Elektor

2/2000

Fast jeder PC verfügt heutzutage über
eine Soundkarte. Doch die meisten
Anwender nutzen sie ausschließlich
zur Wiedergabe von Sounds des
Betriebssystems, Audio-CDs oder
Soundeffekten von Spielen und Prä-
sentationen. Sie gebrauchen also ledig-
lich die Standardfeatures der zur
Soundkarte gehörenden Software,
obwohl es ausgezeichnete Programme
gibt, die es selbst dem Unmusikalisch-
sten erlauben, die vielfältigen Mög-
lichkeiten einer modernen Soundkarte
auszuschöpfen, die sogenannten Soft-
ware-Synthesizer.
Solche Synthesizer sind manchmal
sogar Teil des Softwarepakets, das
zum Lieferumfang (besserer) Sound-
karten gehört. Es gibt aber auch nicht
an eine Soundkarte gekoppelte Soft-
ware-Syntesizer wie Generator von
Native Instruments oder Rebirth von
Propellerhead. Softwarepakete simulie-
ren die Funktion und die Bedienung
eines Synthesizers: Ein Bildschirm
voll mit Schiebereglern und Dreh-
knöpfen, die mit der Maus bedient
werden und eine Art gordischen
Knoten für denjenigen darstellen, der
mehr machen möchte als nur einen

einzelnen Regler zu verstellen.
Die Schaltung, die wir in diesem Arti-
kel präsentieren, vereinfacht die Arbeit
mit einem Software-Synthesizer erheb-
lich. Sie nutzt die Fähigkeit von Soft-
ware-Synthesizern, MIDI-Kodes emp-
fangen und diese dazu verwenden zu
können, bestimmte Controller anzu-
steuern. Die Hardware der MIDI-
Knobbox kann daher sehr einfach
gehalten werden: Ein Mikrocontroller
liest über einen 8-Kanal-A/D-Wandler
reihum die Stellungen acht gewöhnli-
cher Potis. Verändern sich eine oder
mehrere Poti-Stellungen, verschickt der
Mikrocontroller diese Information im
MIDI-Format zum MIDI-Eingang der
Soundkarte. Der Software-Synthesizer
übersetzt die MIDI-Kodes in neue Stel-
lungen für die betroffenen Controller.

L

A Y E R

U N D

S

U P E R

- L

A Y E R

Im Zusammenhang mit MIDI taucht
oft der ein wenig nebulöse Begriff Layer
auf. Dies sind schlicht und einfach
Gruppen von jeweils acht Funktionen
des Synthesizers, die mit den acht Potis
der Knobbox korrespondieren, also
eine Art Mehrfachbelegung der Potis.

Die umständ-
liche Tastatur-

und Mausbe-

dienung der

Unzahl von

Knöpfen und Reglern

auf der Mattscheibe

des PC-Monitors

macht Sound-Tüfte-

leien mit einem Soft-

ware-Synthesizer oft-

mals zur Qual. Mit der

MIDI-Knobbox wird

das anders!

30

Entwurf von Thorsten Klose

Software-Synthesizer einfach bedient

MUSIK

MIDI-Knobbox

Die Knobbox besitzt Drucktasten, um
einen von sechs Layern auszuwählen.
Je nach gewähltem Layer verschickt
dann ein und dasselbe Poti (bezie-
hungsweise der Controller) unter-
schiedliche MIDI-Kodes.
Nun ist die Zuordnung der Layer zu
den spezifischen Funktionen nicht bei
allen Synthesizern gleich, vielmehr las-
sen sich unterschiedliche Syntheziser-
Gruppen ausmachen. Die verschiede-
nen Zuordnungsarten werden Super-
Layer genannt. Die Software der
Knobbox kennt die drei gebräuchlich-
sten Gruppen und paßt die MIDI-
Kodes deren spezifischen Bedürfnissen
an. Tabelle 1 gibt eine Übersicht des
Inhalts der sechs Layer innerhalb der
drei Super-Layer.

