Arduino MIDI Synthesizer Paul Halpin BSc – Music, Multimedia and Electronics ELEC2645 Embedded Systems Project

School of Electronic and Electrical Engineering FACULTY OF ENGINEERING

Session 2010 / 2011 Student ID 200481604

Contents

1. Abstract 2

2. Introduction 2

3. Software Overview 2

4. Hardware Overview 4

5. Testing 5

6. Conclusion 6

7. References 7

1

1.  Abstract

The  basis  of  this  module  was  the  design  and  crea5on  of  a  microcontroller-­‐based  embedded  system  -­‐  in  my  case  a  MIDI-­‐controlled  synthesiser.  This  is  a  complete  self-­‐contained  product  that  can  interpret  an  incoming  MIDI  signal  from  a  5-­‐pin  DIN  connec5on  and  translate  it  into  a  pitched  square-­‐oscillator.  The  sound  output  is  then  either  sent  through  an  in-­‐built  speaker  or  sent  to  a  3.5mm  audio  outlet  that  can  be  plugged  into  many  devices  (mixer,  headphones).  The  output  can  be  selected  by  the  user  by  a  toggle  switch.  The  user  can  further  manipulate  the  sound  by  defining  a  note  length  using  the  knob  on  the  top  of  the  enclosure.    This  report  outlines  the  different  stages  involved  in  the  comple5on  of  this  project.

2.  Introduc1on

The  Arduino  is  a  popular  device  for  prototyping  projects  that  integrate  hardware  and  soKware  by  programming  a  microcontroller.  The  device  is  accompanied  by  a  piece  of  simple  desktop  soKware  that  allows  the  user  to  create  programs  for  the  microcontroller  in  an  easy  program  language  called  “Wiring”,  a  modified  version  of  C/C++  that  makes  designing  input/output  applica5ons  much  easier.[1]   This  method  of  designing  embedded  systems  can  bring  together  many  different  areas  of  electronics  without  having  to  create  new  interfaces  between  them.  The  Arduino  microcontrollers  can  operate  a  variety  of  components  from  servos  to  LCD  displays  -­‐  most  commonly  using  logic  func5ons  in  and  out  of  the  microcontroller  pins  or  a  stream  of  serial  data  from  a  single  pin.   The  fact  that  I  am  enrolled  as  an  M.M.E  student  was  major  factor  in  the  process  of  deciding  what  my  project  was  going  to  be.  I  thought  it  would  be  interes5ng  to  research  different  musical  opportuni5es  available  using  the  Arduino.  There  are  many  websites  where  people  share  and  discuss  ideas  rela5ng  to  Arduino  projects,  and  a  large  selec5on  of  these  are  musically  related.  In  the  wiring  library  for  the  Arduino.

3. So4ware  Overview

The  most  basic  form  of  musicality  is  available  in  the  form  of  the  tone()  func5on;  this  is  a  modified  version  of  wiring’s  pulse-­‐width  modula5on  library,  where  instead  of  being  able  to  adjust  the  duty  cycle,  the  user  can  change  the  frequency  and  length  values  of  a  note  at  a  par5cular  output  pin.  This  is  the  main  func5on  that  my  project  u5lises.     The  soKware  sec5on  of  the  code  relies  on  a  small  sec5on  of  the  Arduino  MIDI  library.[2]  This  library  makes  it  easy  to  set  the  baud  rate  to  31250  (MIDI-­‐compliant),  interpret  and  generate  MIDI  serial  data.  The  only  MIDI  data  I  am  concerned  with  in  my  project  is  note  data.  This  comes  as  two  bytes  in  the  serial.     Firstly,  my  program  analyses  all  incoming  MIDI  messages  and  filters  out  “NoteOn’  messages.  When  a  “NoteOn”  message  is  received,  the  “sound()”  func5on  is  called.  If  the  second  byte  (MIDI.getData2  -­‐  this  contains  the  velocity  and  dura5on  informa5on)  is  not  greater  than  0,  the  func5on  will  end.       Since  the  tone()  output  only  has  one  velocity,  I  don’t  use  the  data  from  the  second  byte.  Instead  I  have  a  poten5ometer  to  adjust  the  dura5on  of  the  notes.  The  program  then  analyses  the  first  byte  (MIDI.getData1)  to  get  the  pitch  of  the  note  (between  0-­‐127).  The  corresponding  frequency  is  then  determined  from  my  array  declared  at  the  start  of  the  code  (int  MIDI[128]).  This  frequency,  combined  with  the  current  mapped  value  of  the  poten5ometer  is  applied  to  a  tone()  func5on  with  two  variables  and  the  note  indicator  LED  is  ac5vated.  Here  is  an  overview  of  the  program:  

