortie de P2 une impulsion positive dont la durée est fixée par la constante de temps R2C2 des composants utilisés. La durée de cette impulsion est choisie assez longue pour être sûr que l'octet «START» soit émis au moins une fois, mais pas trop longue car tant que l'octet «START» ne s'est pas retransformé en octet «CLOCK» le séquenceur ne démarre pas.

14 Cette impulsion est émise dès que le musicien appuie sur la pédale et sa durée est indépendante du temps pendant lequel la pédale reste actionnée. Cette impulsion positive est émise chaque fois que le musicien appuie sur la pédale. Mais cela doit déclencher alternativement la mise en marche ou l'arrêt du séquenceur. Il faut donc trouver un système qui compte le nombre d'appuis sur la pédale: impair ça démarre, pair ça s'arrête! Il suffit d'envoyer ces impulsions sur un diviseur par 2 comme ceux utilisés dans les compteurs: la sortie du diviseur change d'état chaque fois que sa tension d'entrée passe de 0V à 5V (front montant). Donc au premier appui, la sortie du diviseur passe à «1» et à l'appui suivant elle passe à «0», et ainsi de suite. En utilisant enfin trois autres portes «non et», on obtient à leur sortie les tensions espérées: leurs sorties sont normalement à «1» et passent brièvement à «0» et à tour de rôle lorsqu'on appuie sur la pédale. En rajoutant ce circuit au montage précédent, nous obtenons enfin un dispositif capable d'émettre comme nous le souhaitions des octets «CLOCK» de façon périodique pour faire avancer le séquenceur, qui se transforment brièvement et alternativement en octets «START» ou «STOP» à chaque appui sur la pédale. Résistance Résistance ajustable ajustable permettant permettant de de faire faire varier varier le le tempo tempo du du séquenceur séquenceur Conclusion: Il n'existe pas dans le commerce de pédale de ce type, simple et bon marché (environ 20 de composants). On peut seulement trouver des pédaliers MIDI à plusieurs pédales, encombrants et chers(200à 300 ) et qui ne sont pas prévus pour faire varier le tempo de la boite à rythme. Ceci est intéressant pour travailler des morceaux au ralenti. Nous envisageons de commercialiser cette pédale, en kit ou montée, pour financer d'autres projets. De plus amples informations sont sur notre site:

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