Handleiding montage hoofdprint BIGMIDI-1 WWW.GINO-MIDI.NL Handleiding voor het bouwen van de GINO-MIDI INTERFACE BIGMIDI versie 1 Disclaimer Indien je overgaat tot het nabouwen van schakelingen die op de website en in deze handleiding worden gepresenteerd wens ik je veel succes. Voor eventuele schade die ontstaat bij het bouwen en gebruik van deze schakelingen ben ik niet aansprakelijk. ONDERDELENLIJST Hoofdprint BIGMIDI-1 Halfgeleiders IC1 74HCT138 (8 to 1 address decoder IC) IC2 ATMEGA8535 (Pre-programmed GINO-Core IC) IC3 7805T (voltage regulator) 1A (Vin=max 9V) IC4 74HCT04 - Hex Inverter Weerstanden R1 470 ohm ¼ watt R2 150 ohm ¼ watt R3 Nvt R4 Nvt R5 220 ohm ¼ watt R6 220 ohm ¼ watt RN1 Resistor network, 8 x 22K , common out (¼ watt) Condensatoren C1 100nF (ceramic or disc) C2 100nF (ceramic or disc) C3 100nF (ceramic or disc) C4 100nF (ceramic or disc) C5 100uF/25v (Electrolytic or tantalum) C6 100nF (ceramic or disc) C7 22uF/16v (Electrolytic or tantalum) C8 33pF (ceramic or disc) C9 33pF (ceramic or disc) Kristal Q1 X-tal 4 Mhz Diode's D1 1N4001 of 1N4002 (Voltage rectifier diode) LED1 Standard green led Diverse onderdelen 1 IC socket (40 pin) for the ATMEGA8535 processor 1 IC socket 16 pin for the 74HCT138 1 IC socket 14 pin for the 74HCT04 1 20 Pin Shrouded Male Headers 1 14 Pin Shrouded Male Headers 1 10 Pin .100" Polarized Header Connector 1 entree voor voeding 1 DIN 5 Pin Right Angle PCB Mount Socket 1 Koellichaam 4 Afstandsbusjes 4 Parkers 1 Geïsoleerd montagedraad voor doorverbindingen 1 PCB GINO 31012011-1
Pagina 1 van 7
Handleiding montage hoofdprint BIGMIDI-1 WWW.GINO-MIDI.NL Inleiding De BIGMIDI-1 is de grotere broer van de (eerste) GINO-MIDI interface, nu de Small-Midi genoemd, en is ontworpen om de speeltafel van een orgel uit te rusten met een midi uitgang. Via een midi uitgang is het mogelijk om een expander of een personal computer aan te sturen en te bespelen. Zeker de laatste toepassing biedt tegenwoordig veel mogelijkheden om een echt digitaal orgel op de personal computer mogelijk te maken. Op het Internet kan men toepassingen downloaden waarmee men een virtueel orgel op de personal computer kan bouwen. Voorbeelden zijn onder andere jOrgan van Sven Meier en Grand Orgue. Beiden freeware software. Daarnaast noemen we Hauptwerk. Deze software is niet gratis, maar heeft wel een demo versie. De configuratie van de BIGMIDI-1 bestaat uit maximaal acht poorten van ieder 64 schakelaars te verdelen naar wens over vijf 5 octaafs-klavieren, een groot pedaal en twee registerpanelen van ieder 64 registers. Daarnaast is het mogelijk om voor zes klavieren een volume regeling te gebruiken en kan men diverse parameters wijzigen en opslaan in het vaste geheugen van de microcontroller. Door middel van een drietal functie knoppen en een LCD scherm kan men deze parameters wijzigen. Tevens is er LED die elk “MIDI-event” aangeeft. De schakeling Het hart van de BIGMIDI-1 bestaat uit de schakeling rondom de microcontroller ATMEGA8535. De microcontroller leest toetsaanslagen in, gaat daarmee aan de slag en vertaalt deze naar midi codes. Het schema rond deze microcontroller vindt u in het bestand met de titel SchemaHoofdprint.pdf. Dit schema laat de voeding zien, de schakeling rond de microcontroller en de midi-uitgang. De klavieren en het registerpaneel worden door middel van een flatcable op deze schakeling aangesloten, via de IDC connector X1. Deze flatcable noem ik in deze handleiding de GINO-BUS. Q1 en de twee condensatoren C8 en C9 verzorgen een constant clocksignaal van 4 MHz. Op de TXD uitgang van de microcontroller PD1 komt het midi signaal en wordt door IC4 geïnverteerd. IC1 is een adres decoder die bepaalt welk van de acht poorten (lees klavieren en registerpanelen) uitgelezen worden. De voeding bestaat uit