2

Start/Stop

Declare  Global  Variables

(int  MIDI[128];)

setup()  Func?on

loop()Func?on

Declare  Local  Variables

If  MIDI.getData2  >  0

Digital  Pin  2  =  HIGH

Digital  Pin  8    =  noTone

YES

MIDI.read

MIDI.getType

If  type  =  NoteOn

Digital  Pin  2  =  LOW

NO

Set  Outputs,  Inputs

sound()Func?on

YES

loop()Func?on

sound()Func?on

int  n  =  MIDI.getData1

int  pitch  =  midi[n]

analogRead  Pin  0=  sustain

sustain  =map(sustain,

0,1023,30,1000)

tonepin  8

frequency  =  pitchdelay  =  sustain

Stop

Start

(Note  LED)

(Note  LED)

(Speaker  Pin)

(Convert  MIDI  number  to  frequency)

(Poten?ometer  input)

(Suitable  Values  for  delay)

(Main  sound  output)

NO

Checks  to  see  if  there  isincoming  note  data

3

Before  deciding  on  using  an  array  to  store  the  frequency  values,  I  experimented  with  an  algorithm  that  converted  the  MIDI  number  into  the  actual  frequency:

frequency  =  440  *  2^((n-­‐69)/12)(Where  “n”  is  the  MIDI  number)

This  gave  a  frequency  accurate  to  as  many  decimal  places  as  you  need  but  I  ran  into  errors  when  tes5ng  it  out  on  the  hardware.  I  believe  that  it  is  because  of  physical  limita5ons  in  the  microcontroller,  that  it  can’t  calculate  indices  of  that  scale  on  the  fly.

4. Hardware  Overview

Most  of  the  components  in  my  project  are  housed  in  the  enclosure,  away  from  the  board.

OUTSOURCED COMPONENTS

-On switch-Output toggle-MIDI connector-Audio jack-Speaker-Potentiometer-Red LED-Blue LED-Battery Clip / 9V Battery

CIRCUIT BOARD COMPONENTS

-Voltage regulator (9V -> 5V)-16MHz crystal oscillator-ATMega328P chip-Op amp-Resistors / Capacitors

19 connections

This  sec5on  of  the  schema5c  outlines  the  power  regula5on  in  the  circuit.  The  IC  in  the  centre  converts  a  9V  bafery’s  voltage  to  5V  -­‐  a  safe  opera5ng  level  for  the  ATMega328.

