VYSOKÁ ŠKOLA POLYTECHNICKÁ JIHLAVA Katedra elektrotechniky a informatiky Obor Počítačové systémy

VYSOKÁ ŠKOLA POLYTECHNICKÁ JIHLAVA Katedra elektrotechniky a informatiky Obor Počítačové systémy

M I D I k o n t ro l é r j a k o z a ř í z e n í k e m u l a c i d e c h o v é h o h u d e b n í h o n á s t ro j e bakalářská práce

Autor: Pavel Pelech Vedoucí práce: Ing. Bc. Michal Vopálenský, Ph.D. Jihlava 2014

ZADÁNÍ BAKALÁŘSKÉ PRÁCE

Autor práce: Studijní program: Obor: Název práce: Cíl práce:

Pavel Pelech Elektrotechnika a informatika Počítačové systémy MIDI kontrolér jako zařízení k emulaci dechového hudebního nástroje Vytvořte elektronický emulátor / MIDI kontrolér dechového hudebního nástroje. Ovládání kontroléru je realizováno pomocí snímače tlaku v plynech a sady kontaktních snímačů. Data ze snímačů jsou průběžně zpracována mikrokontrolérem a jako MIDI zprávy zasílána na standardní MIDI výstup. Součástí práce je volba vhodného snímače tlaku v plynech, výroba mechanické části zařízení, navržení desky plošných spojů a uvedení zařízení do provozu.

Ing. Bc. Michal Vopálenský, Ph.D. vedoucí bakalářské práce

Ing. Bc. Michal Vopálenský, Ph.D. vedoucí katedry Katedra elektrotechniky a informatiky

Abstrakt Účelem této práce je popis konstrukce jednoduchého MIDI dechového kontroléru opatřeného standardním MIDI výstupem. Obsahuje návrh a realizaci elektrického zapojení, programového vybavení a mechanické konstrukce zařízení.

Klíčová slova Hudba, MIDI, kontrolér, PIC16F690, snímač tlaku, snímání dotyku, kapacitní

Abstract The purpose of this thesis is a description of construction of a simple MIDI breath controller equipped with the standard MIDI output. It contains a design of electronic circuit, a firmware description, and a design for the controller’s body.

Keywords Music, MIDI, controller, PIC16F690, pressure sensor, touch sensing, capacitive

[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27]

Prohlašuji, že předložená bakalářská práce je původní a zpracoval jsem ji samostatně. Prohlašuji, že citace použitých pramenů je úplná, že jsem v práci neporušil autorská práva (ve smyslu zákona č. 121/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně některých zákonů, v platném znění, dále též „AZ“). Souhlasím s umístěním bakalářské práce v knihovně VŠPJ a s jejím užitím k výuce nebo k vlastní vnitřní potřebě VŠPJ. Byl jsem seznámen s tím, že na mou bakalářskou práci se plně vztahuje AZ, zejména § 60 (školní dílo). Beru na vědomí, že VŠPJ má právo na uzavření licenční smlouvy o užití mé bakalářské práce a prohlašuji, že s o u h l a s í m s případným užitím mé bakalářské práce (prodej, zapůjčení apod.). Jsem si vědom toho, že užít své bakalářské práce či poskytnout licenci k jejímu využití mohu jen se souhlasem VŠPJ, která má právo ode mne požadovat přiměřený příspěvek na úhradu nákladů, vynaložených vysokou školou na vytvoření díla (až do jejich skutečné výše), z výdělku dosaženého v souvislosti s užitím díla či poskytnutí licence. V Jihlavě dne 6. ledna 2014

............................................... Podpis

Poděkování Na tomto místě bych rád poděkoval svému vedoucímu práce Ing. Bc. Michalovi Vopálenskému, Ph.D. za schválení tématu a možnost pracovat pod jeho vedením.

Obsah 1

Úvod .......................................................................................................................... 7

2

Snímací prvky kontroléru .......................................................................................... 9 2.1

2.1.1

Měření rychlosti proudění plynu mechanickou metodou ........................... 9

2.1.2

Měření rychlosti proudění plynu ochlazovací metodou ............................. 9

2.1.3

Měření rychlosti proudění plynu na principu měření tlaku ...................... 10

2.1.4

Měření tlaku vzduchu s pomocí piezoelektrického jevu .......................... 12

2.2

Mechanický kontakt .................................................................................. 14

2.2.2

Optický snímač ......................................................................................... 14

2.2.3

Indukčnostní snímač ................................................................................. 15

2.2.4

Kapacitní snímač....................................................................................... 16

Zpracování nasnímaných dat............................................................................ 17

Návrh a konstrukce vlastního MIDI kontroléru ...................................................... 18 3.1

Cíl konstrukce .................................................................................................. 18

3.2

MIDI protokol - základní informace ................................................................ 18

3.3

Návrh elektrického zapojení ............................................................................ 22

3.3.1

Napájení .................................................................................................... 23

3.3.2

Tlakový snímač ......................................................................................... 25

3.3.3

Hmatník .................................................................................................... 26

3.3.4

Mikrokontrolér .......................................................................................... 29

3.3.5

Program pro mikrokontrolér ..................................................................... 30

3.4

Návrh mechanické konstrukce ......................................................................... 32

3.4.1

Tělo kontroléru ......................................................................................... 32

3.4.2

Náustek ..................................................................................................... 33

3.4.3

Provedení kontaktů ................................................................................... 34

3.5 4

Snímání rozložení prstů na hmatníku ............................................................... 14

2.2.1

2.3 3

Měření rychlosti proudícího vzduchu ................................................................ 9

Ovládání kontroléru ......................................................................................... 36

Závěr ........................................................................................................................ 38

Seznam použité literatury ............................................................................................... 40 Seznam obrázků .............................................................................................................. 43 Seznam tabulek ............................................................................................................... 43 Seznam použitých zkratek .............................................................................................. 44 Přílohy............................................................................................................................. 45 1

Návrh elektrického zapojení .................................................................................... 45

2

Obsah přiloženého CD ............................................................................................ 45

1 Úvod Rozvoj elektroniky a výpočetní techniky a její pronikání do mnoha oblastí lidské činnosti se nevyhnul ani oblasti hudby, kde se elektronika začíná objevovat někdy v polovině minulého století v podobě zpočátku analogových a později číslicových zařízení. V osmdesátých letech minulého století, kdy se začínají objevovat hudební zařízení schopná vzájemné komunikace, ať již se jedná o různé hudební nástroje nebo o efektová zařízení, vzniká potřeba sjednotit způsob této vzájemné komunikace. Tak se na svět dostává první verze specifikace komunikačních pravidel pod názvem MIDI (Musical Instrument Digital Interface). MIDI specifikace je aktivitou sdružení výrobců hudebních nástrojů, kteří se poprvé k diskuzi na toto téma sešli v roce 1981 v americkém městě Anaheim na výstavě NAMM (National Association of Music Merchants) [17]. Vývoj, který pak následoval, vedl k uvedení verze 1.0 MIDI specifikace dne 5. 8. 1983. Specifikace MIDI se zabývá popisem jednotlivých vlastností hudební události, jakou je například výška a trvání tónu, který se má zahrát, a dále též pravidly pro přenos dat mezi hudebními zařízeními. Hudebním zařízením může být kontrolér, na který hraje hudebník, syntezátor, který „modeluje“ zvukový výstup na základě dat poskytnutých kontrolérem, nebo počítač, kde lze hudební data zpracovávat. MIDI ale není určen jen k popisu a přenosu hudebních dat. MIDI specifikace se kromě zvukových zařízení jako jsou digitální hudební nástroje (samplery, syntezátory, rytmery atd.), digitální efektové procesory, mixážní pulty, řídicí klaviatury a MIDI kontroléry zabývá i nezvukovými událostmi, jako je například ovládání záznamových zařízení a řízení světelných a jiných efektů během hudební produkce. Pokud se pokusíme aplikovat elektroniku na hudební nástroj a získat tak zařízení, které bude poskytovat data popisující aktivitu hudebníka, tedy kontrolér, bude pro svou jednoduchost patrně nejvhodnějším kandidátem klávesový nástroj. Zde není technicky obtížné snímat stav kdy je klávesa stisknuta a kdy uvolněna (například pomocí jednoduchých mechanických spínačů) a tento stav popsat a předat pomocí MIDI událostí. Není proto překvapivé, že byla MIDI komunikace primárně určena právě klávesovým kontrolérům. S rozvojem elektroniky bylo možné postupně přejít od prostých mechanických spínačů ke snímačům zachycujícím u každé jednotlivé klávesy další parametry, např. rychlost, s jakou byla klávesa stisknuta a uvolněna (tzv. 7

dynamická klaviatura), a do informace popisující hru hudebníka přidat další vlastnosti, jako je například dynamika hry na hudební nástroj, která činí hudební přednes jedinečným. Nemělo by smysl pouštět se do návrhu klávesového MIDI kontroléru, když se na trhu tyto výrobky vyskytují v hojné míře ať již v kategorii profesionálních zařízení renomovaných výrobců, či cenově dostupnějších modifikacích. Odlišná situace je však na poli dechových kontrolérů. I když se i tyto MIDI kontroléry vyrábějí, příkladem je výrobek EWI 4000s od společnosti Akai Professional, nebo WX5 od společnosti Yamaha (který však není určen pro evropský trh), není na trhu mnoho výrobců zabývajících se výrobou profesionálních zařízení. V kategorii nástrojů cenově dostupných pro začínajícího nebo amatérského hudebníka je situace velmi nepříznivá. Nástroj z této kategorie naposledy vyráběla společnost Casio pod označením DH-100 v 80. letech minulého století. Právě tato skutečnost vedla k myšlence navrhnout dechový MIDI kontrolér, který by na jedné straně umožňoval věrné zachycení hudebního vyjádření hráče, a na straně druhé byl vyrobitelný s minimálními náklady. Z důvodu zvýšení spolehlivosti kontroléru by mělo být maximum funkčnosti zařízení řešeno programovým vybavením kontroléru a tím omezeno množství mechanických i elektrických prvků na nejnutnější minimum.