H

A R D W A R E

Die wichtigsten schon erwähnten Ele-
mente der Hardware sind in der Schal-
tung in Bild 1 schnell ausgemacht: Die
acht Potis sind an den Kanälen 0...7 des
Analog/Digital-Wandlers IC1 ange-
schlossen. Der MAX186, der schon in
mehreren Elektor-Projekten eingesetzt
wurde, verfügt über ein Interface zum
Mikrocontroller IC2, über das sowohl

die Datenausgabe
(DOUT) und Takt
SCLK) als auch die Ein-
stellung des Multiple-
xers (DIN) erlaubt. Die
Steuerung des Wandlers verläuft über
die Anschlüsse SSTRB und CS, alles im
Takt von SCLK.
Der Mikrocontroller ist ein PIC16F84,
der mit 10 MHz getaktet wird. Neben
den Poti-Stellungen liest er auch die
Einstellungen des Layers (S1...S6),
des MIDI-Kanals (S9...S12) und
außerdem zwei weitere Taster, näm-
lich MEMO und RESET. Über die
Bedeutung aller Taster und Schalter
informiert Tabelle 2.
Über Portleitung RB7 findet die MIDI-
Kommunikation mit der Soundkarte
statt. Eine optische Kontrolle der MIDI-
Signale erlaubt (die blinkende) LED
D2. Nicht ohne Grund sind hier zwei
Anschlußvarianten eingezeichnet. Die
Knobbox sollte nur über ein echtes
MIDI-Interface mit optischer Trennung
an die Soundkarte angeschlossen wer-
den. Ein optisch isoliertes Interface
gehört beispielsweise beim AWE-64-
Paket zum Lieferumfang, kann aber
auch einfach nachgerüstet werden.

Dabei läßt man entwe-
der circa 50 DM im
Computershop oder
kupfert eine der zahl-
reichen Elektor-Schal-

tungen ab (zum Beispiel das MIDI-
Interface im Halbleiterheft 1995, S. 58).
Nicht so schön, aber - wenn keine
anderen MIDI-Geräte angeschlossen
sind - denkbar ist der Anschluß der
Knobbox direkt vom Mikrocontroller
an die 15-polige Joystick-Schnittstelle,
die ebenfalls über einen MIDI-IN-Ein-
gang verfügt. Dabei schützt ein 220-

Ω

Reihenwiderstand in der Datenleitung
vor Kurzschlüssen. Einen Vorteil hat
diese Anschlußart: Die Spannungsver-
sorgung der Knobbox kann über die
Joystick-Verbindung erfolgen, so daß
D3, C17, C18 und IC3 entfallen.
Damit sind wir auch schon bei der
Spannungsversorgung. Bei “echter ”
MIDI-Schnittstelle ist eine externe
Stromversorgung unabdingbar, um die
galvanische Trennung von PC und
MIDI-Geräten sicherzustellen. Für aus-
reichend stabilisierte +5 V werden nur
C17...C19 und Festspannungsregler
IC3 benötigt. Die Energie liefert ein
einfaches +12-V-Steckernetzteil. D3

31

Elektor

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PIC16F84

OSC2

IC2

OSC1

MCLR

RA4

RA0

RA1

RA2

RA3

RB0

RB1

RB2

RB3

RB4

RB5

RB6

RB7

17

18

13

12

11

10

16

15

14

1

3

9

8

7

6

2

4

5

MAX186

REFADJ

SSTRB

IC1

DGND

AGND

DOUT

SCLK

SHDN

VREF

VSS

CH0

CH1

CH2

CH3

CH4

CH5

CH6

CH7

DIN

20

13

14

17

15

19

16

18

CS

10

11

12

9

1

2

3

4

5

6

7

8

C15

33p

C16

33p

X1

10MHz

R3

10

Ω

C10

100n

C9

10µ

63V

C13

10µ
63V

C17

10µ
63V

C19

10µ
63V

C14

100n

C18

100n

C11

100n

C12

100n

K3

C8

K5

R4

10k

K4

R1

1k5

7805

IC3

D1

R2

1k

470

Ω

P9

R15

10k

R14

10k

R13

10k

R16

10k

R11

10k

R10

10k

R9

10k

R12

10k

D3

1N4001

8x 100n

C7

C6

C5

C4

C3

C2

C1

R6

220

Ω

R8

1k5

D2

R7

10k

T1

BC547B

K1

R5

220

Ω

2

3

1

5

4

K2

K7

10

11

12

13

14

15

1

2

3

4

5

6

7

8

9

K6

P1

P2

P3

P4

P5

P6

P7

P8

K9

K10

S9 ... S12

3

S1

S2

S3

S4

S5

S6

S7

S8

1

2

4

8

5V

5V

5V

5V

INIT

VALUE

MIDI

DATA

MIDI CHANNEL

1

1

2

3

4

5

6

7

8

CV

CV

CV

CV

CV

CV

CV

CV

2

3

4

5

6

LAYER

MEMORY RESET

+5V

P1...P8 = 8x 47k

-10/P

K10

K9

K6

K5

K3

*

*

see text

*

zie tekst

*

siehe Text

*

voir texte

*

990087 - 11

12V

CV

1

2

3

4

K4

1

Bild 1. Der Mikrocon-
troller liest die Status
der Taster/Schalter
sowie sukzessive die
Werte der acht Potis.

