Kernschmelzung: MIDI-Merger mit 4 Ein- und 2 Ausgängen

Selbstverständlich soll diesmal nicht die Rede von Uran oder Plutonium sein, sondern von einem kleinen unscheinbaren Helfer, der bei Arbeiten mit dem Computer in Verbindung mit MIDI-Geräten nützliche Dienste leistet. Die Verkabelung eines ATARI-Computers mit „MIDIfizierten“ Musikinstrumenten ist sicherlich schon jedem geläufig, da die vom Werk eingebauten MIDI-Buchsen eine Verbindung zu Geräten mit einer solchen MIDI-Schnitt-stelle so stark vereinfachen, daß auch jeder Neueinsteiger gleich loslegen kann.

Bei dem ein oder anderen „MIDIaner“ ist das Equipment schon zu .einem gewaltigen Fuhrpark von Instrumenten und Effektgeräten herangewachsen. Sitzt man erst allabendlich in seiner Keyboard-Burg, interessieren nicht mehr die Allerweltsprobleme wie das (die) recyclingfähige Toilettenpapier (Verpackung) oder Toilettenpapier aus 100% Altpapier, was ohnehin nur zwielichtige Rückschlüsse zuläßt. Die kleinen und großen Unannehmlichkeiten, die einem MIDI-Musiker über den Weg laufen, können meistens mit geringem Aufwand behoben werden. Ein gutes Beispiel dafür ist, wie in der Ausgabe ST-Computer 1/92 beschrieben wurde, das zwangsläufige Verzögern der MIDI-Daten beim Hintereinanderschalten mehrerer Synthesizer und Expander. Ein über die Thru-Buchse ausgegebenes Signal ist von einem Delay behaftet, das sich von Gerät zu Gerät addiert und zu unangenehmen Nebenerscheinungen führen kann. Durch die erhöhten Datendurchlaufzeiten trifft das Signal am Ende einer MIDI-Kette so spät ein, daß dies sogar hörbar wird und das Timing-Verhalten stark stören kann. Abhilfe hat hier eine MIDI-THRU-BOX geschaffen, die für wenig Geld von fast jedem selbst nachgebaut werden kann. Der hektische Anrufer, der die Redaktion rebellisch gemacht hat, ist nach Findung des selbst eingebauten Fehlers nun auch zum Erfolg gekommen. Als Tip für alle: Sollte ein Aufbau mal nicht sofort funktionieren, dann Spannung abschalten und die Schaltung optisch kontrollieren. In den meisten Fällen ist dann der Fehler schnell gefunden. Die MIDI-THRU-BOX hat die Aufgabe, ein einzelnes MIDI-Signal zu vervielfältigen, um nicht über die Thru-Ausgänge eines Gerätes verbinden zu müssen. Alle angeschlossenen MIDI-Empfänger erhalten dann die Daten gleichzeitig, und hörbare Verzögerungen treten nicht mehr auf. Eine sehr schöne Erfindung, wie ich meine, um den ATARI-Ausgang effizienter nutzen zu können. Aus einem Ausgang vier zu machen, ist also kein Problem. Was ist nun zu tun, um aus einem „Eingang“ 2 oder sogar 4 zu machen? Dazu wird ein Gerät benötigt, das in der Lage ist, mehrere „digitale“ Datenströme zu mischen. Diese Erfindung hat man treffenderweise „MERGER“ genannt; sie soll in diesem Testbericht durch den MMG 4/2 der Firma Döpfer Musikelektronik zur Repräsentation kommen.

Abbildung 1: Der MMG 4/2 als Mittelpunkt eines ATARI-MIDI-Studios
Abbildung 2 : Der MMG 4/2 mit Speicher, CPU und ACIAs