8

2 Snímací prvky kontroléru 2.1 Měření rychlosti proudícího vzduchu Funkce dechového MIDI kontroléru je založena na interpretaci informace o vzduchu, který je vydechován hudebníkem do nástroje. Zatímco v klasickém hudebním nástroji vede proudící vzduch ke vzniku zvuku způsobem, který závisí na typu hudebního nástroje (flétna, klarinet, trubka, atd.), je v dechovém MIDI kontroléru třeba nejprve změřit některé fyzikální vlastnosti proudícího vzduchu a posléze je převést na spojitý elektrický signál, který je dále zpracován do datové podoby. K vyřešení tohoto úkolu lze přistupovat z několika směrů. Lze zjišťovat rychlost proudícího vzduchu, nebo jeho tlak. V klasickém dechovém hudebním nástroji má vliv na výsledný tón, tedy jeho výšku a barvu, kromě dvou uvedených veličin řada dalších parametrů jako jsou okolní teplota rozměry a materiál, ze kterého je nástroj vyroben. Těmito vlivy se zde však zabývat nebudu, neboť v případě MIDI kontroléru je výsledný zvuk určen způsobem syntézy v elektronickém zařízení, které je kontrolérem ovládáno. Na rozdíl od skutečného nástroje tedy tyto faktory nemají na výsledný zvuk významný vliv. S potřebou měření rychlosti proudícího vzduchu se setkáváme v různých oborech lidské činnosti, např. v meteorologii slouží k tomuto účelu zařízení na měření rychlosti větru (anemometr). Používá se několik metod měření. Dvě z nich, a sice metoda mechanická a ochlazovací, jsou dále uvedeny spolu s dalšími metodami měření rychlosti proudění plynu.

2.1.1 Měření rychlosti proudění plynu mechanickou metodou Při měření rychlosti větru mechanickou metodou dochází vlivem proudění vzduchu k roztočení nebo vychýlení mechanické konstrukce z její stabilní polohy. Vlastní rychlost proudění vzduchu pak získáme změřením rychlosti otáčení, případně změřením velikosti výchylky takové konstrukce.

2.1.2 Měření rychlosti proudění plynu ochlazovací metodou Ochlazovací, nebo také kalorimetrická, metoda je založena na tepelné výměně, kdy se na rychlost proudícího vzduchu usuzuje z míry ochlazení tělesa proudícím vzduchem. Těleso, kterým bývá nejčastěji odporový drát, je zahříváno procházejícím konstantním 9

elektrickým proudem na určitou teplotu, která je vyšší nežli teplota okolního vzduchu. Využívá se vlastnosti většiny elektricky vodivých materiálů, kterou je změna jejich elektrického odporu vyvolaná změnou jejich teploty. Volbou vhodného materiálu lze docílit maximální změny odporu v dané oblasti teplot. Změřením úbytku napětí vzniklého na odporovém drátu s procházejícím konstantním proudem pak získáme informaci o jeho teplotě, která je funkcí rychlosti proudícího vzduchu. Nevýhodou tohoto principu je jistá setrvačnost, daná fyzikálními vlastnostmi ochlazovaného materiálu.

2.1.3 Měření rychlosti proudění plynu na principu měření tlaku Níže popsaný způsob měření rychlosti vzduchu má původ v objevech tří významných osobností světa fyziky a matematiky, kterými jsou Henri Pitot, Daniel Bernoulli a Giovanni Battista Venturi. Pro bližší představu v jakém časovém období tyto osobnosti žily a kdy k významným objevům došlo, je uveden Obrázek 1. Venturiho efekt Giovanni Battista Venturi

Pitotova trubice

Henri Pitot

Bernoulliho rovnice Daniel Bernoulli

1680

1700

1720

1740

1760

1780

1800

1820

1840

Obrázek 1 - Objevy v oblasti hydrodynamiky

Následující část objasní základní principy týkající se proudících kapalin za předpokladu jejich nestlačitelnosti. Pro účely měření rychlosti proudících plynů lze těchto principů také využít, jen je třeba brát v potaz stlačitelnost plynů, kterou si zde dovolím s ohledem na nízké hodnoty tlaků zanedbat. V kapalině proudící zúženým místem trubice dochází ke snížení tlaku a zvýšení rychlosti proudění. Tento jev je znám jako Venturiho efekt a je v zásadě důsledkem 10

Bernouliho rovnice (1), která popisuje vztah mezi rychlostí v1, v2 a tlakem p1, p2 proudící kapaliny: (1)

kde ρ je konstantní hustota nestlačitelné kapaliny a indexy 1 a 2 označují místa v trubici s různou plochou průřezu. Na stejném principu pracuje i Pitotova trubice, která umožňuje měřit rychlost proudící kapaliny tak, že se porovnává tlak v trubici s okolním tlakem, který je pro účely měření považován za konstantní, a z rozdílu těchto dvou tlaků lze usuzovat na rychlost proudící kapaliny. Odvození vztahu (2) pro stanovení rychlosti v:

kde pd je dynamický tlak (uvnitř trubice), pt je totální (celkový) tlak, ps je statický tlak (okolí) a ρ je hustota kapaliny. Viz také Obrázek 2. √

(2)

Tento princip pro nestlačitelné kapaliny je za určitých podmínek aplikovatelný i na proudící plyny. Podmínkou je rychlost proudění menší než 0,3 Mach [25] (103,5 ms-1 při 22 °C). Praktickou aplikací je použití Pitotovy trubice pro měření rychlosti proudění vzduchu. V polovině 19. století francouzský vědec Henry Darcy adaptoval Pitotovu trubici právě za účelem měření rychlosti proudících plynů. Pitotova trubice je součástí leteckého rychloměru k indikaci rychlosti letu na palubě letadel viz Obrázek 2. Názornou ukázku jak změřit změnu tlaku vzduchu proudícího v trubici ilustruje Obrázek 3. Toto řešení využívá pružné membrány spojené s trubicí, kterou proudí vzduch [9]. Membrána je svým středem, kde je výchylka největší, připevněna k pohyblivé části raménka. Raménko je připevněno tak, aby se jeho druhý konec mohl volně pohybovat. Velikost výchylky tohoto volného konce se zvětšuje se zvyšujícím se tlakem vzduchu v trubici (opět je základem vztah mezi rychlostí proudícího média a jeho tlakem). Ke snímání polohy volného konce raménka je možné využít optoelektronického prvku. Volný konec raménka se spojí s pohyblivou clonou, která bude regulovat množství dopadajícího světla na optoelektronický snímač. 11

otvor statického tlaku

otvor celkového tlaku

ps pt ps

pt

ps

vnitřní objem rychloměru

mechanický převod ukazovací část

hermetické a tepelně izolační pouzdro přístroje

tlakoměrná krabice

Obrázek 2 - Jednoduchý letecký rychloměr [27]

raménko v klidu membrána vstup vzduchu

výchylka raménka vlivem tlaku vzduchu výstup vzduchu

Obrázek 3 - Měření tlaku pomocí výchylky membrány [9]

2.1.4 Měření tlaku vzduchu s pomocí piezoelektrického jevu Dnes existuje a také se často používá tlakový snímač založený na piezoelektrickém jevu (tento pojem pochází z řečtiny, kde piezein znamená mačkat, stlačovat a electron znamená jantar, u kterého byl v minulosti objeven vznik elektrického náboje vlivem tření - první zmínka pochází z 6. st. před n. l., kdy si Thales Milétský všiml jak jantar, který byl třen, některé drobné částečky hmoty přitahuje, zatímco jiné odpuzuje [10]). 12

Při piezoelektrickém jevu dochází u určitých krystalických látek v důsledku mechanického namáhání k deformaci jejich krystalů. Jedním ze zástupců těchto látek je monokrystalický křemen. Je-li tento krystal namáhán tlakem, který jej deformuje, vzniká uvnitř krystalu elektrický náboj. Současně při této deformaci také dochází ke změně měrného elektrického odporu krystalu. Opačného jevu, kdy se přiložením střídavého napětí k elektrodám krystalu způsobí jeho střídavá deformace, se dnes často využívá při konstrukci levných elektroakustických měničů zejména pro oblast použití v drobných elektronických zařízeních, jako jsou hodinky, budíky, pagery, hračky a podobně. Snímače tlaku na piezoelektrickém principu jsou používány např. ve zdravotnictví u přístrojů ke sledování životních funkcí pacientů, jak ilustruje Obrázek 4, kde je tlakový snímač součástí zařízení ke sledování krevního tlaku.

Obrázek 4 - Zařízení ke sledování krevního tlaku [7]

Pro zde navrhovaný MIDI kontrolér byl nakonec zvolen výše uvedený princip snímání tlaku pomocí piezoelektrického jevu.

13

2.2 Snímání rozložení prstů na hmatníku Další otázkou, kterou je třeba vyřešit při návrhu kontroléru, je jakým způsobem snímat hmatník, tedy vlastní polohu jednotlivých prstů, kterou je určována výsledná výška hudebního tónu. U klasické podoby dechového hudebního nástroje, jako je flétna a klarinet, hudebník prsty zakrývá otvory v těle nástroje přímo, nebo způsobí jejich zakrytí stiskem klapek, případně kombinací obou způsobů, což vede vždy k ovlivnění délky rezonančního sloupce a tím výsledné výšky tónu. V případě trubky jsou hudebníkem pomocí klapek ovládány ventily, které připojením alternativních okruhů opět ovlivní délku rezonančního sloupce a tím výšku výsledného tónu. Způsobů, jak řešit snímání ovládacího hmatníku, je hned několik.

2.2.1 Mechanický kontakt Řešení kontaktů pomocí mechanických spínačů je nejjednodušší, ale skrývá v sobě jistá úskalí. Již sama mechanická podstata spínače s sebou nese riziko selhání v případě aplikace nadměrné síly, z důvodu skryté materiálové vady či vlivem nepříznivých klimatických podmínek. Mezi další nevýhody patří omezená životnost mechanického kontaktu a nutná minimální síla k jeho sepnutí. Z uvedených důvodů bude lépe použít pro hmatník snímací prvky bez pohyblivých částí. Chceme-li při vyloučení pohyblivých prvků současně zachovat jednoduchost zařízení, pak je třeba nějak detekovat změnu na povrchu kontroléru při kontaktu s prsty hudebníka.

2.2.2 Optický snímač Při vhodném uspořádání lze k detekci využít elektronického prvku, jehož elektrické vlastnosti závisí na množství dopadajícího světla jako např. fotorezistor, fotodioda nebo prvek svou konstrukcí od těchto prvků odvozený. Následující Obrázek 5 ilustruje možné uspořádání optické soustavy snímače, který vychází z principu optické závory.