verhindert, daß ein Verpolen des Netz-
teils die Elektronik beschädigen kann.

A

U F K L E I N S T E M

R

A U M

Um ihnen den Aufbau der Knobbox so
bequem wie möglich zu machen,
haben wir eine zigarettenschachtel-
große Platine entworfen (Bild 2), die

im Elektor-Produkt-Service mit der
Bezeichnung 990087-1 erhältlich ist.
Die Platine ist in einer guten halben
Stunde bestückt, Probleme sollten sich
dabei nicht ergeben. Achten sie auf die
korrekte Polarität der Elkos, der LEDs
und der ICs und vergessen sie nicht
die Drahtbrücke neben K5.

Anschließend bereitet man die
Bedieneinheit vor. Die Taster, Potis und
Schalter lassen sich in sinnvoller Anord-
nung wie in Bild 3 an der Frontplatte
festkleben und frei mit Flachbandkabel
verdrahten. Oder man befestigt die
Bauteile auf einer Lochrasterplatine
und verdrahtet sie in Fädeltechnik.

32

Elektor

2/2000

Tabelle 1. Zuweisung der Potis zu Layern und Super-Layern.

Layer

P1

P2

P3

P4

P5

P6

P7

P8

super-layer1 (Synthesizer AWE, EMU8000 und EMU10k-1)

layer1

Controller 10..17

layer2

Controller 18..1F

layer3

volume

Pan.

expr.

mod.

LP cutoff

LP reson.

Chorus

Reverb

layer4

LFO1 delay

LFO1 freq.

LFO1 pitch

LFO1 vol.

LFO2 delay

LFO2 freq.

LFO2 pitch

LFO2 vol.

layer5

Env1 delay

Env1 attack

Env1 hold

Env1 decay

Env1 sustain Env1 release

Env1 pitch

Env1 cutoff

layer6

Env2 delay

Env2 attack

Env2 hold

Env2 decay

Env2 sustain Env2 release

-, -

super-layer2 (XG-Synthesizer)

layer1

Controller 10..17

layer2

Controller 18..1F

layer3

volume

Pan

expr.

mod.

portamento

reverb

chorus

variation

layer4

attack

Decay

release

vib. Delay

vib. Rate

vib. Depth

cutoff

resonance

layer5

pitch init

Pitch attack

pitch rel.

p.r. time

vel. lim. L

vel. lim. H

-, -

layer6

ben. Pitch

Ben. Filter

ben. ampl.

ben. LFO

PMOD

ben. FMOD

D

ben. AMOD

super-layer3 (Software-Synthesizer)

layer1

Controller 00..07

layer2

Controller 08..0F

layer3

Controller 10..17

layer4

Controller 18..1F

layer5

Controller 20..27

layer6

Controller 28..2F

Tabelle 2. Funktion der Bedienelemente

Bauteil

Bezeichnung

Bedeutung

LED D2

MIDI Message

Blinkt, wenn eine MIDI-Message über den MIDI-OUT-Port gesendet wird.

Blinkt auch, wenn ein Poti genau zwischen zwei Quantisierungsniveaus steht.

LED D1

Init Value

Blinkt nach dem Einschalten zum Zeichen, daß ein der drei Super-Layer mit

S1...S3 eingestellt werden muß, leuchtet, wenn am zuletzt gedrehten Poti der

Initialisierungswert eingestellt wurde.

Schalter S1...S4

MIDI-Channel

Über diese vier Schalter wird der MIDI-Kanal eingestellt (binär kodiert).

Potis P1...P8

Fader

Potis, an denen die Werte eingestellt werden.

Taster S1...S6

Layer

Selektieren die Layer 1...6, nach dem Einschalten S1...S3 auch den Super-

Layer.

Taster S7

Memo

Zuletzt modifizierte Werte im aktuellen Layer speichern.