Kleine MIDI-Kunde

Digitale Daten unterliegen strengeren Gesetzmäßigkeiten als Audio-Signale, die mit einem handelsüblichen Mischpult verarbeitet werden können. Aus diesem Grund benötigt man etwas Elektronik, um die verschiedenartigen Datentypen auseinanderzuhalten. Hinzu kommt das Manko, daß die interne parallele Verarbeitung in einem Synthesizer, aus Übertragungsgründen seriell gewandelt wird, um über ein MIDI-Kabel mit 2 Leitungen senden bzw. empfangen zu können. Die „Nullen“ und „Einsen“, die mit 31.25 KHz über das Kabel sausen, unterliegen im Empfänger einer Seriell-parallel-Wandlung. Verlangt das bestehende Equipment das Bedienen eines einzelnen Gerätes gleichzeitig von 2 verschiedenen Sendern aus, ist der Einsatz eines MIDI-Mergers vonnöten. Wie so ein Gerät die eintreffenden Informationen behandelt, ist am besten durch die Erläuterung einiger MIDI-Befehle zu veranschaulichen. Nehmen wir einmal Befehle, die geräteübergreifend sind und nahezu von allen MIDI-Geräten gesendet und/oder empfangen werden. Keyboard 1 sendet eine Note auf MIDI-Kanal 2. Ein recht simples Unterfangen, das kaum Zeit in Anspruch nimmt, aber dennoch einige Rechenoperationen erfordert. Die nun folgenden Bits verlassen über den MIDIOUT den Sender. Es entsteht aus dem einfachen Anschlägen einer Taste ein 3-BYTE-Befehl (24 Bit).

Status-Byte 2.Byte 3.Byte
1001 nnnn 0kkk kkkk 0vvv vvvv

Dies ist ein einfacher Note-ON-Befehl. Das Status-Byte beinhaltet in diesem Fall eine 9 (1001), die für einen Notenbefehl verwendet wird. Die nächste Tetrade (auch Nibble genannt), bestimmt den MIDI-Kanal. 0000 (0) bedeutet Kanal 1 und 1111 (F) Kanal 16. Bei manchen Empfängern kann diese Tetrade ignoriert werden, so daß jeder MIDI-Kanal empfangen wird. Hieraus resultieren die Poly-/Mono-Einstellungen, die die MIDI-Kanäle selektiv oder global behandeln. Das 2. Byte birgt die eigentliche Noteninformation. Die mit „0“ bezeichnete Position wird nicht benötigt. Die „K“s stehen für die Werte 0-127. Auch Keyboards mit nicht so vielen Tasten vermögen so viele Werte zu empfangen und zu spielen. Das 3. Byte stellt den Velocity-Wert dar, der angibt, wie stark eine Taste angeschlagen wurde. Auch hier sind Werte von 0-127 möglich. Zu diesem Note-On gehört (normalerweise) auch ein Note-Off, das wie folgt aussieht:

Status-Byte 2. Byte 3. Byte
1001 nnnn 0kkk kkkk 0000 0000

Der einzige Unterschied liegt im dritten Byte. Hier wird der Velocity-Wert auf „0“ gesetzt und der Ton verstummt. Langsam sollte klar werden, warum in vielen Editor-Programmen die Werte 0 bis 127 oder -64 bis +64 einstellbar sind . Bei Keyboards ohne Anschlagsdynamik wird das 3.Byte in der Regel auf 64 festgelegt. Alle MIDI-Informationen beginnen mit einem Status-Byte, das als höchstwertigstes Bit eine „1“ enthält, um dem Empfänger mitzuteilen, daß nun nach einer eventuellen Sendepause, die aus lauter Nullen besteht, eine Nachricht eintrifft. Das Modulationsrad erzeugt zum Beispiel folgenden Befehl:

1011 nnnn 0000 0001 0vvv vvvv,

und wird durch Ersetzen der „v“s mit Nullen widerrufen. Die Rasterungen der Modulationsradparameter sind oftmals geringer als der bestehende Parameterbereich eines entsprechenden Sequenzerprogrammes. Nicht vorhandene Werte werden ignoriert oder für einen linearen Verlauf angepaßt.

1011 nnnn 0000 0001 0vvv vvvv Modulation 
1011 nnnn 0000 0111 0vvv vvvv MIDI-Volume 
1011 nnnn 0100 0000 0000 0000 Hold-Off 
1011 nnnn 0100 0000 0111 1111 Hold-ON