14

vysílač

V

P

přijímač

clona Obrázek 5 - Příklad provedení optického snímače

Vysílač poskytuje světelný paprsek, který je z důvodu omezení vlivu okolního osvětlení modulován. Při zakrytí otvoru prstem, dojde k odrazu paprsku z vysílače přes clonu do přijímače. Přijatý signál je následně vyhodnocen pomocí mikrokontroléru. Přidáním potřebného množství takovýchto optických snímačů se nám ovšem celá konstrukce poněkud komplikuje po elektrické i mechanické stránce.

2.2.3 Indukčnostní snímač Pro detekci přiblížení se především v průmyslu využívá indukčnostních snímačů [12] [11]. Jeden ze způsobů realizace takového snímače je indukčnostní snímač přiblížení založený na principu zatlumeného oscilátoru. Snímač je tvořen oscilátorem a paralelním rezonančním obvodem s cívkou navinutou na feritovém hrníčkovém jádru, a dále obvody, které signál z oscilátoru upraví do požadované podoby. Během činnosti je před čelem snímače vytvářeno střídavé elektromagnetické pole. Každý předmět z elektricky vodivého materiálu, který vstoupí do tohoto pole, způsobí jeho deformaci a zatlumení kmitů oscilátoru. Z důvodu omezení použití indukčnostního snímače pouze k detekci přiblížení předmětů z elektricky vodivého materiálu, není tento princip pro snímání našeho hmatníku příliš vhodný.

15

Objekt

Cívka

Výstup Oscilátor

Demodulátor

Komparátor

Zesilovač

Elektromagnetické pole

Obrázek 6 - Blokové schéma indukčnostního snímače přiblížení [20]

2.2.4 Kapacitní snímač Tento druh snímače lze využít k detekci přiblížení elektricky vodivých i nevodivých materiálů. Rozlišují se snímače kontaktní a bezkontaktní.

2.2.4.1 Bezkontaktní snímač Princip bezkontaktního snímání přiblížení je založen na detekci dielektrických vlastností materiálu v elektrickém poli snímače. Funkčně se podobá indukčnostnímu snímači přiblížení, ale zatímco objekt přibližující se k indukčnostnímu snímači ovlivňuje indukčnost v rezonančním obvodu snímače, u kapacitního snímače dochází k ovlivňování jeho kapacity. Během detekce blízkého objektu není oscilátor kapacitního snímače zatlumen, ale naopak začne kmitat.

Objekt

Snímací elektrody

Výstup Oscilátor

Demodulátor

Komparátor

Zesilovač

Elektrostatické pole

Obrázek 7 - Blokové schéma kapacitního snímače přiblížení [1]

16

Podobného principu se využívá také u dotykových klávesnic, kde nedochází k přímému kontaktu s elektrodou snímače, který bývá oddělen izolačním materiálem [19] [22].

2.2.4.2 Kontaktní snímač Při kontaktním snímání přiblížení je detekovaný objekt spojen s jednou z elektrod tvořících kondenzátor snímače. Takto lze detekovat veličiny, které mají vliv na kapacitu kondenzátoru, jako je účinná plocha elektrod, jejich vzdálenost a vlastnosti dielektrika oddělujícího elektrody. Pro realizaci MIDI kontroléru byla nakonec zvolena k detekci kontaktní snímací metoda. Varianta, kdy je kontakt oddělen izolační vrstvou od místa dotyku s prstem, nebyla použita z důvodu krátké vzdálenosti mezi sousedními kontakty [22], která je dána fyzickou stavbou lidské ruky a způsobem ovládání kontroléru a již by vedla ke vzájemnému ovlivňování sousedních kontaktů. Navíc je způsob ovládání našeho kontroléru odlišný od ovládání např. numerické klávesnice nebo ovládacího panelu elektrického zařízení. U těchto zařízení je zpravidla aktivní v daný okamžik pouze jeden ovládací prvek (ovládání jedním prstem), zatímco v našem případě bude ovládání probíhat, až na výjimky, několika prsty současně.

2.3 Zpracování nasnímaných dat Data získaná z tlakového snímače a hmatníku bude třeba zpracovávat v reálném čase a výsledek průběžně odesílat s minimálním zpožděním jako MIDI zprávy [21]. K tomuto účelu je pro svůj výpočetní výkon a přijatelnou cenu vhodný mikrokontrolér, vybavený analogově digitálním převodníkem (to pro případ, že tlakový snímač poskytuje analogový výstup) s možností měřit napětí na více než jednom vstupu (z důvodu volby kapacitního snímání hmatníku) a několika digitálními vstupy/výstupy, pro realizaci hmatníku, odesílání dat po sériové lince, indikaci stavu kontroléru a komunikaci s napěťovým měničem. Ve světě se v současnosti výrobou mikrokontrolérů zabývá více výrobců. Mezi nejznámější patří Atmel Corporation, Freescale Semiconductor, Inc. (dříve polovodičová divize společnosti Motorola), Microchip Technology Inc., Texas Instruments Inc. a další. Každý z výrobců má ve své nabídce širokou paletu typů. Najít optimální model, který splní požadavky svým výkonem i výbavou by tedy neměl být problém. 17

3 Návrh a konstrukce vlastního MIDI kontroléru 3.1 Cíl konstrukce Výsledný kontrolér by měl být rozměry a uspořádáním hmatníku co nejpodobnější zobcové flétně. Napájení bude zajištěno z baterií s co nejmenším odběrem proudu, což by mělo zachovat možnost v budoucnu nahradit MIDI kabel zařízením pro bezdrátový přenos. Je požadována nízká hmotnost a minimální výrobní náklady, dále je pro zapínání a vypínání vhodné vystačit s jedním mechanickým tlačítkem, ostatní ovládací prvky budou v podobě kapacitních snímačů dotyku. Signalizace stavu bude provedena pomocí LED a doplňkově také na znakovém LCD. K realizaci elektrické části bude vhodné celek rozdělit na několik desek plošných spojů (napájecí zdroj, řídicí část, hmatník, tlakový snímač a displej), aby se co nejlépe využil vnitřní prostor kontroléru. Je požadována jednoduchost obsluhy a bezpečnost použití - spojení s ovládaným zařízením je opticky odděleno, dle MIDI specifikace zajišťuje optické oddělení vstup MIDI IN na ovládaném zařízení.

3.2 MIDI protokol - základní informace Následující popis se zabývá těmi částmi MIDI komunikačního protokolu [21] [23] [5] , které budou potřeba k vysvětlení základní funkce kontroléru. Přenos dat mezi MIDI zařízeními se děje pomocí sériové komunikace přenosovou rychlostí 31250 Bd s tolerancí +/- 1%. Na začátku je odeslán 1 start bit, pak 8 datových bitů a na konci 1 stop bit. Z toho plyne doba 320 µs na jeden byte včetně start a stop

Start

0 0 0 0 0 0 0 1

1

0 0 0 0 1 0 0 1 0

0 1 2 3 4 5 6 7

1

0

0 0 0 0 0 0 1 0

Stop

Stop

0

0 1 2 3 4 5 6 7

Start

0 1 2 3 4 5 6 7

Stop

Start

bitů což činí 32 µs na jeden bit.

1

Obrázek 8 - Příklad sériové komunikace

Každé MIDI zařízení je možné ovládat pomocí až 128 různých ovladačů (Controllers). Pod pojmem ovladač je třeba chápat prostředek, kterým je určitý parametr ovládán. 18

Souhrn těchto parametrů určí výslednou událost, např. zvuk, je-li cílovým zařízením zvukový syntezátor. Příkladem takového ovladače je ovladač hlasitosti (Volume) nebo stereo ovladač (stereováha) pro umístění nástroje v prostoru (Pan). Ovladače lze hrubě nastavovat s rozlišením 7 bitů. U ovladačů s pořadovými čísly 0 až 31 je k dispozici jemné 14 bitové rozlišení a to tak, že k příslušnému ovladači je rezervován ovladač z řady pořadových čísel 32 až 63 pro jemné 7 bitové nastavení (oba ovladače spolu poskytnou 14 bitové rozlišení). Příkladem je ovladač Volume s pořadovým číslem 7, který je pro hrubé (Coarse) nastavení a k němu přísluší ovladač č. 39 (7+32) pro jemné (Fine) nastavení, který však nemusí být použit. Ovladače jsou řízeny pomocí MIDI zpráv zaslaných do zařízení. Všechny MIDI zprávy se skládají z jednoho nebo více 8 bitových bytů. Tyto zprávy mají na svém začátku stavový byte, který určuje, o jaký typ zprávy se jedná. Je to jediný byte, který má nejvyšší bit (MSB) stále nastavený na log 1 a tak je možné určit začátek nové zprávy. Stavovými byty (0x80 až 0xFF) jsou zahájeny zprávy, které mohou být vysílány na libovolném z 16 logických MIDI kanálů. Stavový byte je složen ze dvou půlbytů (nibblů). Horní polovina bytu (bity 7 až 4) určuje, o jaký typ zprávy se jedná a dolní polovina (bity 3 až 0) určuje, pro který kanál je daná zpráva určena.

Status Data 1 Data 2 (Note Off, 1. kanál) (Note Number = 0x48,c2) (Velocity = 0x40) 7 6 5 4 3 2 1 0 7 6 5 4 3 2 1 0 7 6 5 4 3 2 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 & 0 1 0 0 1 0 0 0 & 0 1 0 0 0 0 0 0 Typ: 0x8 - 0xF

Kanál: 0x0 - 0xF

Rozsah: 0x80 - 0xFF

Rozsah: 0x00 - 0x7F

Rozsah: 0x00 - 0x7F

Obrázek 9 - Příklad struktury MIDI zprávy

Příkladem může být zpráva Note Off (0x8), začínající bytem 0x80. Jedná se o zprávu, která ukončí hraní noty a je určena pro první kanál zařízení, zde je to 0x0.

