Анекдот в тему

SPL
Такой кабель-адаптер стоит дёшево и, как оказалось, работает плохо. Передача данных от синтезатора (электрического пианино) в компьютер не работает. Если играть одним пальцем, то несколько нот удаётся записать, а когда берёшь аккорд или играешь гаммы, то адаптер зависает и превращается в кирпич. Другое направление, т.е. передача данных из компьютера в синтезатор работает хорошо. В отзывах многих покупателей можно найти подобные истории.
Способы доработки китайского адаптера
В интернете есть немало дискуссий как улучшить или доработать китайский адаптер. В некоторых версиях этого адаптера предусмотрен, но не распаян оптрон, который обеспечивает гальваническую развязку компьютера и синтезатора. Увы, в моём случае доработка была затруднительна, т.к. вместо оптрона установлены два NPN-транзистора. Отмечу, что MIDI-стандарт прямо указывает использовать оптоизолятор, например, PC900V или 6N138. Схожими характеристикам обладают оптопары H11L1M (DIP-8) или H11L1SM (SO-6). Можно использовать и другие компоненты с подходящими параметрами.

Рис.2. Китайский адаптер в процессе демонтажа. Фото автора.
На фото видно, что в корпусе достаточно места чтобы разместить оптоизолятор и сопутствующие элементы. Некоторые умельцы выпаивают имеющиеся компоненты и на их место устанавливают оптоизолятор с «обвесом». Очевидно, что для этой операции требуются не только знания, но и хорошая моторика рук.
Но недостаточно обеспечить оптическую изоляцию музыкального инструмента и компьютера. Требуется ещё точный кварцевый генератор или резонатор, чтобы обеспечить тактирование последовательного интерфейса UART в соответствии со стандартом MIDI. В китайском адаптере, который я купил, отсутствует не только оптопара, но и кварцевый резонатор. Конечно, существуют микросхемы, в которых блоки тактирования калибруются на заводе, но тут ничего подобного нет. В общем, работоспособность этого китайского изделия низкая. Существуют адаптеры, построенные на микросхеме CH345 – преобразователе USB в MIDI в корпусе SSOP-20, но это не мой случай. Микросхема CH345 имеет аппаратные USB-метки Vendor ID: 1a86, Product ID:752d. Впрочем, любая «левая» микросхема может выдавать (и выдаёт) такие же идентификаторы и даже может «притвориться» чем угодно.
Последний небольшой недостаток, который я выявил в китайском адаптере – это программное обеспечение (прошивка). Если говорить точнее – это малый размер буфера для конечных точек (EndPoints), всего по 8 байт. Этого достаточно для передачи нажатых нот, потому что MIDI-сообщение по USB интерфейсу состоит из 4 байт (номер кабеля, номер команды и 2 байта данных). А вот всякие расширения, например SysEx, могут быть большего размера.
Через некоторое время я купил другой кабель-адаптер, который носил громкое название “Professional USB MIDI Interface”. Этот адаптер стоил существенно дороже и работал значительно лучше, но всё равно с ошибками. Проявлялось это в том, что спустя несколько минут игры на синтезаторе, он вдруг начинал пропускать нажатия клавиши или наоборот – не воспринимал отпускание клавиши. Я был разочарован результатами работы китайских адаптеров я и решил последовать совету: «Если хочешь сделать что-то хорошо, то сделай это сам».
Аппаратная часть
Сначала надо было продумать схему будущего устройства и изучить опыт других инженеров. Имеющийся адаптер внешне выглядел очень хорошо, поэтому я решил использовать от него корпус, светодиоды и экранированные кабели. Тем более, что в Москве MIDI-кабели стоят дороже, чем готовый китайский адаптер. Китайскую плату я вытащил, измерил её габариты и стал изучать MIDI-стандарт и удачные MIDI-проекты в открытом доступе.

Рис.3 Адаптер USB-MIDI в корпусе и с кабелями.
На момент написания этой статьи мне известны несколько интересных проектов:

• Схема из документации на чип CH345 фирмы «Nanjing Qinheng Microelectronics».
  
• Старые проекты на микроконтроллерах Atmega с программной реализацией протокола USB. В них используется режим Low Speed, который устарел и не поддерживается в Windows 7.
  
• Библиотека MIDIUSB для плат семейства Arduino с аппаратной поддержкой USB-интерфейса (Atmega32u4, Cortex-M), а также Maple и т.д.

Электрические принципиальные схемы во всех проектах содержат много типовых фрагментов, основанных на рекомендациях стандарта MIDI. Поэтому оставалось выбрать микроконтроллер с поддержкой USB режима Full Speed, найти в продаже оптрон PC900V и розетку DIN-5 (MIDI).
Сердцем моего MIDI2USB адаптера стал 8-битный микроконтроллер EFM8UB20F64G фирмы Silicon Laboratories. Мне он очень нравится, и я использую его везде, где могу. Этот контроллер является преемником (после ребрендинга) контроллера С8051F380, который пришёл на смену легендарному C8051F320 – удачной разработке фирмы Cygnal, которую в 2003 купила SiLabs.
Перечислю свои аргументы в пользу микроконтроллера EFM8UB20F64:

• удобство разработки ПО, которое выражается в наличии быстрых и простых в использовании GPIO, SPI, UART, USB, PCA;
  
• улучшенное 8051-ядро (1-2 такта на команду, 48MIPS), изменение частоты «на лету»;
  
• встроенный регулятор напряжения, толерантность выводов к +5В, ток до 100 мА;
  
• встроенный точный тактовый генератор с калибровкой от USB-хоста (± 0.25%);
  
• наличие библиотек USBXpress, VCPXpress, USB Device API и примеры для быстрого старта;
  
• чистая errata.

Программировать этот контроллер приятно, т.к. регистров мало и можно сосредоточиться на решении прикладной задачи. Увы, арифметические операции (особенно 32-битные) выполняются медленно, но в остальном EFM8 хорош. Разработка программного обеспечения для USB-устройств – это не простая задача. И тут есть главное преимущество контроллеров SiLabs – это библиотеки USBXpress, VCPXpress, USB Device API. Даже фирма Texas Instruments в своих платах SmartRF использует контроллеры C8051F320.
Оптрон – это второй по важности компонент в адаптере. Я решил взять Sharp PC900V, потому что именно он указан в рекомендуемой схеме MIDI-спецификации. Особенность этого оптрона – быстрые времена включения и выключения (1мкс и 2мкс), а также наличие цифрового выхода. Но есть и недостатки – большие размеры микросхемы (7х10мм) и выгорание на 50% через 5 лет эксплуатации. Габариты оптрона не позволили разметить все компоненты на одной стороне платы. Ещё мне не хотелось отказываться от разъёма MIDI, который занимал много места.

Рис.4 Задняя сторона платы с оптроном PC900V и светодиодами. Фото автора.
Выходной каскад собран по рекомендованной стандартом схеме на логической микросхеме 74LVC2G04, состоящей из двух инверторов. Основная цель этого компонента – преобразование уровней логических сигналов из 3В => 5В и обеспечение выходного тока не менее 10 mA.