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Contrôle électronique d'un orgue de barbarie
P. Pénard – Sarlat - 2014
Plan
• Généralités• Le standard Midi• Principe d'une chaine de commande• Les relais• Exemple• Démo
05/04/2014 2Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard
05/04/2014 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard 3
Généralités
De d'électronique pour quoi faire ?
• Remplacer le support carton ou papier par un stockage électronique– Gain de place, de poids, économie– Rapidité de création/modification
• De nouvelles possibilités– Câblage électrique vs tirage mécanique, registres
• Contreparties Source d'énergie à gérer dans l'instrument Fiabilité (composants, câblage, long terme…)
05/04/2014 4Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard
Le principe• Stockage / commande / action
Mémoire non volatile
Programme enregistréCircuit électronique spécifique
Principalement des relais et dérivés
05/04/2014 5Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard
Le principe (1)• Stockage / commande / action
05/04/2014 6Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard
Le principe (2)• Stockage -> commande -> action
05/04/2014 7Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard
Le principe (3)• Stockage -> commande -> action
05/04/2014 8Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard
Application à l'orgue
• Modifier ou adapter le mode de contrôle de l'air– Actionner des clapets (l'électronique se substitue au clavier)– Adapter des vannes existantes (modif +/- en profondeur)– Implanter de nouvelles vannes (nouvel orgue)
• Cas particulier de l'orgue de barbarie– Plus facile sur un instrument à commande pneumatique– Contrôle des instruments à commande mécanique non
abordé ici.
05/04/2014 9Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard
Application à l'orgue (1)• Tirage électro-pneumatique
– Valve type "Hope Jones" (1886)
05/04/2014 10Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard
Application à l'orgue (2)
• Tirage direct– Peterson– Kimber-Allen
– Relais dans le sommier– Registre électronique
05/04/2014 11Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard
Application à l'orgue (3)
Exemple de sommier à tirage direct avec valves Peterson
05/04/2014 12Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard
Application à l'orgue (4)• Orgue pneumatique contrôlé électriquement– Sans doute le plus facile à mettre en oeuvre
05/04/2014 13Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard
Résumé
• Pour commander électriquement un orgue il faut :
– De la musique (!)
– "Quelques chose" qui transforme la musique en commandes électriques
– Un "dispositif" qui transforme une commande électrique en une action mécanique
05/04/2014 14Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard
05/04/2014 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard 15
Le standard midi
Le standard Midi
• Musical instruments digital interface : Un "standard" • Géré par la MMA (Midi Manufacturers Association)
(www.midi.org)• Première démo au NAMM'1983– NAMM = National Association of Music Merchants– Faire jouer 2 claviers (Prophet600-Sequential et Jupiter6-Roland)
• SMF (fichiers midi) en 1988• General Midi (sonorités) : 1991 puis 1999• Il existerait même un POMI pour les orgues ?
05/04/2014 16Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard
Le principe
• Messages unidirectionnels entre une source et un destinataire
– Lien point à point : une seule sortie vers une seule entrée
05/04/2014 17Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard
Le lien physique
• Boucle de courant de 5 mA ("0" = on, "1" = off)• 10 bits : 1 start, 1 stop, 8 data toutes les 320 ms– 31.25 Kbauds (25 Ko/s)
• Prise DIN 5 broches/180°
A noter : isolation galvanique émetteur/récepteur05/04/2014 18Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard
Le lien physique
• Boucle de courant de 5 mA ("0" = on, "1" = off)• 10 bits : 1 start, 1 stop, 8 data toutes les 320 ms– 31.25 Kbauds (25 Ko/s)
• Prise DIN 5 broches/180°
A noter : isolation galvanique émetteur/récepteur05/04/2014 19Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard
Le lien physique
• Boucle de courant de 5 mA ("0" = on, "1" = off)• 10 bits : 1 start, 1 stop, 8 data toutes les 320 ms– 31.25 Kbauds (25 Ko/s)
• Prise DIN 5 broches/180°
A noter : isolation galvanique émetteur/récepteur05/04/2014 20Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard
Messages Midi• Messages Voix– Adressés à tous les instruments connectés– Servent à jouer les notes• Canal, Note On, Note Off, Vélocité, Maintien, Attaque…
x90 x45 x64 : jouer canal 0 note69(La3) vélocité = 100 x80 x45 x00 : arrêter canal 0 note69(La3) vélocité = 0
• Messages Système– Adressés à un instrument particulier (Tune request…)– Messages temps réel (ex : horloge 24PPQM) xF6 xNN xNN x.. : Modif accord instrument NN NN ..