een 78T05. Dit is een 5 volt voltage regulator die maximaal 1000 mA kan leveren. De aan te sluiten voedingsspanning mag niet meer bedragen dan 12 volt gelijkspanning. Liefst wat lager, 9 volt voldoet ook uitstekend. Veel adapters geven een veel hogere spanning af zodat bij een belasting de uiteindelijk opgegeven spanning wel wordt afgegeven. De BIGMIDI-1 gebruikt maar heel weinig stroom; niet meer dan 90 mA. De adapter wordt in de meeste gevallen dan ook niet ten volle belast, zodat de spanning hoog blijft. Dit kan wat warmte ontwikkeling geven in de 78T05. Dus kiest bewust een adapter die onbelast gemeten niet hoger gaat dan 12 volt gelijkspanning. Let wel op de polariteit!! Het programma van de ATMEGA8535 leest in een heel snel tempo de stand van de toetscontacten van de klavieren en het registerpanelen. Deze data wordt in het geheugen van de microcontroller opgeslagen en omgezet in midi data. In het oorspronkelijke ontwerp ga ik bij de klavieren en het registerpanelen uit van een diode matrix. Deze diode matrix maakt een verdeling van de toetscontacten in groepen van 8 toetsen. Dus voor een vijf octaaf klavier heb je 8 matrixdelen van 8 toetsen nodig. In totaal kunnen we dan 64 toetsen uitlezen. Ruim voldoende, want een 5 octaafs-klavier heeft een omvang van 61 toetsen. Alvorens een diode matrix uitgelezen kan worden moeten we eerst nog een decoder schakeling tussen de ATMEGA8535 en de diode matrix plaatsen. Deze decoder wordt door de ATMEGA8535 en IC1 aangestuurd en geeft per cyclus 8 pulsen af. Bij elke puls leest de AT een deel van de diode matrix in. Om de bedrading vanaf de hoofdprint naar de klavieren en registerpanelen tot een minimum terug te brengen zijn de decoderprintjes bij de klavieren en hun matrix ondergebracht en worden de hoofdprint en de decoderprintjes met elkaar verbonden door de GINO-BUS.
Pagina 2 van 7
Handleiding montage hoofdprint BIGMIDI-1 WWW.GINO-MIDI.NL Montage. De print is zodanig ontworpen dat we kunnen volstaan met een enkelzijdige print. Dit heeft als consequentie dat we eerst wat doorverbindingen moeten maken. In totaal gaat het om 8 doorverbindingen. Zorg dat deze doorverbindingen op maat zijn gestript en dat ze plat en strak tegen het printoppervlak liggen. Vervolgens gaan we de weerstanden, de diode 1N4002 en de IC voetjes aanbrengen. Let bij de IC voetjes op de markering van pen 1, en bij de diode op het kathode teken. Er wordt ook een weerstandsnetwerk gebruikt, dat is RN1. Ook hier even opletten welke pen de gemeenschappelijke is. Dan komen de condensatoren en elektrolytische condensatoren (elco’s) aan de beurt. Let bij de elco’s op de polariteit. Het kristal en de LED zijn de laatste van de componenten. De LED heeft ook een polariteit. Dan wordt het voltage regulator gemonteerd. Deze wordt eerst voorzien van het opsteek-koellichaam. De 78T05 kunt u in het koellichaam schuiven, zodat u een element krijgt met 4 pootjes. Een en ander correspondeert ook met de print. Het koellichaam is voorzien van een soldeerbare lip. De connectoren. Bij het ontwerp van de BIGMIDI-1 is uitgegaan van de gedachte dat deze print ergens in de speeltafel wordt gemonteerd, en dat de aansluitingen van de voeding en volume regelaars aan de buitenkant van de orgelkast gemonteerd worden. Daarom heeft het geen zin om een voeding entree dan wel potentiometers direct op de print te monteren. Polarized headers J1, J2, J3, J4, J5, J6 Daarom wordt voor de potentiometers(J1…6) gebruik gemaakt van zogenaamde polarized headers. Daarbij is wel enig geduld en precisie nodig. De male headers van deze polarized headers kunt u direct aanbrengen op de print. Zie ook het montage schema voor de juiste richting. Bij het monteren van deze headers moet u erop letten dat ze tijdens het solderen wel in de print blijven steken. De