MIDI

2015-11-01T21:09:45Z

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MIDI ('''M'''usical '''I'''nstruments '''D'''igital '''I'''nterface) ist ein Protokoll zum Übertragen von Steuerbefehlen zwischen elektronischen Musikinstrumenten wie Keyboards, Synthesizern, Samplern etc.
Die Daten werden [[seriell]] mit 31250 [[Baud]] über eine Stromschleife mit 5 mA übertragen.
Zur Vermeidung von Masseschleifen ist die Empfängerseite durch einen Hochgeschwindigkeits-[[Optokoppler]] (z.B. H11L1, 6N138) galvanisch vom Sender getrennt.
Das Protokoll kann von allen gängigen [[UART]]s generiert werden.

== Hardware ==
Die Hardware-Spezifikation ist, anders als die MIDI-Spezifikation als Ganzes, frei verfügbar<ref name="ElSpec">[http://www.midi.org/techspecs/ca33.pdf MIDI 1.0 Electrical Specification] (PDF)</ref>.

MIDI benutzt fünfpolige DIN-Stecker, bei denen allerdings nur drei Pins belegt
sind.
Pins 4 und 5 übertragen das Signal, als Hin- und Rückleitung der Stromschleife;
Pin 2 dient nur zur Abschirmung des Kabels.

Im Ruhezustand ist Pin 5 beim Sender offen, was als logisch "1" gilt; zur
Erzeugung einer logischen "0" muss er Pin 5 auf Masse schalten:

[[Bild:MIDI-Sender.svg]]

Die Widerstände begrenzen den Strom, sowohl für den normalen Betrieb, als auch
im Falle eines Kurzschlusses (in diesem Fall muss R2 gut 100 mA vertragen).

Wenn nur eine 5V-Spannungsversorgung zur Verfügung steht, müssen R1 und R2 durch
jeweils 220 Ω ersetzt werden.
Wenn der TXD-Pin des Mikrocontrollers nicht als Open-Drain konfiguriert werden
kann, müssen die I/O-Spannung des Mikrocontrollers und die Versorgungsspannung
an R2 übereinstimmen.
Wenn der TXD-Pin die gut 5 mA Strom nicht verträgt, muss das Signal durch einen
Puffer (z.B. SN74LVC1G07) zwischen TXD und R1 verstärkt werden.

Der Empfänger muss den Strom, der zwischen Pins 4 und 5 fließt, auswerten.
Zur Vermeidung eine Masseschleife darf Pin 2 nicht direkt mit der Masse des
Empfängers verbunden werden:

[[Bild:MIDI-Empfänger.svg]]

VCC ist 3,3 V oder 5 V.
R1 dient zur Strombegrenzung.
D1 schützt die LED des Optokopplers vor einer zu hohen Rückwärtsspannung.

Andere häufig verwendete Optokoppler sind 6N137 oder 6N138, die allerdings eine
Versorgungsspannung von 5 V voraussetzen:

[[Bild:MIDI-Empfänger-6N137.svg]] [[Bild:MIDI-Empfänger-6N138.svg]]

Zur Verbesserung der EMI/EMC-Eigenschaften kann es notwendig sein, zusätzliche
Kondensatoren und Filter einzusetzen.<ref name="ElSpec"/>

== Probleme==
MIDI wurde ursprünglich im Jahre 1982 von der Firma Roland eingeführt und ist aus heutiger Sicht veraltet. Das damals definierte Protokoll wurde für Einzelstimmengeräte erdacht und gestattet lediglich 7-Bit-Controllerwerte, wodurch Lautstärke und Stimmformung nur sehr grob eingestellt- und nicht ohne hörbare Stufen verändert ("gefaded") werden können.