05/04/2014 21Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard
Le Midifile
• Format très compact (prévu pour des disquettes)– Codage à longueur variable
• Inclusion de la notion de temps– Tous les évènements sont datés en relatif
• Plusieurs formats– Midi0 : 1 piste et 16 canaux– Midi1 : Jusqu'à 16 pistes simultanées– Midi2 : Jusqu'à 16 pistes indépendantes
05/04/2014 22Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard
Midifile (exemple)
Vision Cubasis
Contenu du midifile : 80 octets
05/04/2014 23Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard
Midifile (exemple)
Le bloc ("chunk") Entête
"Mthd"= Fichier midi Entête sur 6 octets Midi1 1 piste Résolution temporelle : x78 = 120 ticks/noire
05/04/2014 24Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard
Midifile (exemple)
Le(s) bloc(s) Piste
"Mtrk" = Début de piste
05/04/2014 25Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard
Midifile (exemple)
Piste (suite)
68 octets à lire "Maintenant" : Instrument = Occarina "Maintenant" : Titre de la piste (sur 5 octets)
Titre = "PPCaP"
05/04/2014 26Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard
Midifile (exemple)
Piste (suite)
"Maintenant" : Signature temps Mesure 4/2 Nb midi clock /click métronome
Valeur triple croche en 1/64 noire
05/04/2014 27Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard
Midifile (exemple)
Piste (suite)
"Maintenant" : Changement de tempo Durée d'une noire en microsecondes 07 A1 20 = 500.000 = tempo 120
Résolution = 120 ticks/noire1 tick = 0.5/120 = 0.004167 s
05/04/2014 28Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard
Midifile (exemple)
Piste (suite)
Après un temps de 83 10 = 400 ticks = 1.66s (codage VLC : 1000 0011 0001 0000 = 400) Note on sur canal 0 Numéro de la note : 3C (60d)
Vélocité : 3C = 60d
05/04/2014 29Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard
Midifile (exemple)
Piste (suite)
Après un temps de 82 68 = 360 ticks = 1.5s (codage VLC : 1000 0010 0110 1000 = 360) Note off sur canal 0 Numéro de la note : 3C (60d)
Vélocité : 0
05/04/2014 30Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard
Midifile (exemple)
Piste (suite)
Après un temps de 78 = 120 ticks = 0.5s (codage VLC : 0111 1000 = 120) Note on sur canal 0 Numéro de la note : 54 (84d)
Vélocité : 3C = 60d
05/04/2014 31Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard
Midifile (exemple)
Piste (suite)
Après un temps de 78 = 120 ticks = 0.5s (codage VLC : 0111 1000 = 120) Note off sur canal 0 Numéro de la note : 54 (84d)
Vélocité 0
05/04/2014 32Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard
Midifile (exemple)
Piste (suite)
Après un temps de 0 (Donc : en même temps que l'évt précédent) Note on sur canal 0 Numéro de la note : 48 (72d)
Vélocité : 3C = 60d
05/04/2014 33Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard
Midifile (exemple)
Piste (suite)
Après un temps de 82 68 = 360 ticks = 1.5s (codage VLC : 1000 0010 0110 1000 = 360) Note off sur canal 0 Numéro de la note : 48 (72d)
Vélocité : 0
05/04/2014 34Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard
Midifile (exemple)
Piste (Fin)
Après un temps de 0 (Donc : en même temps que l'évt précédent) Fin de fichier
05/04/2014 35Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard
Fin de lecture des 68 octets
Après… le Midi
• Discussions depuis 2005 autour du HD-Midi• Première démo au NAMM' 2013– Compatibilité descendante avec le Midi 1.0 – Vraisemblablement couche physique type Ethernet– Une dose de RTP-Midi (AppleMidi)– Transmission sans fil définie dans le standard– Cryptage
• Quand ?