Diese aufgeführten Befehle sind ein kleiner Auszug aus den verschiedenen Controller-Festlegungen. Hier besteht eine recht klare Linie, um MIDI- Geräte miteinander kommunizieren zu lassen. Das Status-Byte kündigt einen Controller-Befehl an, und das 2.Byte benennt den Controller. Im 3.Byte wird der Controller-Wert festgelegt. Im ersten Beispiel handelt es sich um Controller „1“(0001), das Modulationsrad. Im zweiten Beispiel sieht man Controller „7“(0111), der die MIDI-Lautstärke bestimmt. Dieser Controller „7“, der leider nicht von allen älteren Geräten empfangen wird, übernimmt die Mischpultfunktion für jeden einzelnen MIDI-Kanal und hat prinzipiell die gleiche Funktion wie der Schieberegeier eines Mixers, der zur Verarbeitung von akustischen Signalen dient. Es bringt also nichts, ein Poti in das MIDI-Kabel einzubauen, um die Lautstärke zu regeln. Dieser Versuch würde ganz sicher nicht von Erfolg gekrönt. Sollte mal ein „Notenhänger“ entstehen, kann es daran liegen, daß ein beliebiges Bit des Note-Off-Befehls nicht korrekt empfangen wurde. Liegt der Fehler im Status-Byte, könnte zum Beispiel auf einem falschen MIDI-Kanal eine Note ausgeschaltet werden, die zuvor aber nicht geklungen hat. Solche unschönen Fehler können durch schlechte oder zu lange Kabel, aber auch durch unsauber programmierte Software entstehen. Manche Keyboards neigen durch verschmutzte Tastenkontakte zu Fehlem, die durch einfache Reinigung in einem Fachgeschäft zu beheben sind. Hauptsächlich bestehen alle Befehle aus 2 oder 3 Bytes; alle hier aufzuführen und ausschweifend zu erläutern, würde die ST-Computer zu einer ottokata-logartigen Ausgabe (Frühling/Sommer) heranwachsen lassen. Als nächstes Befehlsformat stehen noch die „SYSTEMEXCLUSIVDATEN“ bereit, die keiner bestimmten Norm unterliegen und von Hersteller zu Hersteller anders aufgebaut sind. Im folgenden Beispiel wird ein sogenannter Sys-EX-String aufgezeigt. Der kürzeren Schreibweise wegen benutze ich nur das hexadezimale Format (16er Zahlensystem).

F0 - Exclusive-Status(Beginn von SYS-EX)
41 - Hersteller-Identifizierung (hier Roland)
DEV - Geräteadresse
MDL - Modell-Identifizierung
CMD - Command bestimmt die Datenart
MAIN DATA - die ist der eigentliche Parameterdatenblock
F7 - EOX, hiermit wird die SYS-EX-Meldung abgeschlossen End of Exclusive

Dieser Sys-Ex-Befehl kann sich von anderen unterscheiden, um für jede Art von Daten ein bestimmtes Format zur Verfügung zu haben. Das Status-Byte „F0“ beginnt diese Nachricht, und „F7“ beendet sie. Diese sehr mächtige Art, Daten zu senden, wird beim „Verschicken“ von einzelnen Sounds oder ganzen Sound-Bänken verwendet. Es gibt noch unzählig viele Anwendungsmöglichkeiten, und es werden noch mehr hinzukommen, was in diesem Bericht aber nicht mehr erläutert werden soll. Durch diese kleine MIDI-Kunde soll dem Nichtelektroniker, aber dennoch interessierten MIDI-Anwender, veranschaulicht werden, welche Klimmzüge nötig sind, um zwei oder mehrere MIDI-Signale miteinander zu mischen. Weiterhin soll diese Einführung dem besseren Verständnis der Schaltungsbeschreibung des MMG 4/2 dienen.

Abbildung 3 und 4 : Beide Ansichten der doppelseitigen Platine

Einsatz

Der MIDI-MERGER MMG4/2 findet überall dort Anwendung, wo mehrere MIDI-Signale zu einem zusammengefaßt werden sollen, um ein einzelnes Gerät ansteuern zu können, ohne umständlich die Kabel anders einstöpseln zu müssen. Dieser MERGER (Verschmelzer) kann auf vielfältige Weise zum Einsatz kommen. Eine mögliche Anwendung wird in Abbildung 1 gezeigt.

Ein weiteres Einsatzgebiet wäre das Ansteuern eines einzelnen Expanders, der imstande ist, auf mehreren MIDI-Kanälen gleichzeitig zu empfangen. Die MIDI-Signale zweier Tastaturen, ohne Tonerzeugung, und die eines Baßpedals lassen das Spielen durch einen Merger wie auf einer Heimorgel zu. Der MMG 4/2 ist in zwei verschiedenen Modi zu betreiben. Modus 1 verschmelzt alle 4 Eingänge und gibt die zusammengefaßten Signale auf beiden Ausgängen gleichzeitig aus. Im 2. Modus werden Eingang 1 und 2 auf Ausgang 1 gemergt, gleichermaßen wird die Summe aus Eingang 3 und 4 dem Ausgang 2 zugeordnet.