geboorde gaten in de printkaart zijn iets te ruim. Bepaal nu eerst de lengte tussen de plaats van de hoofdprint en de plaats waar u de potentiometers in de orgelkast wilt aanbrengen. Het female gedeelte van dit soort connectors bestaat uit een lege plastic huls en naar gelang het aantal openingen een aantal krimp pinnen. Het is bedoeling dat we nu soepel montagedraad vastklemmen aan deze krimp pinnen. Gebruik hiervoor soepel montagedraad met een buitendiameter van ø 1,2mm. In de regel is dit montagedraad opgebouwd uit 18 kernen van 0,1 mm. Strip het montagedraad voor 3 mm af, en draad de kern in elkaar. Plaats het uiteinde van het gestripte montagedraad zodanig in de krimp pin dat de isolatie mantel van het draad zich ter hoogte van de grote lippen bevindt en het gestripte deel zich ter hoogte van de kleine lippen bevindt. Buig nu eerst één van de grote lippen om en vervolgens de tweede grote lip. De mantel zit nu vast in de krimp pin. Vervolgens buigt u eerst één van de kleine lippen om en klemt alvast het gestripte deel vast en vervolgt u met het ombuigen van de tweede kleine lip. De krimp pinnen met het aangeklemde montagedraad worden nu in de lege huls van de female connector geschoven, zodanig dat de vergrendeling van de krimp pin zich vastzet in de opening aan de voorkant van de huls van de female connector. Gebruik eventueel een dun pincet om de krimp pin ver genoeg in de huls te drukken. Let erop dat u bij het los nemen van deze polarized headers altijd de huls van het female deel vastpakt, en niet aan de draden gaat trekken om de connector los te nemen. Aansluiten potentiometers De potentiometers die we gebruiken om het volume van de 6 kanalen te regelen dienen een waarde te hebben van 100K lineair, en zij worden aangesloten op de polarized headers J1 t/m J6. Het zal niet vaak voorkomen dat alle 6 kanalen van een potentiometer voorzien worden. Indien u geen potentiometer aansluit staat het volume van het betreffende kanaal op maximaal en hoeft u geen aansluiting of doorverbinding te maken. Let op: de loper van de potentiometer wordt aangesloten op pen 1 van de polarized header, de hoogste volume stand op pen 2 (+5v) en de laagste volume stand op pen 3 (=GND).
Pagina 3 van 7
Handleiding montage hoofdprint BIGMIDI-1 WWW.GINO-MIDI.NL Het volume wordt geregeld van 0 tot 127 of in hexadecimaal van 00H tot 7FH met een interval van 2 stappen. Dit is gedaan omdat bij twijfel tussen bijvoorbeeld 10 en 11 (0AH en 0BH) er steeds een midi signaal wordt uitgezonden. (J7 wordt niet gebruikt. Dit is een aansluiting die mogelijk voor aanpassing van de software in de toekomst gebruikt kan worden. De mogelijkheid bestaat dat de microcontroller van nieuwe software voorzien kan worden door middel van deze connector aansluiting en een dongle in de printerpoort van uw computer. Dit noemen we wel In System Programming) Voeding X2 Voor de voeding gebruiken we een printkroonsteentje. Geef een markering aan wat de + en de – van deze aansluiting is. IDC connectoren X1, X3 Voor de aansluiting van de GINO BUS en de aansluiting van de LCD Switch print maken we gebruik van IDC connectors. Op de hoofdprint worden nu de male headers gemonteerd. Let goed op de nummering van pen 1 die is aangegeven op het montage schema. Deze komt over een met een kleine driehoek op de male header. Voor de GINO BUS gebruiken we de 20 polige header en voor de LCD Switch print gebruiken we de 14 polige header. Het voordeel van de IDC connectors is dat ze stevig zijn en dat het female deel altijd op de juiste manier in de male header gestoken wordt. De printtekening is ook nog geschikt voor de GINO BUS oude stijl waarbij gebruik werd gemaakt van DIL flatcable connectors. Daarover leest u verder in deze handleiding. Poortnummers. Over midi codes en alle bijzonderheden