05/04/2014 36Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard
Le HD-Midi
• Quelques particularités :– Davantage de canaux et de contrôleurs– Plus grande résolution dans la description des données
(Valeurs numériques supérieures à 127 ! ;o))
– Possibilité de définir une note par sa fréquence et non plus seulement par son numéro
– Note-Update en plus du Note-On et du Note-Off• Changement des paramètre d'une note au cours de sa durée de
vie
– Simplification des messages
05/04/2014 37Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard
Résumé
• Le standard midi :– Convertit une partition en une représentation
informatique équivalente.– Génère des messages : Note ON, Note Off, vélocité etc…
• Tâche suivante à effectuer :– Décodage– Génération d'une commande pour chaque note
05/04/2014 38Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard
05/04/2014 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard 39
Décodage des messages midi
Décodage par registre à décalage
• Le registre est le reflet des sorties– On "pousse" les commandes vers l'endroit où elles doivent aller– Une partie mémoire verrouille (latch) les sorties
Registre
Latch
C8C7C6C5C4C3C2C1
Note à jouer
Transfert
05/04/2014 40Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard
Décodage par registre à décalage
• Le registre est le reflet des sorties
Réception d'une note à commander
Registre
Latch
C8C7C6C5C4C3C2C1
Note 5 ON
Transfert
05/04/2014 41Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard
Décodage par registre à décalage
Registre
Latch
C8C7C6C5C4C3C2C1
Note 5 ON
Transfert
• Le registre est le reflet des sorties
On charge la valeur à décaler (un "1" logique)
05/04/2014 42Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard
Décodage par registre à décalage
Registre
Latch
C8C7C6C5C4C3C2C1
Note 5 ON
Transfert
• Le registre est le reflet des sorties
Décalage 1 fois
05/04/2014 43Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard
Décodage par registre à décalage
Registre
Latch
C8C7C6C5C4C3C2C1
Note 5 ON
Transfert
• Le registre est le reflet des sorties
Décalage
05/04/2014 44Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard
Décodage par registre à décalage
Registre
Latch
C8C7C6C5C4C3C2C1
Note 5 ON
Transfert
• Le registre est le reflet des sorties
Décalage
05/04/2014 45Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard
Décodage par registre à décalage
Registre
Latch
C8C7C6C5C4C3C2C1
Note 5 ON
Transfert
• Le registre est le reflet des sorties
Dernier décalage
05/04/2014 46Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard
Décodage par registre à décalage
Registre
Latch
C8C7C6C5C4C3C2C1
Note 5 ON
Transfert
• Le registre est le reflet des sorties
Transfert vers les sorties
05/04/2014 47Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard
Décodage par registre à décalage
Registre
Latch
C8C7C6C5C4C3C2C1
Note à jouer
Transfert
• Le registre est le reflet des sorties
Et verrouillage
05/04/2014 48Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard
Décodage par registre à décalage
Registre
Latch
C8C7C6C5C4C3C2C1
Note 3 ON
Transfert
• Le registre est le reflet des sorties
Réception d'une nouvelle note à commander
05/04/2014 49Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard
Décodage par registre à décalage
Registre
Latch
C8C7C6C5C4C3C2C1
Note 3 ON
Transfert
• Le registre est le reflet des sorties
On charge la valeur
05/04/2014 50Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard
Décodage par registre à décalage
Registre
Latch
C8C7C6C5C4C3C2C1
Note 3 ON
Transfert
• Le registre est le reflet des sorties
On décale
05/04/2014 51Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard
Décodage par registre à décalage
Registre
Latch
C8C7C6C5C4C3C2C1
Note 3 ON
Transfert
• Le registre est le reflet des sorties
Dernier décalage
05/04/2014 52Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard
Décodage par registre à décalage
Registre
Latch
C8C7C6C5C4C3C2C1
Note 3 ON
Transfert
• Le registre est le reflet des sorties
Transfert
05/04/2014 53Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard
Décodage par registre à décalage
Registre
Latch
C8C7C6C5C4C3C2C1
Note à jouer
Transfert
• Le registre est le reflet des sorties
Verrouillage
05/04/2014 54Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard
Décodage par registre à décalage
Registre
Latch
C8C7C6C5C4C3C2C1
Note à jouer
Transfert
• Le registre est le reflet des sorties
Et ainsi de suite…
Et pour arrêter une note on décale un "0", tout simplement !