19

Na tomto místě bude nutné malé odbočení, aby se předešlo nedorozumění. Dochází nám zde totiž k setkání dvou světů, a sice světa počítačů a světa hudby proto bude vhodné vysvětlení některých pojmů. Zatímco ve světě počítačů je zvykem označovat první prvek v řadě nulou v hudebním světě se první prvek označuje obvyklým způsobem, tedy jedničkou. Prakticky se tato situace projeví, začneme-li hovořit o čísle kanálu MIDI zařízení. Navenek (pro oči hudebníka) je značení pořadí kanálů v rozsahu 1 až 16 na rozdíl od reprezentace uvnitř zprávy, kde se značí 0 až 15, tedy 1. kanál je interně v datové komunikaci očíslován jako kanál č. 0). V tomto konkrétním případě následují za stavovým bytem ještě dva byty datové. První datový byte obsahuje číslo noty (Note Number), které se změna stavu týká. Toto číslo je z rozsahu 0 až 127. Pro bližší představu, jedná se zde o rozsah necelých 11 oktáv, které pokrývají kmitočty od 8,1758 Hz (sub-subkontra C) do 12543,875 Hz (šestičárkované G). Druhý datový byte obsahuje údaj o rychlosti (Velocity), jakou má být změna (zapnutí nebo vypnutí noty) provedena z rozsahu 0 (nejpomaleji) až 127 (nejrychleji). Interpretace tohoto parametru je ponechána na výrobci zařízení, které tyto zprávy zpracovává. Parametr Velocity může být také využit pro řízení dynamiky hudebního projevu (hlasitosti) a pak může být interpretován, jak ilustruje Tabulka 1.

Hudební význam:

piano pianissimo (ppp) nejslaběji

pianissimo (pp) velmi slabě

piano (p) slabě

64

(85)

(106)

127 forte fortissimo (ƒƒƒ) nejsilněji

(43)

fortissimo (ƒƒ) velmi silně

(22)

forte (ƒ) silně

1

mezzoforte (mƒ) polosilně

0

mezzopiano (mp) poloslabě

Hodnota:

Vypnuto (ticho)

Tabulka 1 - Nastavení dynamiky parametrem Velocity

20

Tabulka 2 - Stavové byty [21] [23] Stavový byte Hex Binárně

MIDI zpráva

Význam

Počet datových bytů

Channel Voice Messages (hlasové kanálové zprávy) 0x8n

1000nnnn

Note Off

nota vypnuta

2

0x9n

1001nnnn

Note On

nota zapnuta

2

0xAn

1010nnnn

Polyphonic Key Pressure / individuální tlaková Aftertouch citlivost

0xBn

1011nnnn

Control Change

změna kontroléru

2

0xCn

1100nnnn

Program Change

volba programu

1

0xDn

1101nnnn

Channel Pressure / Aftertouch

společná tlaková citlivost

1

0xEn

1110nnnn

Pitch Bend Change

ohýbání tónu

2

2

Channel Mode Messages (režimové kanálové zprávy) 0xBn

1011nnnn

Selects Channel

výběr kanálu

(01111xxx) +1

není omezeno

System Messages (systémové zprávy) 0xF0

11110000

System Exclusive

zvláštní systémová data

11110sss

System Common

běžná systémová data

System Real Time

systémová data reálného času

11111ttt

0 až 2 0

Poznámky k tabulce: n: číslo kanálu (1 až 16) -1 sss: 1 až 7 ttt: 0 až 7 xxx: režimové kanálové zprávy jsou zasílány pod stejným stavovým bytem jako zpráva o změně kontroléru (0xBn). Jsou odlišeny pomocí prvního datového bytu, který nabývá hodnot z rozsahu 121 až 127 pro režimové kanálové zprávy.

MIDI kontrolér, kterým se tento text zabývá, pracuje pouze s následujícími zprávami: Note On pro zapnutí noty, Note Off pro vypnutí noty, ovlivňuje ovladače Volume ke změně hlasitosti právě přehrávané noty, což umožňuje ovlivnit dynamiku hry, a Velocity k detekci rychlosti změny (náběh nebo dozvuk tónu).

21

Po zapnutí MIDI kontroléru proběhne jednorázově, v rámci inicializace, odeslání zprávy s příkazem pro vypnutí všech not zařízení ve tvaru 0xBX-0x7B-0x00. Stavový byte zde obsahuje informaci, že se bude měnit nastavení ovladače zařízení (Controller). To označuje horní půlbyte = 0xB. Změna proběhne na vybraném kanálu (ve výchozím nastavení je to kanál č. 1), dolní půlbyte = 0. První datový byte obsahuje číselné označení kontroléru z rozsahu 0 až 127, zde je to číslo 123, což je příkaz vypnout všechny noty All Notes Off. Druhý datový byte obsahuje hodnotu, na kterou má být kontrolér nastaven, zde je to 0. U MIDI kontrolérů je obvykle přítomen tak zvaný Panic Button, jehož jediným účelem je vypnutí všech zvuků. K dosažení tohoto cíle se odesílá již zmíněná sekvence All Notes Off. U našeho kontroléru se tato sekvence odesílá na MIDI výstup jednak po zapnutí a pak také při vypínání kontroléru. V případě nutnosti stačí jen kontrolér vypnout a příkaz k vypnutí všech not na aktuálním kanálu bude automaticky odeslán.

3.3 Návrh elektrického zapojení Dechový MIDI kontrolér zpracovává informaci o tlaku vdechovaného vzduchu a kombinaci z hmatníku. Kontrolér je vybaven jedním výstupem MIDI Out. Poskytuje pouze jednosměrnou sériovou komunikaci směrem k zařízení, které bude data dále zpracovávat (tím bývá zpravidla osobní počítač nebo elektronický syntezátor).

MIDI výstup výstup

Mikrokontrolér

Vzduch

Tlakový snímač opatřený zesilovačem

Hmatník

Displej

Napájecí zdroj

Obrázek 10 - Zjednodušené blokové schéma kontroléru

Celé zapojení je rozděleno do funkčních bloků, jak naznačuje Obrázek 10, které jsou realizovány na samostatných deskách plošných spojů. 22

3.3.1 Napájení Kontrolér je napájen z baterie, a to čtyřmi NiMH akumulátory o jmenovitém napětí 1,2 V (celkem 4,8 V) o rozměru AA (R06), případně čtyřmi suchými články 1,5 V (celkem 6 V). Teoreticky lze k napájení použít libovolný zdroj stejnosměrného napětí v rozsahu 1,8 V až 11 V, protože toto napětí je dále upraveno pomocí DC-DC měniče s obvodem MAX1672EEE [13] [14] na napětí o velikosti 5 V. Měnič má následující parametry: Uvst: 1,8 až 11 V; Uvýst: 1,25 až 5,5 V; Ivýst: 260 mA. Obvod MAX1672EEE umožňuje pomocí určité kombinace logických úrovní na svých vstupech ONA a ONB provádět zapínání a vypínání měniče a tím i celého kontroléru. Lze toho dosáhnout pomocí jediného zapínacího tlačítka např. typu mikrospínač. Dále poskytuje možnost sledovat vstupní napětí a podle jeho velikosti nastavit logickou hodnotu na svém výstupu PG0. V konstrukci je těchto vlastností využito a vypnutí z důvodu vybité baterie nebo po stisknutí zapínacího/vypínacího tlačítka řídí mikrokontrolér. Měnič je spojen s mikrokontrolérem třemi datovými vodiči. Signál PG0 poskytuje informaci o stavu baterie, ONB o stavu zapínacího tlačítka a pomocí signálu ONA řídí mikrokontrolér napájecí zdroj. Po stisku tlačítka se měnič zapne a dojde i ke startu mikrokontroléru. Během doby, kdy je tlačítko stisknuto, je první výstup z mikrokontroléru, který je spojen se vstupem ONA měniče, nastaven do logické úrovně 1, což přidrží měnič v zapnutém stavu. Zapnutí je indikováno rozsvícením indikační LED na dobu přibližně 1s. Mikrokontrolér dále sleduje stav vstupu ONB měniče, ke kterému je připojeno zapínací/vypínací tlačítko pomocí druhého vstupu. Dojde-li ke stisku tlačítka v době, kdy již měnič pracuje, je výstup z mikrokontroléru, který je spojen se vstupem ONA měniče, nastaven do logické 0. V okamžiku uvolnění tlačítka začne blikat indikační LED na kmitočtu 10 Hz po dobu 1 s a pak měnič zareaguje svým vypnutím. Třetí vstup mikrokontroléru je spojen s výstupem PG0 měniče a slouží k detekci nízkého napětí baterie. Jelikož se předpokládá použití NiMH akumulátorů jako napájecího zdroje pro kontrolér, je potřeba ochránit akumulátory před nadměrným vybitím. Dojde-li k poklesu napětí baterie pod úroveň 4 V, je výstup PG0 měniče nastaven do logické úrovně 1. Mezní úroveň napětí pro kontrolu stavu baterie je dána 23

napěťovým děličem připojeným ke vstupu PGI měniče. Výpočet hodnoty rezistorů děliče je určen následujícím vztahem (3) [13] ((

kde je za

)

)

(3)

zvolen rezistor o velikosti 120 kΩ (z rozmezí 100 kΩ až 270 kΩ,

doporučeného výrobcem měniče).

je minimální napětí baterie článků (1 V

na NiMH článek z důvodu ochrany akumulátorů před nadměrným vybitím vedoucím k jejich poškození) mínus úbytek napětí v propustném směru na ochranné diodě o velikosti 0,4 V celkem 3,6 V.

= 1,25 V [13] [18]. Dosazením těchto hodnot do

vztahu (3) získáme pro rezistor R3 velikost 225,6 kΩ. Z řady E192 hodnot vyráběných rezistorů je nejbližší hodnota 226 kΩ. Z důvodu větší dostupnosti těchto hodnot byla zvolena sériová kombinace rezistorů 220 kΩ a 5,6 kΩ. Účelem ochranné diody je zabránit poškození zařízení v důsledku nesprávně vložených baterií. Mikrokontrolér vyvolá oznámení stavu nízkého napětí baterie pomocí indikační LED (5x blikne, 2 s prodleva, 5x blikne, 2 s prodleva) a současně i zprávou na displeji a nakonec provede vypnutí zařízení nastavením výstupu z mikrokontroléru, který je spojen se vstupem ONA měniče, do logické 0. Ovládání měniče jedním tlačítkem má i svou negativní stránku a tou je malý avšak trvalý odběr proudu z baterií i ve vypnutém stavu. Odběry proudu z baterií pro různé stavy zařízení uvádí Tabulka 3. Tabulka 3 - Spotřeba kontroléru Stav kontroléru

Počet

Napětí

článků

baterie

vypnuto

zapnuto – v klidu

zapnuto – v činnosti

2

2,6 V

9,3 µA

18,8 mA

20,1 mA

4

5,3 V

21 µA

7,3 mA

8,2 mA

Praktickou realizaci zapojení měniče ukazuje Obrázek 11.

