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diff --git a/doc/xilofono.tex b/doc/xilofono.tex index 6ada6aa..d8b06ed 100644 --- a/doc/xilofono.tex +++ b/doc/xilofono.tex @@ -1,8 +1,5 @@ \documentclass[a4paper, 10pt]{report} -% layout -\usepackage[margin=3cm]{geometry} - % language / document \usepackage[italian]{babel} @@ -10,6 +7,7 @@ \usepackage{lmodern} % font \usepackage{anyfontsize} + % urls \usepackage{url} \urlstyle{tt} @@ -27,8 +25,31 @@ \usepackage{booktabs} % code +\usepackage{xcolor} \usepackage{listings} +\lstdefinestyle{customc}{ + belowcaptionskip=1\baselineskip, + breaklines=true, + frame=none, + % margin + xleftmargin=\parindent, + % numbers + numbers=left, + numbersep=5pt, + numberstyle=\footnotesize\color{gray}, + % + language=C, + showstringspaces=false, + % font + basicstyle=\ttfamily\normalsize, + keywordstyle=\color{green!40!black}, + commentstyle=\color{gray}, + identifierstyle=\color{black}, + stringstyle=\color{orange}, +} +\lstset{escapechar=@,style=customc} + % parskip \setlength{\parskip}{1em} @@ -36,6 +57,14 @@ \title{Xilofono MIDI} \author{Naoki Pross, \textit{SAM Bellinzona}} +% layout +\usepackage[margin=3cm]{geometry} +\usepackage{titlesec} + +\titleformat{\chapter}[hang]{\Huge\bfseries} + {\thechapter.}{.8em}{\Huge} +\titlespacing*{\chapter}{0pt}{-30pt}{10pt} + \begin{document} \maketitle @@ -43,17 +72,20 @@ %\begin{abstract} %\end{abstract} +% --------------------------------------------------- \chapter{Introduzione} \section{Requisiti} -Lo Xilofono digitale \`e un dispositivo in grado di rilevare le note suonate dall'utente per poi salvarle in un dispositivo esterno in formato MIDI. +Lo Xilofono MIDI \`e un dispositivo in grado di rilevare le note suonate dall'utente per poi salvarle in un dispositivo esterno in formato MIDI. Esso \`e costruito utilizzando parti da uno Xilofono ``Sonor Tag 25'' modificato con dei circuiti di misura. +% --------------------------------------------------- +\chapter{Hardware} \section{Elemento piezoelettrico} Il sensore piezoelettrico quando colpito genera una tensione oscillante come mostrato nella figura \ref{fig:piezo-waveform}. La tensione generata ha bisogno solamente di una correzzione minimale per poter entrare in un circuito di misura CMOS. \`E necessario quindi rimuovere o smorzare la parte negativa dell'oscillazione. \begin{figure}[H] \centering \begin{tikzpicture} \begin{axis}[ - ylabel={Tensione $u_x(t)$ [V]}, + ylabel={Tensione $u_x(t)$[V]}, xlabel={Tempo $t$ [s]}, xmin=-0.05, xmax=0.4, grid=major, @@ -74,16 +106,72 @@ Il sensore piezoelettrico quando colpito genera una tensione oscillante come mos \end{figure} \section{Circuito di misura} -Per ogni listello della tastiera dello strumento \`e presente un circuito di misura composto dall'elemento piezoelettrico, per rilevare il colpo, e dei diodi che limitano la tensione tra \(V_{cc}\) (5V) e \(V_{ss}\)(0V). - +Per ogni listello della tastiera dello strumento \`e presente un circuito di misura composto dall'elemento piezoelettrico, per rilevare il colpo, e dei diodi che limitano la tensione tra \(V_{cc}\) (5V) e \(V_{ss}\) (0V). Il piezoelettrodo utilizzato \`e un Murata 7BB-20-06 con una frequenza di risonanza di \(6.3\pm 0.6~\mathrm{kHz}\). \begin{figure}[H] \centering \includegraphics[width=.5\linewidth]{figures/reduced-circ.tikz} \caption{Circuito di misura} \end{figure} -\section{Microcontroller} -Per gestire i segnali forniti dai circuiti di misura \`e presente un PIC18F44K22, che esporta le informazioni delle note suonate in formato MIDI via seriale. +% --------------------------------------------------- +\chapter{Software} +\section{Misurazione del piezoelettrodo} +Non volendo utilizzare dei circuiti analogici per filtrare il segnale la correzione della misura viene effettuata dal microcontroller. Con una frequenza di campionamento regolabile tra gli 1 e i 4 kHz (attualmente impostata al massimo, 4kHz) il programma utilizza un sistema di maschere e shift, operazioni idealmente poco costose in performance, per determinare se una misura \`e un rimbalzo di una nota precedente o una nuova nota. + +Il microcontroller tiene una cronologia di 32 campioni per ogni nota salvando le misurazioni nei bit di un \texttt{uint32\_t}. Per aggiungere una nuova misura dunque \`e sufficiente un left shift ed un bitwise OR. +\begin{lstlisting} +key_data = (key_data << 1) | PORTXbits.PX0; +\end{lstlisting} +Per controllare che una misura non sia un rimbalzo, al dato contenente la cronologia (\texttt{key\_data}) viene applicata una maschera che controlla se ci sono gi\`a stati dei campioni validi in precedenza. In altre parole la maschera nasconde i campioni recenti e controlla che non ci siano campioni pi\`u vecchi al valore logico 1. Il valore della maschera viene impostato sperimentalmente. +\begin{lstlisting} +#define NOTE_MASK 0xFFFFF000 +int is_pressed = key_data && !(key_data & NOTE_MASK); +\end{lstlisting} + +% TODO write stuff +\begin{figure}[H] \centering +\begin{tikzpicture} +\begin{axis}[ + ylabel={Tensione $u_x(t)$ [V]}, + xlabel={Tempo $t$ [s]}, + % xmin=-0.02, xmax=0.02, + grid=major, + grid style=dotted, + width=\linewidth, + height=6.5cm +] + % source + \addplot [color=blue!70, smooth] table [ + mark=none, + each nth point=2, + x=Time, y=Voltage, + col sep=semicolon + ] {data/piezo-filter-2/piezo-filter-waveform-ch1.csv}; + + % not filtered + \addplot [color=gray!70, smooth] table [ + mark=none, + each nth point=2, + x=Time, y=Voltage, + col sep=semicolon + ] {data/piezo-filter-2/piezo-filter-waveform-ch3.csv}; + + % filtered + \addplot [color=black, smooth, thick] table [ + mark=none, + each nth point=2, + x=Time, y=Voltage, + col sep=semicolon + ] {data/piezo-filter-2/piezo-filter-waveform-ch2.csv}; +\end{axis} +\end{tikzpicture} +\caption{ + Tensione sul piezoelettrodo, il segnale misurato e il segnale filtrato. + \label{fig:piezo-filter-waveform} +} +\end{figure} + + \section{Protocollo MIDI} L'acronimo MIDI (Musical Instrument Digital Interface) indica il protocollo standard per l'interazione degli strumenti musicali elettronici, anche tramite un computer\cite{wiki:midi}. @@ -93,10 +181,9 @@ Il protocollo MIDI \`e composto da pi\`u parti per il trasporto, i file e per l' \begin{figure}[H] \centering -\begin{tikzpicture}[scale=1.5] +\begin{tikzpicture}[scale=2] \timing at (0,1) {L4D{Status}4D{D0}4D{D1}4D{D2}4D{...