Taster S8

Reset

Aktuelle Werte durch vordefinierte Initialisierungswert überschreiben.

Natürlich können sie auch eine “echte”
Platine entwerfen. Die Flachbandkabel
werden schon im Hinblick auf den Ein-
bau in ein Gehäuse konfektioniert.

T

E S T

Um die Knobbox ausgiebig testen zu
können, benötigt man unbedingt
einen MIDI-Monitor mit MIDI-Thru-
Funktion für den PC, damit man die
gesendeten MIDI-Daten auf dem
Monitor beobachten und die Potis rich-
tig abgleichen kann. Mehr über einen
geeigneten MIDI-Monitor finden sie
im Kasten. Nach einem Sichtcheck der
Lötarbeiten steckt man nun die Kom-
ponenten zusammen, koppelt die
Knobbox mit dem PC, schaltet alles ein
und startet den MIDI-Monitor. Da im
jungfäulichen Zustand des PICs alle
Werte auf FF

H

stehen, werden sie

durch einen Druck auf die RESET-Taste
auf laut MIDI-Protokoll gültige Werte
gesetzt. Dann wählt man Super-Layer1
und Layer1 (default), indem man zwei-
mal auf S1 drückt.
Jetzt kommt der Augenblick der
Wahrheit: Beim Drehen an den Potis
sollte LED D2 aufblitzen und der

MIDI-Monitor Steuer-
kodes anzeigen. Die
Werte bewegen sich
zwischen 0 und 127.
Falls dies nicht geschieht, überprüft
man den Schaltungsaufbau, die Verka-
belung und die Einstellungen des
MIDI-Monitors gründlich, und wenn
sich danach noch immer nichts tut,
kann man Windows oder die Sound-
karte verfluchen.
Wenn der MIDI-Monitor jedoch die
ersten MIDI-Events anzeigt, ist alles in
Ordnung. Das Trimmpoti P9 in der
Schaltung bietet übrigens eine
Abgleichmöglichkeit, damit sich die
Werte wirklich zwischen 0 und 127

einstellen lassen. Man
überprüft, ob der
MIDI-Kanal an
S9...S12 (binär) geän-

dert werden kann und ob der Wechsel
des Layers funktioniert. Beim Wechsel
der Layer werden grundsätzlich alle
zuletzt gespeicherten Werte der Potis
über die MIDI-Schnittstelle ausgege-
ben. Dies hat den Vorteil, dass die
Parameter des Synthesizers respektive
der Soundkarte so zurückgesetzt wer-
den, wie sie zuletzt gespeichert wur-
den. Verstellt man beispielsweise in
Layer 3 die Lautstärke, wechselt in
einen anderen Layer und kehrt später
wieder zu Layer 3 zurück, nimmt die

33

Elektor

2/2000

990087-1

(C) ELEKTOR

C1

C2

C3

C4

C5

C6

C7

C8

C9

C10

C11

C12

C13

C14

C15

C16

C17

C18

C19

D1

D2

D3

H1

H2

H3

H4

IC1

IC2

IC3

K1

K2

K3

K4

K5

P9

R1

R2
R3

R4

R5

R6

R7

R8

R9

R10

R11

R12

R13

R14

R15

R16

T1

X1

3

1

990087-1

2

4

+

0

990087-1

(C) ELEKTOR

2

Bild 2. Die MIDI-Knobbox
läßt sich auf dieser klei-
nen Platine realisieren.

Stückliste

Widerstände:
R1,R8 = 1k5
R2 = 1 k
R3 = 10

Ω

R4,R7,R9...R16 = 10 k
R5,R6 = 220

Ω

P1...P8 = 47 k Poti linear
P9 = 470

Ω Trimmpoti

Kondensatoren:
C1...C8,C10...C12,C14,C18 = 100 n
C9,C13,C17,C19 = 10 µ/63 V radial
C15,C16 = 33 p

Halbleiter:
D1,D2 = LED high eff
D3 = 1N4001
T1 = BC547B
IC1 = MAX186BEPP
IC2 = PIC16F84-10/P (EPS996521-1)
IC3 = 7805

Außerdem:
K1 = 4-poliger SIL-Verbinder
K2 = 2 Lötnägel
K3,K6 = 10-poliger SIL-Verbinder
K4,K9 = 5-poliger SIL-Verbinder
K5,K10 = 6-poliger SIL-Verbinder
K7 = 15poliger Sub-D-Verbinder für