05/04/2014 55Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard
Décodage par registre à décalage
• Le registre est le reflet des sorties– Un composant registre et latch pour 8 sorties
Chainables par groupes de 8 sorties
Registre
Latch
C8C7C6C5C4C3C2C1
05/04/2014 56Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard
05/04/2014 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard 57
Les électro-aimants
Commande des électro-aimants(1)
• Réseaux d'amplificateurs (ULN2x0x)
05/04/2014 58Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard
= 8 x
Commande des électro-aimants(2)
• Les limites de l'ULN2803ASelon Datasheet :
• Tension max en sortie : 50 V• Courant max pour une sortie : 500 mA• Puissance pour une sortie : 1W• Puissance totale : 2.5 W
En pratique :
• Tenir compte du nombre de notes simultanées • Raisonner en puissance
Exemple : Relais 50 Ohms alimentés en 12 Volts I = 10.8/50 = 216 mA. (VCEsat = 1.2 V). P = 0.26WDonc : 8 sorties (2 W) possibles simultanément !
05/04/2014 59Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard
Résumé décodage et commande
• Exemple de schéma électrique :
Carte(s) de commande
+ 12 V
Données musique
Note 1
Note 2
Note n
Cde 1Cde 2
Cde n
05/04/2014 60Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard
Les électro-aimants (1)
• C'est LE point dur !• Différentes appellations :
– Electro-aimants, solénoïdes, aimant électrique, relais à noyau plongeur, etc…
• Possibilités :– Productions commerciales appropriés
Prix– Adapter des électro-aimants existants
Modifier la bobine (résistance) Installer un ressort
– Les réaliser soi-même Economies substantielles vs temps passé
05/04/2014 61Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard
Les électro-aimants (2)
05/04/2014 62Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard
Pression de l'air
Force du ressort
Force du relais
Contre-noyau
Bobine (solénoïde)
Noyau
F =
Choix d'un électro-aimant (1)
• Force pour un déplacement ("telle force à telle distance")
• Tension d'alimentation/résistance de bobine• Temps de cycle (Duty-cycle)
05/04/2014 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard 63
Choix d'un électro-aimant (2)
• Force pour un déplacement ("telle force à telle distance")
• Tension d'alimentation/résistance de bobine• Temps de cycle (Duty-cycle)
05/04/2014 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard 64
20 gf
2 mm
Choix d'un électro-aimant (3)
• Par expérience :– Force : 20 gF à 2 mm– Tension d'alimentation : 12 Volts– Résistance : au moins 50 Ohms. Préférable : 100 Ohms et +
Consommation
• Le prix ??– Entre 5 et 10 €
• Fournisseurs– Conrad, Radio Spare, Selectronic, Gotronic…
05/04/2014 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard 65
Exemples de réalisations amateurs
• GPTO (http://gpto6.blog4ever.org/bobinage-relais)
• PP (http://orgue-de-barbarie.pagesperso-orange.fr/carton_elec.htm)
05/04/2014 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard 66
50 Ohms8 mm x 22 mm0.15 N (15.3 gF) @ 2.5 mm
Et bien d'autres…
Une valve électro-pneumatique• Dérivée du type Hope Jones (proto PP)
– Ouverture électrique / fermeture pneumatique– Pas de ressort– Tout petit : base de 16x16 mm
05/04/2014 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard 67
Une valve électro-pneumatique• Dérivée du type Hope Jones (proto PP)
– Ouverture électrique / fermeture pneumatique– Pas de ressort– Tout petit : base de 16x16 mm
05/04/2014 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard 68
Exemples de systèmes complets de commande électronique
05/04/2014 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard 69
Exemple 1 : Système midi pur (1)
• Modules "Orgautomatech" (Christian Blanchard)– Stockage sur carte SD – Plusieurs milliers de titres/carte, sélection sur mini-écran LCD– Contrôle de vitesse grossier (?)