24

Obrázek 11 - Schéma zapojení měniče s MAX1672EEE [13]

3.3.2 Tlakový snímač Nejkritičtějším prvkem celého zařízení je tlakový snímač. Jeho správná volba má vliv na věrný převod hry do datové podoby. Pro měření změny tlaku proudícího vzduchu v trubici vzhledem k atmosférickému tlaku byl zvolen snímač pracující na piezoelektrickém jevu, přesněji změně měrného odporu krystalu při jeho deformaci. V současnosti jsou vyráběny tlakové snímače s analogovým i digitálním výstupem pro různé rozsahy měřeného tlaku s různou citlivostí a přesností. Snímače tohoto typu jsou dnes často využívány například v průmyslu a zdravotnictví. Proti volbě snímače s digitálním výstupem hovoří jeho cena. Proto byl zvolen snímač bez vnitřního analogově digitálního převodníku s tím, že převod obstará mikrokontrolér. Snímač tlaku pro MIDI kontrolér by měl mít takový rozsah, aby bezpečně pokryl rozmezí, ve kterém se pohybuje předpokládaný tlak vzduchu vydechnutého do hudebního nástroje, což je přibližně 0 až 6 kPa (0 až 0,87 psi). Jako vhodný snímač pro tento účel se jevil výrobek s označením SDX01G2 s rozsahem 0 až 7 kPa od společnosti Honeywell International Inc., nebo MPXM2010GS [6] s rozsahem 0 až 10 kPa od společnosti Freescale Semiconductor, Inc. Po experimentech s uvedenými snímači byl

25

však zvolen obvod MPXV4006GP [8] s rozsahem 0 až 6 kPa společnosti Freescale Semiconductor, Inc, který má z uvedených snímačů největší citlivost a je navíc vybaven na výstupu zesilovačem, který poskytuje výstupní napětí v rozsahu 0,2 až 4,8 V a umožňuje tak přímé připojení k A/D převodníku mikrokontroléru.

Snímací prvek

teplotní kompenzace a 1. zesilovací stupeň

2. zesilovací stupeň a obvody posunu zemního potenciálu

Obrázek 12 - Schéma plně integrovaného tlakového snímače [8]

Obrázek 13 - Schéma zapojení tlakového snímače [8]

3.3.3 Hmatník Předlohou pro hmatník kontroléru byla sopránová zobcová flétna, viz Obrázek 21, se svým tónovým rozsahem c2 až d4. K realizaci hmatníku byl zvolen kapacitní způsob snímání kontaktu prstů hráče s nástrojem dle [24]. Je využito vlastní kapacity přívodu od kontaktu a vnitřní kapacity zapojení A/D převodníku v mikrokontroléru. Dotkne-li se hráč vodivého kontaktu, dojde tím ke zvýšení celkové kapacity v obvodu. Tato změna je detekována nepřímo pomocí měření velikosti napětí, na které se tato kapacita nabije přes rezistor R za konstantní časový interval, viz Obrázek 16. Opakovaným měřením velikosti napětí na kontaktu hmatníku lze zjistit, kdy a zda vůbec došlo k dotyku s kontaktem.

26

K mikrokontroléru je třeba připojit minimálně 11 kapacitních kontaktů pro sejmutí kombinace na hmatníku a k následné volbě hraného tónu. Podle schéma, které ukazuje Obrázek 14, by k tomu bylo zapotřebí 11 digitálních výstupů a 11 analogových vstupů. Takového množství pinů však není třeba, pokud budeme měřit jednotlivé kontakty postupně a dostatečně rychle. V takovém případě si vystačíme s jedním analogovým vstupem a 11 digitálními výstupy, nebo pro variantu zapojení kontaktů do matice můžeme zvolit jednu z následujících kombinací: 2xA + 6xD, 3xA + 4xD, 4xA + 3xD, 6xA + 2xD, 11xA + 1xD, kde A značí analogový vstup a D je digitální výstup. Volba vhodné kombinace bude záviset na tom, jaký počet volných analogových vstupů a digitálních výstupů bude zvolený mikrokontrolér poskytovat. +5V

Mikrokontrolér 0,1µF

R Kontakt 1N4148 CP

100Ω

Dx (Digitální výstup) Ax (Analogový vstup) CIN

CV 1N4148

Obrázek 14 - Princip měření kapacity – schéma [24]

Obrázek 15 - Model analogového vstupu mikrokontroléru [16]

27

U

Δt

tAD

UCv UCv+Cp

t0

t1

t2

t

Obrázek 16 - Princip měření kapacity - graf [24]

Před zahájením měření jsou vývody Ax a Dx, kde x zastupuje pořadové číslo pinu, konfigurovány jako digitální výstupy s úrovní logická 0. V čase t0 dojde k nastavení logické 1 na výstupu Dx a vývod Ax je přepnut do režimu analogového vstupu. Z výstupu Dx začne téci elektrický proud přes rezistor R (100 kΩ) do vstupu Ax. Celková kapacita na vstupu Ax je tvořena součtem CV (kapacita kontaktní plochy a přívodu) a interní kapacity analogového vstupu CPIN o velikosti 5 pF (pokud byl kontakt stisknut, ještě se přičte CP). Tato celková kapacita se začne nabíjet. Po uplynutí pevně stanovené doby Δt je v okamžiku t1 zahájen převod v A/D převodníku mikrokontroléru. Dojde k odpojení interní kapacity CIN od vnějšího obvodu a okamžitá hodnota napětí na této interní kapacitě je během A/D převodu změřena. Během této doby se stále ještě nabíjí kapacita CV na vstupu Ax, ale na měření to již nemá žádný vliv, neboť je vstup odpojen. Po uplynutí tAD v čase t2, kdy došlo k dokončení převodu je vývod Ax přepnut do režimu digitálního výstupu a na něm je nastavena logická 0. Tím se docílí vybití kapacity CV (případně vybití spojení kapacit CV + CP, byl-li kontakt v té době stisknut). Z důvodu ochrany zařízení před elektrostatickým nábojem (ESD) je vstup mikrokontroléru od výrobce vybaven ochrannými diodami viz Obrázek 15. Výrobce navíc doporučuje zařazení dodatečné ochrany, je-li vstup mikrokontroléru použit jako dotykový kontakt, neboť k přenosu náboje bude při styku s kontakty hmatníku docházet ve větší míře. Dodatečný ochranný obvod podle [19] je tvořený diodami (1N4148), kondenzátorem (100 nF) a rezistorem (100 Ω) viz Obrázek 14. Rezistor zajistí, že dodatečná ochrana odvede nežádoucí náboj dříve než ochrana uvnitř mikrokontroléru. 28

Konkrétní uspořádání hmatníku pro kombinaci 3xA + 4xD ukazuje Obrázek 17, kde analogové vstupy reprezentují vývody RC1, RC2 a RB4 a digitální výstupy vývody RB5, RB6, RC7 a RB7.

Obrázek 17 - Schéma zapojení hmatníku

3.3.4 Mikrokontrolér Je třeba zvolit mikrokontrolér vybavený potřebnými periferiemi s nízkou spotřebou a pokud možno i cenou. K obsloužení MIDI kontroléru bude třeba minimálně 6 digitálních vstupů/výstupů (4 x hmatník, 1 x MIDI Out a 1 x LED indikace stavu) a 4 analogových vstupů (kanálů) A/D převodníku (3 x hmatník a 1 x tlakový snímač). Byl zvolen mikrokontrolér PIC16F690 [16] od společnosti Microchip Technology Inc., který uvedené požadavky splňuje a má pro tuto aplikaci dostačující výkon. Jako generátor hodinového kmitočtu je použit krystal 4 MHz. Nevyužité 3 digitální vstupy/výstupy byly použity k doplnění kontroléru o zobrazovač s LCD s maticí v uspořádání 2 x 8 znaků, s jehož pomocí lze lépe indikovat stavy kontroléru a měnit uživatelské nastavení.

29

3.3.5 Program pro mikrokontrolér Po zapnutí napájení je provedena počáteční inicializace mikrokontroléru, při které se z paměti mikrokontroléru načtou hodnoty uživatelských proměnných (např. je nastavena proměnná FirstNote, která udržuje informaci o nejnižším hratelném tónu kontroléru - má výchozí hodnotu 72, která odpovídá tónu „c“ dvoučárkované oktávy) a provede se konfigurace vstupně výstupních portů a periferií. Výstup RC3, který je spojen se vstupem ONA DC/DC měniče je nastaven do logické úrovně 1, což přidrží měnič v zapnutém stavu. Rozsvícením LED připojené k výstupu RA3 je provedena signalizace zapnutí přístroje, na výstup RC6 (MIDI výstup) je odeslána zpráva k vypnutí všech not (0xBX-0x7B-0x00) a tím uvedení kontroléru do výchozího stavu a je proveden skok do hlavní programové smyčky. V hlavní smyčce se v závislosti na uživatelském nastavení nejprve otestuje stav vstupu RC5 (PG0) je-li vstup nastaven do logické 1, pak pokleslo napětí baterie pod stanovenou mez, proto je provedena signalizace pomocí LED, jak bylo uvedeno výše v části č. 3.3.1 Napájení a kontrolér se vypne. Dále se otestuje stav vstupu RC4 (ONB). Je-li tento vstup nastaven do logické 0, bylo stisknuto tlačítko pro zapnutí/vypnutí kontroléru. Nyní dojde k nastavení výstupu RC3, který je spojen se vstupem ONA DC/DC měniče, do logické úrovně 0 a tím k vypnutí DC/DC měniče a celého kontroléru. Pokud předešlé testy dopadly úspěšně a kontrolér zůstal zapnutý, provede se automaticky kalibrace prahových hodnot pro kapacitní snímače. Tento krok je nutný ke kompenzaci vlivu okolního prostředí na výslednou kapacitu snímačů hmatníku. V době během kalibrace je nežádoucí dotýkat se hmatníku, protože by došlo k chybnému nastavení prahových hodnot a tím ovlivnění správného vyhodnocování kombinace stisknutých kontaktů. Po provedení kalibrace přestane svítit signalizační LED. V dalším programovém bloku dojde k načtení tlakového snímače připojeného přes zesilovač na vstup A/D převodníku RA0. Výsledek z A/D převodníku s rozlišením 10 bitů je upraven tak, aby se dal uložit do dvou proměnných Breath_H a Breath_L s omezením velikosti na 2 x 7 bitů pro řízení ovladače hlasitost kanálu Volume (č. 7 a č. 39). Nyní se provede porovnání obsahů proměnných Breath_H, L s nulou. V případě rovnosti následuje návrat na začátek hlavní programové smyčky. Je-li hodnota větší než nula, pokračuje se k bloku čtení hmatníku, kde je provedeno postupné zjištění stavu 30