}}; \timing at (0,.5) {L4D{0x90}4D{0x3C}4D{0x7F}4L4L}; - %\timing at (0,0) { \end{tikzpicture} \caption{Esempio di trasmissione MIDI} \end{figure} @@ -145,20 +232,17 @@ Per il progetto \`e stato implementato un API (Application Programming Interface La struttura dati \texttt{midi\_message\_t} \`e allineata con dei bit-fields\cite[P.150]{xc8} ed un flexible array member (\texttt{data[]}) in modo da poter essere mandata direttamente come \texttt{void*} (void pointer) attraverso la seriale. % replace with lstings? -\begin{minipage}{\linewidth} -\begin{verbatim} +\begin{lstlisting} typedef struct { unsigned status :4; unsigned channel :4; uint8_t data[]; } midi_message_t; -\end{verbatim} -\end{minipage} +\end{lstlisting} Sono definite in oltre le seguenti enumerazioni per migliorare la leggibilit\`a del codice. -\begin{minipage}{\linewidth} -\begin{verbatim} +\begin{lstlisting} typedef enum { C = 0, // Do D = 1, // Re @@ -168,11 +252,9 @@ typedef enum { A = 5, // La B = 6, // Si } midi_note_t; -\end{verbatim} -\end{minipage} +\end{lstlisting} -\begin{minipage}{\linewidth} -\begin{verbatim} +\begin{lstlisting} typedef enum { NOTE_ON = 0x8, NOTE_OFF = 0x9, @@ -182,28 +264,24 @@ typedef enum { CHANNEL_PRESSURE = 0xD, PITCH_BLEND = 0xF } midi_status_t; -\end{verbatim} -\end{minipage} +\end{lstlisting} \subsection{API per dispositivi senza allocazione di memoria dinamica} Purtroppo alcuni microcontrollori, tra cui il PIC18F45K22 non supportano l'allocazione di memoria dinamica necessaria per allocare il flexible array member della struttura \texttt{midi\_message\_t}. Dunque la libreria MIDI \`e stata modificata per utilizzare la struttura dati come segue. -\begin{minipage}{\linewidth} -\begin{verbatim} +\begin{lstlisting} typedef struct { unsigned status :4; unsigned channel :4; size_t data_size; uint8_t data[MIDI_DATA_MAX_SIZE]; } midi_message_t; -\end{verbatim} -\end{minipage} +\end{lstlisting} Nello specifico, nel file header si presenta nel seguente modo. La macro \texttt{MIDI\_DYNAMIC\_MEMORY\_ALLOC}, normalmente non definita, indica all'API che pu\`o usufruire dell'allocazione dinamica. Quindi che le funzioni \texttt{malloc} e \texttt{free} siano implementate. -\begin{minipage}{\linewidth} -\begin{verbatim} +\begin{lstlisting} typedef struct { unsigned status :4; unsigned channel :4; @@ -215,14 +293,12 @@ typedef struct { uint8_t data[MIDI_DATA_MAX_SIZE]; #endif } midi_message_t; -\end{verbatim} -\end{minipage} +\end{lstlisting} Lo svantaggio di questa interfaccia \`e che non rende possibile mandare direttamente i pacchetti MIDI come un qualsiasi buffer. \`E necessario infatti implementare una funzione specifica per ogni piattaforma. A seguire un esempio abbastanza generico per le piattaforme che implementano la funzione \texttt{putch}. -\begin{minipage}{\linewidth} -\begin{verbatim} +\begin{lstlisting} int eusart_write_midi(midi_message_t *pkt) { size_t lenght; @@ -243,10 +319,9 @@ int eusart_write_midi(midi_message_t *pkt) return 0; } -\end{verbatim} -\end{minipage} - +\end{lstlisting} +\chapter*{Allegati} \begin{table*}[ht] \caption{Sommario degli status bytes\label{tab:status-bytes}} \centering @@ -272,6 +347,9 @@ int eusart_write_midi(midi_message_t *pkt) \end{tabular} \end{table*} +\listoffigures +\listoftables + \begin{thebibliography}{9} \bibitem{wiki:midi} \textit{Musical Instrument Digital Interface}, |