op dat gebied kunt u op Internet heel veel gegevens vinden. Daar gaan we in deze handleiding niet verder op in. Wel gaan we in dit artikel in op het gebruik van de poortnummers. De BIGMIDI-1 kent 8 poortnummers die we met de jumpers kunnen selecteren. Dat zijn de poorten genummerd 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 en 8 Poort 1 wordt gebruikt voor de eerste set van 64 registerschakelaars Poort 2 wordt gebruikt voor bijvoorbeeld het hoofdklavier Poort 3 wordt gebruikt voor bijvoorbeeld het tweede klavier Poort 4 wordt gebruikt voor bijvoorbeeld het pedaal Poort 5 wordt gebruikt voor een tweede set van 64 registerschakelaars Poort 6 wordt gebruikt voor bijvoorbeeld het derde klavier Poort 7 wordt gebruikt voor bijvoorbeeld het vierde klavier Poort 8 wordt gebruikt voor bijvoorbeeld het vijfde klavier De poorten 2, 3, 4 en 6, 7, 8 kunt u naar believen door elkaar gebruiken, maar de poorten 1 en 5 zijn en blijven gereserveerd voor de registerschakelaars. Zodoende kan men via de kleineoorverbindingen of jumpers bij de decoders van iedere matrix het gewenste poortnummer selecteren. Door middel van de software kunnen we voor iedere poort het gewenste midi kanaalnummer instellen. Diode matrix In het voorgestelde schema ziet u dat we uitgaan van een diode matrix om de toetsen en registerschakelaars uit te lezen. Een diode matrix wordt aangestuurd door een decoder schakeling. Deze decoder schakeling krijgt op zijn beurt weer van de Hoofdprint signalen om het juiste matrix deel te activeren. Het nadeel van een diode matrix is dat we de toetscontacten moeten indelen in groepen van 8 toetsen. De toetscontact-rail kan dus niet uit één stuk bestaan, maar moet worden opgedeeld in 8 korte stukken. Het voordeel is, dat we slechts per toets een diode nodig hebben en deze diodes (=1n4148) zijn vrij goedkoop. Een alternatief is gebruik te maken van octal buffer/line drivers, bijvoorbeeld de 74HCT541. Daarbij is ook nog per groep van 8 toetsen een weerstanden-netwerkje en voor elke toets ook weer een diode nodig. Deze methode is vooral van belang als men de huidige elektronica van het orgel wil behouden. Daarbij moet men wel letten op de spanning die voor de toetscontacten gebruikt wordt. Ook bij deze wijze van uitlezen is een decoder schakeling nodig.
Pagina 4 van 7
Handleiding montage hoofdprint BIGMIDI-1 WWW.GINO-MIDI.NL Stroomverbruik. De schakeling gebruikt een stroom van 90 mA inclusief de LCD switch print. De meeste stroom wordt verbruikt door het BackLight van het LCD schermpje. Als de decoderschakelingen met 74HCT138 met matrix voor het klavieren en/of pedaal en de registerschakelaar matrix is aangehangen stijgt het stroomverbruik niet. Deze HCT type trekken bijna geen stroom. Het uittesten. De schakeling is zonder het gebruik van een klavier e.d. al uit te testen. Eerst gaan we eens kijken of de voedingsspanning aanwezig is. Plaats daartoe nog geen IC’s in de voetjes. Kijk goed naar de plus en min van de aansluiting. Voor de voedingsspanning kan men gebruik maken van een adapter die een spanning afgeeft van 8 tot 12 volt DC. Let op, de spanning van 12 volt mag niet overschreden worden. In onbelaste staat wordt de 12 volt al gauw 15 volt, en omdat deze schakeling nagenoeg geen stroom trekt, zal deze voedingsspanning niet lager worden door de belasting. Let ook goed op de polariteit van de adapter. Het midden pinnetje is de plus, en de ronde buitenkant is de min. Let op. Gebruik voor het aan en uitschakelen van deze schakeling altijd een nette aan en uit schakelaar. Stop niet zomaar de adapter zonder tussenkomst van een aan en uitschakelaar in het stopcontact. Meet vervolgens de voedingsspanning op bijvoorbeeld pen 16 van het IC voetje van IC1. Daar moet 5 volt op staan. Als dat niet het geval is loop de schakeling