všech 11 kontaktů hmatníku způsobem popsaným v části č. 3.3.3 Hmatník. Výsledkem je dvojice bytů v proměnných KeyBrd_01 a KeyBrd_02 zachycujících stav hmatníku v době čtení. Následuje blok vyhodnocení hmatníku. V této části se provede vyhledání tónu, který náleží ke kombinaci načtené z hmatníku a jeho hodnota v rozsahu 0 až 26 se uloží do proměnné Note. V posledním programovém bloku se načtené informace sestaví do MIDI zprávy a odešlou na výstup kontroléru. Nejprve se obsah proměnné Note přičte k hodnotě uložené v proměnné FirstNote (nejnižší tón, který tento kontrolér rozlišuje) a je odeslána zpráva Note On (zapnutí noty). Následuje volání programového bloku, který čte stav snímače. Je-li Breath_H, L = 0, je odeslána zpráva Note Off a proveden návrat na začátek hlavní programové smyčky. Je-li Breath_H, L odlišný od naposledy zjištěné hodnoty, uloží se tato hodnota jako poslední stav a odešle se zpráva se změnou hodnoty ovladače Volume dle stavu proměnné Breath_H, L. Pokračuje se testem, zda došlo ke změně na hmatníku načtením jeho aktuálního stavu. Je-li Breath_H, L roven naposledy zjištěné hodnotě, otestuje se, zda došlo ke změně na hmatníku načtením jeho aktuálního stavu. Když ke změně došlo, provede se odeslání zprávy Note Off s aktuálně hranou notou a provede se návrat na začátek hlavní programové smyčky. Odeslání MIDI zprávy je realizováno pomocí programového bloku, který při každém volání odešle jeden byte na MIDI výstup přenosovou rychlostí 31250 Bd.

31

Start

Počáteční inicializace

Test DC/DC měniče

Načtení snímače tlaku

NE

Tlak > 0 ANO Načtení stavu hmatníku

Výběr výšky tónu z tabulky

Odeslání události na MIDI výstup

Obrázek 18 - Zjednodušený vývojový diagram (hlavní bloky programu)

3.4 Návrh mechanické konstrukce 3.4.1 Tělo kontroléru Vnější obal - tělo kontroléru je jeho důležitou částí, která poskytuje ochranu elektroniky a také jedinečný vzhled. Jednotlivé části jsou vyrobeny z PSH desky a spojeny lepením. Obrázek 19 zachycuje provedení horní a dolní části a detail náustku v rozloženém stavu i jako celek. 32

Obrázek 19 - Tělo kontroléru

3.4.2 Náustek Náustek je vytvořen ze čtyř vrstev plastových desek o tloušťce 2 mm, které jsou k sobě slepeny. Vnitřní díl, jak ukazuje Obrázek 20, je tvořen třemi částmi, které jsou na obrázku vyznačeny modře. Tím je vytvořen kanál pro vedení vzduchu. Vzduch vdechnutý do náustku je rozdělen na dvě části. První část odvádí vzduch podél celé konstrukce přístroje, pružnou hadičkou až do spodní části, kde je vzduch vyveden ven z těla kontroléru spolu s vodou, vzniklou kondenzací vlhkosti v náustku a hadičce. Druhá část vede vzduch k tlakovému snímači, který však již není průchozí, a tak zde voda kondenzuje jen v malé míře.

33

Odvod kondenzátu Vdech Ke snímači Obrázek 20 - Provedení náustku

3.4.3 Provedení kontaktů Předlohou pro konstrukci hmatníku kontroléru je sopránová zobcová flétna, model YAMAHA YRS-24B (u nás je tento hudební nástroj hojně rozšířen díky využití při výuce v hudební výchově na školách).

Obrázek 21 - Sopránová zobcová flétna

Jako kontaktní plocha na hmatníku je použit prstenec o vnějším průměru 14 mm z mosazného poniklovaného plechu, který je spojen vodičem s deskou elektroniky. Kontrolér obsahuje osm takových kontaktních ploch, z nichž tři (pro palec levé ruky a prsteníček a malíček pravé ruky) jsou ještě rozděleny na dvě poloviny, v součtu je zde 11 kontaktů k sestavení kombinace požadovaného tónu. Kódování tónů vychází z tabulky hmatů [3] [26] v barokním stylu, ladění C a je doplněno a alternativní hmaty a hmaty v německém stylu. Pro snazší orientaci v tabulce jsou prsty levé ruky značeny zeleně a pravé červeně viz Tabulka 4 a Tabulka 5.

34

Tabulka 4 - Barokní rozložení hmatů

č.

MIDI

tón

č.

MIDI

tón

1

72

c''

15

86

d'''

2

73

cis''

16

87

dis'''

3

74

d''

17

88

e'''

4

75

dis''

18

89

f'''

5

76

e''

19

90

fis'''

6

77

f''

20

91

g'''

7

78

fis''

21

92

gis'''

8

79

g''

22

93

a'''

9

80

gis''

23

94

ais'''

10

81

a''

24

95

h'''

11

82

ais''

25

96

c''''

12

83

h''

26

97

cis''''

13

84

c'''

27

98

d''''

14

85

cis'''

prstoklad

prstoklad

Tabulka 5 - Alternativní barokní a německé rozložení hmatů

č.

MIDI

tón

č.

MIDI

tón

6

77

f''

18

89

f'''

7

78

fis''

19

90

fis'''

11

82

ais''

19

90

fis'''

12

83

h''

21

92

gis'''

14

85

cis'''

prstoklad

prstoklad

35

3.5 Ovládání kontroléru Kontrolér se uvede do provozu krátkým stisknutím zapínacího tlačítka na horní části přístroje. Dalším stiskem lze provést vypnutí. Ve spodní části je umístěno 5 kontaktů ve tvaru kříže, které slouží ke změně nastavení výchozí hodnoty některých, níže popsaných, parametrů. Ke vstupu do režimu nastavení je třeba dotknout se prostředního kontaktu zároveň s oběma polovinami kontaktu pro prsteníček pravé ruky na hmatníku, aby nedošlo k náhodnému spuštění režimu nastavení během hraní. Na znakovém displeji je indikován stav, ve kterém se kontrolér právě nachází. nahoru vlevo

dolů

displej vpravo

Ready to play

nastavení

Obrázek 22 - Ovládací prvky na spodní straně kontroléru

Po zapnutí kontrolér ohlásí připravenost textem: „Ready to play“. Po aktivaci režimu nastavení je zobrazen text: „Setup:<-^||v->”. U většiny položek zobrazuje první řádek displeje název a druhý řádek hodnotu proměnné. Pohyb v nabídce lze provádět pomocí kontaktů nahoru a dolů. Hlavní položky menu jsou spojeny ve smyčce mezi body č. 2 a 10. Změnu hodnoty vybrané položky lze provést pomocí kontaktů vlevo a vpravo, jak uvádí Tabulka 6. U položek č. 2, 3, 4, 6, 7, 8, 9 a 10 lze přímo měnit nastavení zobrazené hodnoty, zatímco u položky č. 5, která nastavuje začátek tónového rozsahu je hodnota složena z čísla oktávy (0-9) a čísla půl-tónu v oktávě (1-12), které se nastavují samostatně. Ke změně hodnoty opět slouží kontakty vlevo a vpravo a k opuštění položky a návratu do nadřazené položky kontakty nahoru a dolů. U položky 3 a 10 je třeba zvolenou hodnotu ještě potvrdit středovým kontaktem nastavení. Režim nastavení se opustí potvrzením volby Save nebo Exit v položce č. 10 středovým kontaktem nastavení.

36

Tabulka 6 - Hlášení zobrazená na displeji a jejich význam Č.

<-

Položka menu

->

Popis

1

Ready to play

běžný režim (odesílání MIDI dat)

2

Setup: <-^||v->

režim nastavení

3

Load def ault:No

Load def ault:Yes

Channel: 01

4 5

Default Values?

Octav.06 2´

1st Note Oc<072>N

odstraní provedené změny a načte výchozí hodnoty nastavení, Ne/Ano číslo kanálu v rozsahu 01-16

Note: 01-c

číslo nejnižšího tónu (začátek tónového rozsahu)

6

Sensitiv 04

citlivost tlakového snímače 01-05

7

Offset: 020

offset tlakového snímače 0-127

8

MIDIMode MIDI

MIDIMode PC

polarita MIDI výstupu

9

BattType Recharga

BattType Disposab

typ baterií, dobíjecí/jednorázové

SaveExit <-^||v->

SaveExit Save

uložit změny a návrat do běžného režimu / návrat bez uložení

10

SaveExit Exit

37

4 Závěr Cílem práce byl návrh dechového MIDI kontroléru po elektrické, programové a mechanické stránce. Elektronika kontroléru je rozdělena do pěti částí (napájecí, řídící, hmatníková, část snímače tlaku a modul displeje), z nichž každá má samostatnou desku plošných spojů. Desky jsou vzájemně propojeny jednořadými konektory. Ovládacími prvky kontroléru (pomineme-li snímač tlaku a hmatník) je tlačítko k jeho zapnutí nebo vypnutí a dále skupina pěti kontaktních ploch pro modifikaci výchozího nastavení kontroléru. Prvotní indikaci stavu kontroléru (jako je zapnutí, podpětí baterie a vypnutí) poskytuje žlutá světlo emitující dioda (LED). K indikaci režimu, ve kterém se kontrolér nachází, a k orientaci při změně nastavení slouží LCD displej. Pokud by bylo třeba snížit náklady, za cenu neměnného nastavení kontroléru, mohl by být modul LCD displeje spolu s dvanáctou kontaktní plochou, která umožňuje vstup do menu nastavení, z konstrukce vypuštěn. Modul LCD displeje nemá vliv na funkci kontroléru jako takového, pouze pasívně zobrazuje data, která dostane od procesoru. Komunikace mezi procesorem a displejem je tedy pouze jednosměrná. Z počátku kladl nástroj značný odpor vzduchu, který do něj hráč vdechoval, a hraní by tak bylo poměrně namáhavé. Důvodem byla na jedné straně nízká citlivost tlakového snímače a na straně druhé nevhodně malý průměr trubice pro odvod vzduchu s kondenzátem. Tento problém byl odstraněn volbou vhodnějšího tlakového snímače, většího průměru trubice a softwarovou úpravou nasnímaných dat. Díky kalibraci, která se provádí po každém zapnutí, pracují kapacitní snímače spolehlivě. Program pro mikrokontrolér byl sestaven v prostředí MPLAB IDE ver. 8.87 [15] od společnosti Microchip Technology Inc. Poslední částí konstrukce byl návrh a stavba těla kontroléru, do kterého je vestavěn náustek s rozvodem vzduchu, hmatník, veškerá elektronika a napájecí baterie. Cílem byla minimální velikost a hmotnost (výsledné rozměry kontroléru jsou 386 mm x 45 mm x 37 mm a hmotnost přibližně 440 g včetně baterií) a snadná a přirozená ovladatelnost nástroje. Prototyp náustku byl pro účel otestování tlakového snímače vyroben z plexiskla, což umožnilo sledovat, zda nedochází k nežádoucí kondenzaci vlhkosti v části vedoucí 38