Ein Panic-Taster setzt alle Controller-Daten auf „0“ zurück, um gegebenenfalls Notenhänger eliminieren zu können. Eine kleine Leuchtdiode zeigt an, ob MIDI-Daten empfangen werden. Wird nun ein MIDI-Equipment wie in Abbildung 1 betrieben und der Modus 1 verwendet, so können der ATARI-Computer und alle 3 angeschlossenen Masterkeyboards die 6 Expander spielen und bedienen. Leider hat diese Vorgehens weise einen Nachteil, da die gestrichelt eingezeichnete MIDI-Verbindung eine MIDI-Schleife erzeugt, weil die gesendeten ATARI-Daten, zum Beispiel eines Sequenzer-Programmes, über die Thru-Anschlüsse der Expander 5 und 6 wieder zur Aufnahme anstehen würden. In diesem Fall sollte die gestrichelte Verbindung getrennt werden. Jetzt nicht gleich einen Seitenschneider holen, ein einfaches Herausziehen des Kabels reicht auch. Im 2. Modus, der wie oben schon erwähnt immer 2 Eingänge zusammenfaßt, könnte die Verbindung bestehen bleiben. Master 2 und 3 spielen dann direkt Expander 5 und 6. Über die Thru-Verbindung kann der ATARI das entsprechende Sequenzerprogramm aufnehmen. Master 1 und der ATARI bedienen die Expander 1 bis 4. Ist die Thru-Funktion des ATARI-Programmes eingeschaltet, können Master 2 und 3 auch die Expander 1 bis 4 spielen. Expander 5 und 6 können dabei leise geschaltet werden, um nur das zu hören, was der Sequenzer auf den ersten 4 Expandern spielt. Da nicht alle mit reinen Masterkeyboards arbeiten, können die Expander genau so gut durch die internen Klangerzeugungen von „normalen“ Keyboards ersetzt werden. Eine Local-Off-Funktion wäre dann von Vorteil. Der Sinn, mit verschiedenen Keyboards eine Sequenz einzuspielen, liegt darin, daß nicht alle Geräte über die gleichen Features verfügen, und lieber ein Piano mit entsprechender Anschlagsdynamik und einer Tastatur mit Piano-Feeling eingespielt werden soll. Gerät „XY“ besitzt ein gut zu bedienendes Modulationsrad, und „XYZ“ wiederum läßt ein tolles Aftertouch zu. Gründe genug, um mit verschiedenen Keyboards (Tastaturen) seine Klangerzeuger anzusteuern. Sind die Songs erst einmal erstellt, benötigt der Sequenzer beim Abspielen die Masterkeyboards nicht mehr. Weiterhin hat der MMG 4/2 den Vorteil, daß beim Editieren mit dem ATARI nicht immer wieder die Kabelverbindungen geändert werden müssen. In unserem aufgezeigten Beispiel stehen die ersten 4 Expander zur direkten Programmierung durch den ATARI bereit.

Der Schaltplan

In Abbildung 2 sehen wir den Schaltplan des MMG 4/2 mit seinen 4 Empfängerbausteinen. Diese ACIAs (Asynchronous Communications Interface Adapter) wandeln die eintreffenden seriellen Daten byteweise in parallele um. IC 9 und 11 stehen gleichzeitig zur Parallel/Seriell-Wandlung bereit und senden die Nachrichten aus. IC 6,8,10 und 12 sind Optokoppler, die schon bei der MIDI-THRU-BOX zum Einsatz kamen, und dienen der galvanischen Trennung der Eingangssignale. Die CPU 8031/51 übernimmt in Verbindung mit IC 3 die eigentliche Datenverarbeitung. IC 3 ist ein EPROM, das mit einer entsprechenden Software ausgestattet und nur bei der Firma Döpfer zu erhalten ist. Ohne genau dieses EPROM läuft der Merger nicht. Der einzige Schwachpunkt des MMG 4/2 ist der durch die CPU begrenzte Adreßbereich, der keinen größeren Puffer als 8 KB zuläßt. IC 4 stellt diesen Puffer dar, der bei Einsatz des 6116 als RAM nur 2 KB groß ist. Die Platine ist von Werk ab für diesen kleineren Bereich ausgelegt, aber sehr einfach durch eine Schlitzung und eine Zinnbrücke auf den 8-KB-Bereich umrüstbar. In diesem Fall wird ein 6264 bestückt. Die Platine, die auch direkt zu beziehen ist, kostet zur Zeit 40,-DM und ist von sehr guter Qualität. Sie ist bedruckt und mit einer Lötstopmaske versehen. Wer lieber selber ätzen will, kann Abbildung 3 und 4 als Vorlage benutzen.