dan nog eens goed door. Is IC3, de voltage regulator wel goed aangesloten? Dit zijn soms van die gemakkelijke fouten. Als de voedingsspanning goed is kunt u IC1, IC2 en IC4 in de voetjes steken. Let op de richting van de IC’s. Verbindt vervolgens de midi out met de PC of met een midi instrument. Schakel vervolgens de spanning in. Er zal ogenschijnlijk nog niets gebeuren, want we hebben immers nog geen decoders en diode matrixen aangesloten. Toch zendt de schakeling al een midi signaal uit. Namelijk de codes voor All-Notes-Off. Daarover later meer. We gaan nu een klavier simuleren. Maak een kortsluiting tussen bijvoorbeeld pen X1-6 en pen X1-17 van de GINO-BUS (IDC connector). Of, als u gebruik maakt van de oude flatcable connectoren van de eerste Gino-Midi Interface, een kortsluiting tussen pen 8 en 19 van de GINO-BUS (Flatcable connector) U zult nu enige reactie moeten horen van uw midi apparaat. We simuleren dat we nu van iedere matrix de eerste toets hebben ingedrukt. Dat zijn heel wat tonen die we met ons gehoor niet kunnen onderscheiden, maar het is wel even een manier om te constateren dat het hart van de midi interface werkt. Als u een midi monitor programma op de computer tot uw beschikking heeft kunt u een en ander volgen. Krijgt u geen reactie, dan is het zaak de schakeling nog eens goed door te lopen. U kunt ook kijken of het eerste midi signaal (All-Notes-Off) wordt uitgezonden. Voor ieder van de 16 kanalen wordt deze code verstuurd en kan gevolgd worden op een midi monitor. Onderstaand een link waar u een midi monitor kan downloaden. www.midi-ox.com Het is heel handig om dit soort software op de PC te hebben. Op het Internet zijn veel toepassingen te vinden. Gaat u maar eens op zoek.
Pagina 5 van 7
Handleiding montage hoofdprint BIGMIDI-1 WWW.GINO-MIDI.NL GINO-Bus De GINO-Bus verbindt alle decoderschakelingen met de hoofdprint. Onderstaand een specificatie van deze bus. Bij de eerste GINO-MIDI interface werd gebruik gemaakt van flatcable connectors. Deze connectors zijn wat fragiel, vooral als men ze regelmatig in en uit de schakeling moet halen. Vooral voor de zelfbouwer is het van belang dat een en ander robuust is uitgevoerd. Daarnaast zijn deze connectors niet zo makkelijk verkrijgbaar en ook duur. Daarom is het ontwerp van de BIGMIDI zodanig aangepast dat we standaard uitgaan van IDC connectors, maar is de print nog wel geschikt voor het gebruik van de flatcable connectors. Pennr IDC connector
X1-20 X1-18 X1-16 X1-14 X1-12 X1-10 X1-8 X1-6 X1-4 X1-2 X1-1 X1-3 X1-5 X1-7 X1-9 X1-11 X1-13 X1-15 X1-17 X1-19
Pennr. Flatcable connector 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Naam
Omschrijving
POORT 1 POORT 2 POORT 3 POORT 4 POORT 5 POORT 6 POORT 7 A2 A1 A0 GND D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 + 5 VOLT
Signaal Signaal Signaal Signaal Signaal Signaal Signaal Adres 2 voor decoders Adres 1 voor decoders Adres 0 voor decoders Massa Data 7 Data 6 Data 5 Data 4 Data 3 Data 2 Data 1 Data 0 Voeding + 5 volt
Poort 8 De oplettende lezer zal zien dat de aansluiting van de 8ste matrix (poort 8) niet in de GINO BUS is opgenomen. Dat klopt: om comptabiliteit met de oude GINO BUS te bewaren is deze (meestal overbodige) aansluiting niet in de GINO BUS opgenomen. Mocht deze poort toch gebruikt worden dan dient men een losse verbinding aan te leggen tussen punt TP1 en TP9 van een decoderprint. Tenslotte Ik heb getracht in deze handleiding zoveel mogelijk zaken te behandelen. Mocht u op- en aanmerkingen hebben, dan hoor ik dat graag. Zodoende kunnen ook andere gebruikers daaraan hun voordeel doen. Veel succes met de bouw van de BIGMIDI-1 Interface. © 2011 Nico Goes, Zeist
Pagina 6 van 7
Handleiding montage hoofdprint BIGMIDI-1 WWW.GINO-MIDI.NL Montageschema
Electronisch schema
Pagina 7 van 7