4

Here,  you  can  see  the  rest  of  my  circuit.  Except  for  the  op  amp,  oscillator  and  a  few  resistors,  the  components  that  appear  to  be  afached  to  the  main  IC  are  just  through-­‐holes  for  external  components.     The  poten5ometer  is  connected  between  ground  and  +5V  so  the  user  can  define  a  voltage  between  the  two  points,  it  is  processed  by  the  10  bit  analog  to  digital  converter  on-­‐board  the  ATMega328  and  mapped  to  desired  values  in  the  programming  code.   The  Op  amp  circuit  required  no  feedback  or  bias  resistors  as  it  na5vely  gave  a  gain  of  20,  and  this  was  a  reasonable  volume  for  the  built  -­‐in  speaker.  The  alterna5ve  output  at  the  3.5mm  jack  has  a  220Ω  resistor  in  series  to  reduce  the  volume  at  the  output.  it  creates  a  comfortable  volume  for  headphones  and  a  decent  line  volume  also.   The  power  and  note  indicator  LEDs  have  220Ω  current-­‐reducing  resistors  in  series  to  supply  them  with  the  appropriate  current  level.  The  Reset  switch  works  as  a  pull-­‐up  resistor  when  the  switch  is  pressed.   The  serial  input  from  the  MIDI  socket  is  allocated  the  the  “Rx”  pin  on  the  ATMega328,  this  is  the  only  pin  that  can  read  incoming  serial  data  there  is  also  a  “Tx”  pin  that  is  reserved  for  transmiing  serial  data.

5.  Tes1ng

When  assembling  the  project,  I  discovered  there  were  errors  with  the  PCB,  largely  due  to  the  fact  I  mis-­‐labelled  signal  paths.  I  tested  the  circuit  with  basic  programs  to  switch  on  LEDs  or  make  a  noise  through  the  speaker.  When  I  discovered  the  circuit  was  not  playing  any  of  the  test  programs,  I  knew  there  was  something  wrong  with  the  PCB,  so  I  translated  the  design  into  veroboard  that  worked  as  planned.  I  corrected  my  PCB  design  for  this  report:

5

  One  difference  between  the  two  circuits  is  the  absence  of  the  op  amp  in  the  veroboard  design.  I  used  a  different  voltage  regulator  to  the  one  used  on  the  PCB.  This  new  regulator  provided  less  current  than  the  original  and  wasn’t  quite  enough  to  fuel  the  amp  without  turning  the  whole  synth  off.  The  speaker  s5ll  gives  a  reasonable  volume  and  the  3.5mm  socket  didn’t  use  the  op  amp,  so  that  s5ll  works  as  it  should.   To  test  the  actual  func5onality  of  the  synthesiser,  I  connected  up  a  MIDI  cable  from  my  laptop  and  had  a  complete  range  of  notes  playing  at  various  speeds,  I  tested  both  the  speaker  output  and  the  3.5mm  jack  output.  The  connec5on  in  the  jack  was  a  lifle  loose,  so  you  have  to  play  around  with  the  cable  to  get  sound  through  both  channels.  I  also  tested  a  direct  MIDI  connec5on  from  my  keyboard  to  the  synth,  this  worked  just  as  well.

6. Conclusion

If  I  were  to  con5nue  on  this  project  and  improve  it  somehow,  I  would  try  to  incorporate  some  further  signal  processing  to  create  5mbres  other  than  a  square  wave.  This  would  probably  require  other  ICs  to  process  the  pulse  wave.  subtrac5ve  synthesis  would  be  a  viable  op5on.  I  could  create  modular  effects  that  the  user  could  define,  such  as  an  LFO  or  envelope.   The  output  signal  could  also  be  modified  to  be  at  a  more  suitable  level  for  digital  audio  by  using  a  biased  op  amp  to  limit  the  output  dB.     I  quite  like  the  idea  of  a  project-­‐in-­‐progress  to  be  on  veroboard,  as  this  is  much  easier  to  expand  on  and  create  new  sec5ons  -­‐  unless  the  project  uses  surface  mount  components  or  it  requires  a  high  component  density,  veroboard  is  a  good  way  to  design.  A  PCB  would  be  preferable  once  it  is  complete  because  it  can  be  replicated  with  the  soKware  design  and  they  are  usually  of  a  higher  build  quality  to  veroboard,  meaning  they  will  last  longer.

6

References

[1]  "Wiring  Language  (API)".  17  May  2011.  <  h/p://wiring.org.co/reference/  >.

[2]  "Arduino  MIDI  Library".  17  May  2011.  <h/p://sourceforge.net/projects/arduinomidilib/  >.

7