Um dem abzuhelfen, wurden inzwischen für die meisten Controller Erweiterungen auf 14 Bits
eingeführt.<ref>[http://www.midi.org/techspecs/midimessages.php#3 Control Change Messages]</ref><ref>[http://www.midi.org/techspecs/ca31.pdf High Resolution Velocity Prefix] (PDF)</ref>

Was die Übertragungsgeschwindigkeit anbetrifft, sind die ca. 30 kHz der physikalischen Schnittstelle aber nach wie vor nicht geeignet, um viele Kanäle zu bedienen und mehrere gleichzeitige
Ereignisse, wie einen beidhändigen Akkordanschlag angemessen zu beschreiben:
Ein MIDI-Ergeinis benötigt mindestens 2 Bytes (bei kombinierten
Controllerwerten 6) wodurch 8 Finger auch ohne irgendwelche zusätzlichen
Controllerwerte bereits 16 MIDI Bytes erzeugen, was zu einer ungewollten Latenz
von 8ms für den letzen Wert gegenüber dem ersten führt. Durch die verschieden
langen Nachrichten kann es daher zu unmusikalischem,
unvorhersehbaren [[Jitter]] kommen. Komplexere Lautstärkemdulationen mit quasianalogen
MIDI-Gebern, wie bei der MIDI-Gitarre und MIDI-Flöte ("breath controller") sind
damit im Zusammenhang mit realer MIDI-Hardware nur sehr eingeschränkt verwendbar.

Auch das USB-Protokoll, welches immer häufiger zur Anwendung kommt, bietet zwar eine mehr als ausreichende Bandbreite, jedoch wird dies von nur wenigen Klangerzeugern unterstützt. Lediglich Softwaresampler und andere PC-basierte Systeme wie SW-Synthesizer sind damit zu steuern. Hierbei wirkt sich aber die PC-typische Latenz des Betriebssystems sehr negativ aus. Ein tatsächlicher Echtzeitbetrieb ist mit einem derzeit auf dem Markt verfügbaren Gerät möglich.

== Erweiterungen ==
Statt des klassischen MIDI-Transports über serielle Verbindungen, sind heute höhere Bandbreiten möglich, z.B. durch MIDI über USB oder Ethernet.

Bei Geräten, die normalerweise nicht live eingesetzt werden, sondern an einen PC angeschlossen werden, hat sich MIDI über die USB-Schnittstelle durchgesetzt.

=== MIDI über USB ===
USB erlaubt höhere Bandbreiten, bei SuperSpeed bis zu 5 GBit/s.
Die meisten derzeitigen MIDI-Geräte arbeiten aber noch mit Full Speed (12
MBit/s) oder High Speed (480 MBit/s).
In der Praxis ist die Geschwindigkeit durch den Mikrocontroller und seine
Software begrenzt; üblich sind ca. 100 kBit/s.

Das USB-MIDI-Protokoll<ref>[http://www.usb.org/developers/docs/devclass_docs/midi10.pdf USB MIDI Devices 1.0] (PDF)</ref>
ist mit dem 'normalen' USB-Serial-Protokoll (CDC) nicht kompatibel; deshalb
ist es nicht möglich, USB-seriell-Konverter-Chips unverändert und ohne
zusätzliche Treiber für MIDI zu verwenden.

=== MIDI über FireWire ===
Von Yamaha und anderen Herstellern wurde 1999 das sogenannte Music-LAN definiert, welches auf FireWire basiert und vergleichsweise hohe Bandbreiten zugelassen hätte.
Einige Teile des Protokolls wurden veröffenlicht und standardisiert<ref>[https://webstore.iec.ch/publication/6069 Consumer audio/video equipment - Digital interface - Part 6: Audio and music data transmission protocol]</ref>, vollständige Interoperabilität ist damit aber nicht möglich.

Da keine Möglichkeit zum Aushandeln einer höheren Geschwindigkeit definiert ist, ist die Bandbreite auf die normalen 3125 Bytes/s begrenzt<ref>[http://www.midi.org/techspecs/rp27v10spec(1394).pdf MIDI Media Adaptation Layer for IEEE-1394] (PDF)</ref>.