• Principe : – Un lecteur envoie des messages midi à une ou plusieurs cartes de
décodage– Carte minimale : 16 sorties. Jusqu'à 64 sorties sur une carte– Cartes chainables (Midi-thru)
05/04/2014 70Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard
Système midi pur (2)
• Config pour un orgue 27-29 notes :
Un lecteur (89€) + une carte 32 sorties (62€)
05/04/2014 71Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard
Exemple 2 : PPCaP (1)
• Stockage individualisé et contrôle de vitesse fin– Carte à puce, 2 titres par carte, 32 notes contrôlées.
• A construire soi-même– Avoir un minimum de connaissances en électronique !
• Schémas et programmes gratuits• Base "open hardware" arduino
– Eventuellement réutilisable pour tout autre chose
• Prix de revient (orgue 27-29 notes)– Environ 50€ + cartes à puce (environ 1€/pièce)
• Principe – Format midi compacté (macro-évènements) sur cartes à mémoire
05/04/2014 72Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard
PPCaP (2)• Un "shield" sur une carte arduino
Lecteur et programmateur / USB• Un soft sur PC
Programmation/gestion des cartes
+05/04/2014 73Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard
PPCaP (3)• Un "shield" sur une carte arduino
Lecteur et programmateur / USB• Un soft sur PC
Programmation/gestion des cartes
Principe identique aux cartons :
Un objet =
un morceau de musique
05/04/2014 74Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard
• Merci !• Questions ?• Démo
05/04/2014 75Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard
Quelques références (en vrac…)
• Midi manufacturers association : http://www.midi.org/
• Simon Lehmayr (lecteur midi) : http://www.lehmayr.de/e_mrmidi.htm
• Johan Liljencrants (réponse valves) : http://www.fonema.se/valvetime/valvetime.html
• Pascal Leray (orgues liturgiques) : http://pascal.leray.free.fr/projet/projet_don_orgue.html• GPTO (fabrication relais): http://gpto6.blog4ever.org/bobinage-relais
• PP (calculs relais) : http://orgue-de-barbarie.pagesperso-orange.fr/electrique.htm
• Arduino (site officiel) : http://www.arduino.cc/
• Distributeur de cartes arduino : http://www.semageek.com/
• Modules midi Orgautomatech : http://www.orgautomatech.com/• Construire ses modules midi : http://www.sonelec-musique.com/electronique_realisations_interfaces_midi.html
• PhD Colin Pykett/Robert Hope Jones : http://www.pykett.org.uk/HJ_OrganActions1889-1903.pdf
• Composants électroniques(1) : http://www.gotronic.fr/
• Composants électroniques(2) : http://www.conrad.fr/ce/
• Composants électroniques(3) : http://www.rs-particuliers.com/• ….
05/04/2014 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard 76
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