k tlakovému snímači. Potvrdil se předpoklad, že kondenzace se omezí na část vedení, kde vzduch proudí, zatímco v části zakončené tlakovým snímačem, která není průchozí, k viditelné kondenzaci nedochází. I když pro test kondenzace je plexisklo díky svým optickým vlastnostem dobrou volbou, jako konstrukční materiál pro definitivní podobu náustku se příliš neosvědčilo pro svou křehkost a tendenci praskat během lepení. Ke vzniku prasklin v materiálu dochází během lepení z důvodu předchozího mechanického namáhání při opracování (řezání, vrtání a podobně) za studena [4]. Tento jev lze eliminovat žíháním opracovaného dílu v peci za přesně stanovených podmínek před vlastním lepením, nicméně křehkost materiálu přetrvá. Z těchto důvodů byl pro konstrukci konečné verze náustku zvolen jiný materiál, a sice houževnatý polystyren (PSH), který se vyrábí v podobě desek o tloušťce od 0,3 mm do 5 mm v několika barvách. Tento materiál je mechanicky odolný, dá se celkem snadno opracovávat a lepit a je zdravotně nezávadný. Deska z houževnatého polystyrenu o tloušťce 2 mm byla nakonec použita pro finální verzi náustku (sendvič o 4 vrstvách) i ke zhotovení celého těla nástroje. Při realizaci konstrukce byla snaha minimalizovat výrobní náklady. Částka za veškerý použitý materiál dosáhla hodnoty přibližně 1400 Kč. Z této celkové ceny připadá 963 Kč na elektronické součástky a desku plošných spojů, zbytek jsou mechanické díly a baterie. K otestování správné funkce kontroléru byl použit převodník MIDI na USB s názvem GM5 od společnosti Ploytec GmbH, který současně zajistil optické oddělení kontroléru od počítače. Převodník GM5 byl připojen k osobnímu počítači s operačním systémem Microsoft® Windows 7 a jako programové vybavení posloužil SyFonOne – Midi Port Player version 1.040.

39

Seznam použité literatury [1] Balluff GmbH. The Search for a Better Proximity Sensor Starts Here. www.balluff.com. [Online] Balluff GmbH, 10. březen 2011. [Citace: 21. duben 2013.] http://www.balluff.com/balluff/MUS/en/news/Search-for-Better-Proximity-Sensor.jsp. [2] Clifford, Michelle. Water Level Monitoring, AN1950. [Online] 4, Freescale Semiconductor, Inc., 2006. [Citace: 11. prosinec 2012.] http://www.freescale.com/files/sensors/doc/app_note/AN1950.pdf. [3] Daniel, Ladislav. Škola hry na sopránovou zobcovou flétnu, 1. díl (Flauto dolce). místo neznámé : Panton (Schott Music Panton), 1991. M-2050-0480-4. [4] Degussa, Röhm GmbH & Co. KG. Pokyny ke zpracování PLEXIGLAS®. http://www.plexisklo.eu. [Online] Degussa, Röhm GmbH & Co. KG, 24. červen 2005. [Citace: 19. srpen 2013.] http://www.plexisklo.eu/public/media/plexisklo_desky/pokyny-ke-zpracovaniplexiskla-plexiglas.pdf. [5] Forró, Daniel. MIDI - komunikace v hudbě. 1. vydání. Praha : Grada, 1993. ISBN 80-85623-56-0. [6] Freescale Semiconductor, Inc. MPXM2010.pdf. www.freescale.com. [Online] 13, 10 2008. [Citace: 4. listopad 2012.] http://www.freescale.com/files/sensors/doc/data_sheet/MPX2010.pdf. [7] Freescale Semiconductor, Inc. Pressure Sensors for Medical Applications. www.freescale.com. [Online] 8. červen 2011. [Citace: 31. prosinec 2013.] http://www.freescale.com/files/sensors/doc/fact_sheet/MEDPRESSENSFS.pdf. [8] Freescale Semiconductor, Inc. MPXV4006.pdf. www.freescale.com. [Online] leden 2009. [Citace: 13. březen 2013.] http://www.freescale.com/files/sensors/doc/data_sheet/MPXV4006.pdf. [9] Fritz, Ian. The Stealth Wind Controller. The Electronic Sound-House. [Online] 26. březen 2011. [Citace: 24. červen 2013.] http://home.comcast.net/~ijfritz/Stealth/st_over.htm. [10] Harper, Douglas. ONLINE ETYMOLOGY DICTIONARY. [Online] 2001. [Citace: 6. srpen 2013.] www.etymonline.com. [11] Ltd., Jayashree Electron Pvt. Proximity Switches. jayashree.co.in. [Online] [Citace: 15. říjen 2013.] http://jayashree.co.in/products/control-automation-safetyproducts/proximity-switches. [12] Martinek, Radislav. Senzory v průmyslové praxi. Praha : BEN - technická literatura, 2004. ISBN 80-7300-114-4. 40

[13] Maxim Integrated Products. MAX1672 Step-Up/Down DC-DC Converter in QSOP Package. [Online] 11/02, 2002. [Citace: 23. leden 2013.] http://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX1672.pdf. [14] Maxim Integrated Products. MAX1672EVKIT.pdf. datasheets.maximintegrated.com. [Online] 1997. [Citace: 15. prosinec 2012.] http://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX1672EVKIT.pdf. [15] Microchip Technology Inc. MPLAB Integrated Development Environment. [Online] 2012. [Citace: 15. říjen 2012.] http://www.microchip.com/stellent/idcplg?IdcService=SS_GET_PAGE&nodeId=1406 &dDocName=en019469&part=SW007002. [16] Microchip Technology Inc. PIC16F685/687/689/690 Data Sheet. [Online] 2005. [Citace: 7. prosinec 2012.] http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/41262a.pdf. [17] MIDI Manufacturers Association. MMA HD Protocol Announcement. [Online] 2008. [Citace: 15. prosinec 2012.] http://www.midi.org/aboutus/news/hd.php. xxx. [18] ON Semiconductor®. DATASHEET SEARCH SITE | WWW.ALLDATASHEET.COM - mbrs130lt3g-datasheet-1.pdf. www.gme.cz. [Online] listopad 2006. [Citace: 20. srpen 2013.] http://www.gme.cz/img/cache/doc/920/120/mbrs130lt3g-datasheet-1.pdf. [19] Perme, Tom. Layout and Physical Design Guidelines for Capacitive Sensing. [Online] Microchip Technology Inc., 2007. [Citace: 20. listopad 2012.] http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/01102a.pdf. [20] RIPKA, P.; ĎAĎO, S.; KREIDL, M.; NOVÁK, J. Senzory a převodníky. Praha : Česká technika - nakladatelství ČVUT, 2005. ISBN 80-01-03123-3. [21] Schimmel, Jiří. Komunikační rozhraní MIDI. Elektrorevue. [Online] Vysoké učení technické v Brně, 2002. [Citace: 10. leden 2013.] http://www.elektrorevue.cz/clanky/02069/index.html. [22] Texas Instruments, Incorporated. Capacitive Touch Hardware Design Guide slaa576.pdf. [Online] 15. květen 2013. [Citace: 27. srpen 2013.] http://www.ti.com/lit/an/slaa576/slaa576.pdf. [23] The MIDI Manufacturers Association. MIDI 1.0 Detailed Specification. document version 4.2. Los Angeles. CA : MIDI Manufacturers Association, Japan MIDI Standard Committee, 1995. [24] Timofeev, Victor. "Piano" with RTOS [PIC24]. www.pic24.ru. [Online] 16. duben 2009. [Citace: 8. květen 2012.] http://www.pic24.ru/doku.php/en/osa/articles/pk2_osa_piano.

41

[25] White, Frank M. Fluid Mechanics. 6. Columbus : McGraw-Hill Higher Education, 2006. str. 602. ISBN-13: 978-0-07-331654-3. [26] Yamaha Corporation. Plastic Recorders Owner's Manual. download.yamaha.com. [Online] 25. srpen 2008. [Citace: 12. květen 2013.] http://download.yamaha.com/search/product/?site=usa.yamaha.com&language=en&cat egory_id1=16036&category_id2=16046&category_id3=&product_id=109825. [27] neznámý, autor. Rychloměr…. All about flying:. [Online] 10. prosinec 2013. [Citace: 10. prosinec 2013.] http://www.flying.4fan.cz/?p=112.