Die eingangs erwähnten Datenformate bringen hier und da ein paar Nachteile mit sich. Die systemexklusiven Datenblöcke dürfen nicht von anderen Informationen unterbrochen werden. Ein 3-Byte-Befehl wird ohne großen Aufwand abgehandelt, wenn keine anderen Datenströme anstehen. Läuft aber gerade ein Sys-Ex-Block, ist es notwendig, alle weiteren Daten, die am MMG 4/2 eintreffen, zwischenzuspeichern. Das geht natürlich nicht unbegrenzt, so daß irgendwann Datenverluste zu befürchten sind. Die Eingänge 2 und 3 haben softwareseitig eine bevorzugte Stellung und sollten für längere Datenblöcke (Sys-Ex) reserviert sein.

Abbildung 5: Der Bestückungsplan des MMG 4/2

Zur Kasse

Der MMG 4/2 kann direkt bei der Firma Döpfer bestellt werden und wird in folgenden Varianten angeboten: als Bausatz für 158,- DM ohne und 178,- DM mit Gehäuse; Fertiggerät für 218,- DM ohne und 248,- DM mit Gehäuse. Wer nur die Platine bestellen will, sollte dafür 40,- DM und für das programmierte EPROM 60,- DM ins Kalkül ziehen. Das Fertiggerät wird in einem grauen Plastikgehäuse, mit den Maßen (B/H/T) ca. 14 X 5 X 11 cm ausgeliefert. Die rote, aus Plexiglas bestehende Frontplatte ist übersichtlich beschriftet und birgt nur 2 Bedienungselemente (Mode und Panic). Die drei Leuchtdioden geben Aufschluß über den verwendeten Modus, Netzspannungskontrolle und die MIDI-Aktivität. Auf der Rückseite befinden sich die 6 MIDI-Anschlüsse, 4mal Input, 2mal Output und eine Miniklinkensteckerbuchse für das nicht zum Lieferumfang gehörende Netzgerät. Bei Bestellung eines Bausatzes gehört eine sehr gut gegliederte deutsche Bedienungs- bzw. Bauanleitung zum Paket, die nicht nur die Bedienung des Mergers beschreibt, sondern auch die Schaltung und den Aufbau in vielen Details erklärt. Ein Bausatz, der von einem Kunden nicht zum Laufen gebracht wird, wird von der Firma Döpfer (kostenpflichtig) repariert.

Plus/Minus

Der MMG 4/2 ist trotz einiger Einschränkungen ein hilfreicher Diener, der ein gutes Preis/Leistungsverhältnis bietet. Bauteilkenntnisse und etwas Übung mit dem Lötkolben, helfen hier, eine Menge Geld zu sparen. Das relativ kleine Gehäuse hat sicherlich seine Vorteile, bereitet aber Schwierigkeiten, es in ein 19"-Gehäuse zu integrieren. Wer den Rack-Einbau vorzieht, sollte ohne Gehäuse bestellen und sich handwerklich betätigen. Der Merger verrichtete jederzeit seine Arbeit ordentlich und zeigte keine Fehlfunktionen. Der eingeschränkte Adreßbereich der CPU setzt klar seine Grenzen und läßt keine unbegrenzten Sys-Ex-Blöcke zu. Der Einsatz einer CPU mit größerem Adreßbereich ließe den Preis in die Höhe schnellen, und würde das Preis-/Leistungsverhältnis für einige Anwender wieder uninteressant machen. Die Stärken des MMG 4/2 liegen also nicht bei der Verarbeitung von System, sondern beim Verschmelzen „normaler“ Tastatur- oder Pedaldaten.

Bezugsquellennachweis:
Döpfer Musikelektronik GmbH

Sys-Ex-String:
Roland D-50 MIDI-Implementation


Wolfgang Weniger
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