=== MIDI über Ethernet/WLAN: RTP-MIDI ===
Das Real-time Transport Protocol, das auf normalen UDP-Paketen basiert,
hat auch die Möglichkeit, MIDI zu übertragen<ref>[http://www.midi.org/aboutmidi/rtpmidi.php About RTP-MIDI]</ref><ref>[https://tools.ietf.org/html/rfc6295 RFC 6295: RTP Payload Format for MIDI]</ref>.

=== MIDI über Ethernet: AVB ===
IEEE-1722 (Audio/Video Bridging) definiert ein Protokoll zur Übertragung
von Multimedia-Information. Dabei ist es notwendig, dass alle beteiligten
Netzwerk-Karten und Switches/Router AVB in Hardware unterstützen.

AVB verwendet die gleichen Datenformate wie FireWire und hat die gleichen
Einschränkungen.

=== proprietäre Schnittstellen ===
Andere Transportmethoden wie Parallelport (EPP) oder S/PDIF wurden
vorgeschlagen, haben sich aufgrund fehlender Kompatibilität aber nicht
durchgesetzt.

=== MIDI HD ===
Seit 2005 berät sich das MIDI-Komitee über einen offiziellen Nachfolger der MIDI-Spezifikation<ref>[http://www.midi.org/aboutus/news/hd.php MIDI Manufacturers Investigate HD Protocol]</ref>.

== Siehe auch ==
=== Artikel auf Mikrocontroller ===
* [[Midi Rekorder mit MMC/SD-Karte]]

=== Beiträge auf Mikrocontroller ===
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/48542 "Mr. MIDI" Player]
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/102924 Schaltplan MIDI Controller]
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/34376 Audio Projekt mit Spartan]
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/223125 Midi Protokoll]
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/240302 USB zu MIDI]
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/191137 Effektgerät für Gitarre]
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/140347 Midi mit Arduino]
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/248226 DIY USB-MIDI interface]
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/280923 ZEL MIDI Compiler]
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/281154 Drum Computer]
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/154781 USB MIDI IF]
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/14798 MIDI mit AVR]
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/326905 MIDI over WIFI]
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/320743 MIDI Platinenselbstbau]
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/295657 Eigenbau MIDI Controller]
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/323354 MIDI mit BASCOM und AVR]

== externe Links ins Web ==
<references/>
* [http://de.wikipedia.org/wiki/Musical_Instrument_Digital_Interface MIDI in der Wikipedia]
* [http://www.midibox.org MIDI DIY Hardware mit Forum über MIDI mit vielen Projekten]
* [http://michd.me/blog/yearproject-fpga-midi-synth FPGA Midi Project Nexys]
* [http://papilio.gadgetfactory.net/index.php?n=Papilio.MIDIAudioWing steckbarer Midi und Audio Adapter]
* [http://synthesia.sourceforge.net/hardware.html Open Source Audio Hardware]
* [http://www.96khz.org/htm/midiviaspdif.htm 96kHz Audio DSP - high speed MIDI over S/PDIF]
* [http://www.edn.com/electronics-products/other/4312744/FPGA-evaluation-boards-come-with-design-software FPGa Evalboard mit Audio MIDI IO]
* [http://blog.makezine.com/2010/08/11/milkymist-interactive-vj-station/ Audio MIDI DSP Plattform]
* [http://www.indiamart.com/prayog-labs-limited/products.html Triple MIDI IF Adapter]
* [http://www.linux-community.de/Internal/Nachrichten/Video-Jockey-System-mit-offener-Hard-und-Software AV Controller System]
* [https://www.sparkfun.com/products/9595 MIDI shield Adapter]
* [http://www.ucapps.de/ uCApps.de - viele DIY MIDI Projekte]
* [http://truechiptilldeath.com/blog/2009/04/16/fpga-arcade-board/ FPGA Arcade Board]

[[Kategorie:Audio]]
[[Kategorie:Datenübertragung]]

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