42

Seznam obrázků Obrázek 1 - Objevy v oblasti hydrodynamiky ................................................................ 10 Obrázek 2 - Jednoduchý letecký rychloměr [27] ............................................................ 12 Obrázek 3 - Měření tlaku pomocí výchylky membrány [9] ........................................... 12 Obrázek 4 - Zařízení ke sledování krevního tlaku [7] .................................................... 13 Obrázek 5 - Příklad provedení optického snímače ......................................................... 15 Obrázek 6 - Blokové schéma indukčnostního snímače přiblížení [20] .......................... 16 Obrázek 7 - Blokové schéma kapacitního snímače přiblížení [1] .................................. 16 Obrázek 8 - Příklad sériové komunikace ........................................................................ 18 Obrázek 9 - Příklad struktury MIDI zprávy.................................................................... 19 Obrázek 10 - Zjednodušené blokové schéma kontroléru................................................ 22 Obrázek 11 - Schéma zapojení měniče s MAX1672EEE [13] ....................................... 25 Obrázek 12 - Schéma plně integrovaného tlakového snímače [8].................................. 26 Obrázek 13 - Schéma zapojení tlakového snímače [8] ................................................... 26 Obrázek 14 - Princip měření kapacity – schéma [24] ..................................................... 27 Obrázek 15 - Model analogového vstupu mikrokontroléru [16] .................................... 27 Obrázek 16 - Princip měření kapacity - graf [24] ........................................................... 28 Obrázek 17 - Schéma zapojení hmatníku ....................................................................... 29 Obrázek 18 - Zjednodušený vývojový diagram (hlavní bloky programu) ..................... 32 Obrázek 19 - Tělo kontroléru.......................................................................................... 33 Obrázek 20 - Provedení náustku ..................................................................................... 34 Obrázek 21 - Sopránová zobcová flétna ......................................................................... 34 Obrázek 22 - Ovládací prvky na spodní straně kontroléru ............................................. 36

Seznam tabulek Tabulka 1 - Nastavení dynamiky parametrem Velocity .................................................. 20 Tabulka 2 - Stavové byty [21] [23] ................................................................................. 21 Tabulka 3 - Spotřeba kontroléru ..................................................................................... 24 Tabulka 4 - Barokní rozložení hmatů ............................................................................. 35 Tabulka 5 - Alternativní barokní a německé rozložení hmatů........................................ 35 Tabulka 6 - Hlášení zobrazená na displeji a jejich význam ............................................ 37

43

Seznam použitých zkratek IDE - Integrated Development Environment LCD - Liquid-crystal display LED - Light-emitting diode LSB - Least Significant Bit MIDI - Musical Instrument Digital Interface MSB - Most Significant Bit PSH - Houževnatý polystyrén

44

Přílohy 1 Návrh elektrického zapojení 2 Obsah přiloženého CD Na přiloženém CD se v kořenovém adresáři nachází tato bakalářská práce ve formátu bakalarska_prace.pdf, zdrojový kód kontroléru ve formátu MIDI_kontroler.asm, návrh mechanické konstrukce ve formátu MIDI_kontroler.dwg a složka Eagle obsahující schémata a návrhy desek plošných spojů.

45

Příloha č. 1 Návrh elektrického zapojení Všechny níže uvedené obrázky desek plošných spojů jsou vyobrazeny v měřítku M 1:1.

1 Napájecí zdroj 1.1 Schéma zapojení

1.2 Deska plošného spoje

Obrázek 1 - Napájecí zdroj DPS bottom

Obrázek 2 - Napájecí zdroj DPS top

1

Příloha č. 1 1.3 Osazovací plán

Obrázek 3 - Napájecí zdroj OP bottom

Obrázek 4 - Napájecí zdroj OP top

1.4 Seznam součástek Označení

Hodnota, popis

Pouzdro

C101, C102

100M/16V

SMC_D

C103, C106

100nF

C1206

C104

10M/16V

SMC_A

Bat. konektor

Oboustranný kolík 90°, rozteč 2,54mm, 2 piny

S1G20S

Nap. konektor

Oboustranný kolík 90°, rozteč 2,54mm, 2 piny

S1G20S

DCDC konektor Oboustranný kolík 90°, rozteč 2,54mm, 3 piny

S1G20S

D101, D102

MBRS130LT3, dioda

SMB

IC1

MAX1672

QSOP-16

L101

10µH, tlumivka

DR73

R101

1MΩ

R1206

R102

220kΩ

R1206

R103

5,6kΩ

R1206

R104

120kΩ

R1206

R105, R106

1MΩ

R1206

S1

TC-0108-X, mikrospínač

B3F-10XX

2

Příloha č. 1 2 Řídicí část 2.1 Schéma zapojení

3

Příloha č. 1 2.2 Deska plošného spoje

Obrázek 5 - Řídicí část DPS bottom

Obrázek 6 - Řídicí část DPS top

2.3 Osazovací plán

Obrázek 7 - Řídicí část OP bottom

Obrázek 8 - Řídicí část OP top

2.4 Seznam součástek Označení

Hodnota, popis

Pouzdro

LED1

LED žlutá

LED3MM

C1

100nF

C1206

C11

47M/6,3V

SMC_A

C2, C3

22pF

C1206

D13 až D18

1N4148

SOD80C

IC3

PIC16F690-I/SO-W

SO20W

Q1

XTAL 4MHz

QS

R13 až R16

100Ω

R1206

R15

470Ω

R1206

R19

100kΩ

R1206

R25, R26

220Ω

R1206 4

Příloha č. 1 Označení

Hodnota, popis

Pouzdro

Oboustranný kolík přímý, rozteč 2,54mm, 2 piny

S1G20

Oboustranný kolík přímý, rozteč 2,54mm, 2 piny

S1G20

Oboustranný kolík přímý, rozteč 2,54mm, 2 piny

S1G20

Oboustranný kolík přímý, rozteč 2,54mm, 2 piny

S1G20

konektor

Oboustranný kolík přímý, rozteč 2,54mm, 1 pin

S1G20

LCD konektor

Oboustranný kolík přímý, rozteč 2,54mm, 3 piny

S1G20

ICSP_Vdd konektor ICSP_Vpp konektor ICSP_Data konektor ICSP_Clock konektor ICSP_Gnd

Hmat. konektor Dutinková lišta 90°, rozteč 2,54mm, 10 pinů

BLW20

Dutinková lišta 90°, rozteč 2,54mm, 2 piny

BLW20

DCDC konektor Dutinková lišta 90°, rozteč 2,54mm, 3 piny

BLW20

Nap. konektor

Tlak. konektor

Oboustranný kolík 90°, rozteč 2,54mm, 3 piny

S1G20S

5

Příloha č. 1 3 Hmatník 3.1 Schéma zapojení

6

Příloha č. 1 3.2 Deska plošného spoje

Obrázek 9 - Hmatník DPS bottom

Obrázek 10 - Hmatník DPS top

7

Příloha č. 1 3.3 Osazovací plán

Obrázek 11 - Hmatník OP bottom

Obrázek 12 - Hmatník OP top

8

Příloha č. 1 3.4 Seznam součástek Označení

Hodnota, popis

Pouzdro

D1 až D12

1N4148

SOD80C

R1 až R12

100kΩ

R1206

Hmat. konektor Oboustranný kolík 90°, rozteč 2,54mm, 10 pinů Menu konektor

Oboustranný kolík 90°, rozteč 2,54mm, 5 pinů

S1G20S S1G20S

TP01 až TP05, TP07, TP08,

Dutinková lišta 90°, rozteč 2,54mm, 1 pin, připojení

TP11, TP12

kontaktní plochy

BLW810G

TP06, TP10

Dutinková lišta rovná, rozteč 2,54mm, 1 pin

BL805G

X1

Konektor DIN5ZP90

DIN5ZP90

9

Příloha č. 1 4 Tlakový snímač 4.1 Schéma zapojení

4.2 Deska plošného spoje

Obrázek 13 - Tlakový snímač DPS bottom

Obrázek 14 - Tlakový snímač DPS top

4.3 Osazovací plán

Obrázek 15 - Tlakový snímač OP bottom

Obrázek 16 - Tlakový snímač OP top

10

Příloha č. 1 4.4 Seznam součástek Označení

Hodnota, popis

Pouzdro

C4

10nF

C1206

C5

470pF

C1206

C6

1uF/16V

SMC_A

Tlak. konektor

Dutinková lišta 90°, rozteč 2,54mm, 3 piny

BLW810G

IC2

MPXV4006GP

MPXV4006GP

11

Příloha č. 1 5 Displej 5.1 Schéma zapojení [2]

5.2 Deska plošného spoje

Obrázek 17 - Displej DPS bottom

Obrázek 18 - Displej DPS top

5.3 Osazovací plán

Obrázek 19 - Displej OP bottom

Obrázek 20 - Displej OP top 12

Příloha č. 1 5.4 Seznam součástek Označení

Hodnota, popis

Pouzdro

DIS1

LCD displej 8x2 znaky WH0802A1

WH0802A1

IC4

74HC164D

SO14

R17

Trimr 2,5kΩ

CA6V

R18

8,2kΩ

R1206

LCD konektor

Dutinková lišta rovná, rozteč 2,54mm, 3 piny

BL805G

Dutinková lišta rovná, rozteč 2,54mm, 1 pin

BL805G

Dutinková lišta rovná, rozteč 2,54mm, 2piny

BL805G

Dutinková lišta rovná, rozteč 2,54mm, 2 piny

BL805G

ICSP_Gnd konektor ICSP_Vdd konektor ICSP_Vpp konektor

13

Příloha č. 1 Seznam obrázků Obrázek 1 - Napájecí zdroj DPS bottom .......................................................................... 1 Obrázek 2 - Napájecí zdroj DPS top ................................................................................. 1 Obrázek 3 - Napájecí zdroj OP bottom ............................................................................. 2 Obrázek 4 - Napájecí zdroj OP top ................................................................................... 2 Obrázek 5 - Řídicí část DPS bottom ................................................................................. 4 Obrázek 6 - Řídicí část DPS top ....................................................................................... 4 Obrázek 7 - Řídicí část OP bottom ................................................................................... 4 Obrázek 8 - Řídicí část OP top ......................................................................................... 4 Obrázek 9 - Hmatník DPS bottom .................................................................................... 7 Obrázek 10 - Hmatník DPS top ........................................................................................ 7 Obrázek 11 - Hmatník OP bottom .................................................................................... 8 Obrázek 12 - Hmatník OP top .......................................................................................... 8 Obrázek 13 - Tlakový snímač DPS bottom .................................................................... 10 Obrázek 14 - Tlakový snímač DPS top .......................................................................... 10 Obrázek 15 - Tlakový snímač OP bottom ...................................................................... 10 Obrázek 16 - Tlakový snímač OP top ............................................................................. 10 Obrázek 17 - Displej DPS bottom .................................................................................. 12 Obrázek 18 - Displej DPS top......................................................................................... 12 Obrázek 19 - Displej OP bottom..................................................................................... 12 Obrázek 20 - Displej OP top ........................................................................................... 12

14