Chassismontage, male *

K8 = 5-polige DIN-Chassisbuchse

180° *

K11 = Steckernetzteil-Buchse
S1...S8 = Drucktaster 1

⋅an

S9...S12 = Schalter 1

⋅an

X1 = Quarz 10 MHz
Gehäuse: TEKO 363

(216

⋅130⋅77mm

3

)

Platine EPS 990087-1
Progr. PIC (EPS 996521-1)
(Siehe Service-Seiten in der

Heftmitte)

Lautstärke wieder
ihren ursprünglichen
Wert an. Möchte man
dies verhindern, ist vor

dem Layerwechsel
lediglich die MEMO-
Taste zu drücken.
Dabei werden übrigens

nur die Werte gespeichert, die nach
dem letzten Layerwechsel geändert
wurden.

(990087)rg

34

Elektor

2/2000

M R P C

MIDI REMOTE PARAMETER CONTROL

0

127

3

0

127

5

0

127

7

0

127

1

2

LAYER

MEMORY

1

MIDI

DATA

INIT

VALUE

RESET

2

3

4

5

6

CHANNEL

0

127

4

0

0

0

127

6

127

8

127

990087 - F

+

-

MIDI-Monitore

Es gibt eine Reihe von brauchbaren MIDI-Monitoren für den PC.
Ein hervorragend geeignetes Programm ist MIDI-OX, das als
Beta-Version kostenlos im Internet unter
www.members.xoom.com/_XOOM/MIDIOX/moxbeta.htm erhält-
lich ist. Nach Installation und Programmstart müssen zunächst die
MIDI-Geräte (Menü Options/MIDI Devices oder Klick auf den dun-
kelblauen Knopf mit dem fünfpoligen DIN-Verbinder) selektiert
werden (Bild A). Auf diesem PCl ist der MIDI-Ein- und der MIDI-
Ausgang der SoundBlaster SB16 aktiv.
Das MIDI Port Activity-Fenster in Bild B erscheint durch Druck auf
die hellgrüne DIN-Ikone in der zweiten Knopfgruppe. Jeder MIDI-
Ein- und -Ausgang erhält eine eigene Reihe “LEDs”, damit deut-
lich ist, auf welchem MIDI-Kanal Aktivität ist.
Der Inhalt der gesendeten Daten erscheint im Monitor-Output. Die
erste Spalte gibt den (MIDI-OX-generierten) Zeitpunkt der MIDI-
Mitteilung an, die zweite den MIDI-Port, über den sie eingetroffen
ist (in diesem Fall Port 1 über SB16 MIDI). Das folgende Byte
0BF

H

besteht zur Hälfte aus einem Control Change (wird durch

ein B angegeben) und dem MIDI-Kanal (F entspricht MIDI-Kanal
16). DATA1 zeigt die Nummer des Controllers (hier 0...127),
DATA2 den zugeteilten Wert an. Genau wie bei DATA1 werden
auch hier nur die sieben LSBs gebraucht, so daß der Wertebe-
reich von 0...127 reicht. CHAN zeigt noch einmal den MIDI-Kanal.
Beachten sie, daß MIDI offiziell mit den Kanalnummern 1...16
arbeitet, viele Programme aber 0...15 gebrauchen.
Wenn andere Super-Layer aktiv sind oder der Layer gewechselt
wird, ändern sich auch die Meldungen im Monitor. Wer sich näher
mit den Hintergründen von MIDI beschäftigen möchte, findet im
Internet ausreichend Literatur, zum Beispiel Eddie’s Home - MIDI -
RPN and NRPN (http://members.delosnet.com.tlc/nrpn.htm).
MIDI-OX ist vor allem geeignet, um die Funktion von Geräten zu
kontrollieren. Wer sich tiefer in die Materie einarbeiten will, findet
einfach bedienbare und leistungsfähige Programme wie Generator von Native Instruments oder Rebirth von Propellerhead.
Von beiden Programmen sind kostenlose Demos erhältlich, die zeitlich (stark) beschränkt sind und über keine Speicherfunk-
tion verfügen, sich aber dennoch hervorragend zum “Spielen” mit der Knobbox eignen.

Bild 3. Eine sinnvolle
Anordnung der
Bedienelemente auf
der Frontplatte
(Maßstab 70%).

3