Arduinoを使用したMIDIシーケンサーのタイミング精度

私はこれらの音楽シーケンサーを構築します。

ただシーケンサーではなく、シーケンサーの物理インターフェイスです。シーケンサーは、シーケンサーが接続するラップトップで実行されるアプリケーションです。これにより、ユーザーはその場でドラムループを作成できます。とても楽しいですが、シーケンサーが「オンボード」ではないため、ラップトップが必要です。

私の大好きなのは、私のデバイスに搭載されたシーケンスを実行することです。

USB MIDI接続のクラスコンプライアンスを解決する方法を知っているとしましょう。また、5ピンのDINポートからMIDIノートを送信するためにarduinoを接続する方法を理解できるとしましょう。私が最も心配しているのは、イベントループのすべての実行で、分単位のタイミングに一貫性がないため、時間の経過に伴うテンポのドリフトです。

私が知っているいくつかのこと：

1. delay()テンポループの制御に依存すべきではありません。遅延はファームウェアのすべての操作を停止します。シーケンスの実行中に物理ユーザーインターフェイスに変更がないかポーリングする必要があるため、これは機能しません。

2. に基づく計算millis()は、ファームウェアが一定のカウントが経過しても動作し続けて動作できるため、より優れています。

3. 私の物理的な制御のいずれも割り込みルーチンをトリガーしていませんが、一部の操作はメインのloop()実行を遅らせる可能性があります。ユーザー入力を待機する関数を設計すると、millis()カウントがはるかに大きい場合に「デッドライン」が機能しないという問題が明らかに発生する可能性があります。私はこの問題が私自身の設計によるものであることを知っています...

質問：

A. AVRベースのarduinoは、ユーザーインターフェイスをポーリングしてミッションクリティカルなタイミングループを実行するための適切なマイクロコントローラーですか？ARMベースのArduinoがもっと高速になったことを知っています。Teensy 3.0はより良い代替手段でしょうか？これらはどちらも3.3Vボードであるため、これは作業するための別の問題セットですが、ここでは無視します。

B.タスクを2つのマイクロプロセッサに分割する必要がありますか？1つはユーザーインターフェイスのポーリングと更新を処理し、もう1つはミッションクリティカルなタイミングループ用です。

c。他に何か？

私の主な目標は、コンピュータをまったく使用する必要がないことです。スイングについても計算したいのですが、この場合、スイングは、ロックされたタイミングの正確なテンポが得られなければ意味がありません。助言ありがとう！

割り込みは、タイミングに敏感なタスクの友ですが、タイミングの重要な側面を割り込みに入れ、優先度の高い他の割り込みが発生していない場合のみです。「AVRベース」のArduino（ATmega328Pなど）のマイクロコントローラーには、データシートの 58ページ以降に記載されているように、割り込み優先順位が固定されています。したがって、重要なタイミング割り込みとしてTIMER2 COMPAを使用し、他の割り込みがない場合は、問題ありません（優先度が最も高いため）。優先度の低い割り込みも使用する場合は、割り込みサービスルーチンに入るときに、すべての割り込みがグローバル割り込みを再度有効にするようにする必要があります。

割り込みが発生すると、グローバル割り込みイネーブルIビットがクリアされ、すべての割り込みが無効になります。ユーザーソフトウェアは、ロジック1をIビットに書き込んで、ネストされた割り込みを有効にすることができます。有効になっているすべての割り込みは、現在の割り込みルーチンに割り込むことができます。

（データシートの 14ページ）

ARMベースのArduinoでは、Cortex-M3コアに「ネストされたベクター割り込みコントローラー」があり、優先度が固定されておらず（ソフトウェアで設定可能）、ネストされた割り込み処理が標準であるため、これは少し異なります。したがって、タイミングが重要なアプリケーションの場合、ARMベースのArduinoを使用すると柔軟性が向上します。しかし、私はそれがあなたのアプリケーションにとって本当に必要であるとは思いません。

より大きな問題は、これらのものがArduinoライブラリを使用してどれほど簡単に実装できるかです。最高のパフォーマンスを得るには、少なくともタイミングクリティカルなビットについては、おそらくライブラリの外部である程度コーディングする必要があります。つまり、delay（）やmillis（）などを完全に回避します。

分割する必要があるかどうかは、実行する処理の量によって異なります。繰り返しになりますが、ライブラリの外に出ると、パフォーマンスが向上する場合があります。

これは、適切なプログラミングを使用して、ATmega328Pで確実に実行できます（ドラムループの複雑さに多少依存します。ループ内のドラムイベントは〜<50であると想定しています。それは妥当ですか？）。

ATmega328Pと言ったことに注意してください。必ずしもArduinoではありません。

Arduino環境では、バックグラウンドで多くのデフォルトの処理が行われているため、非常に確定的なプログラミング（タイミングが重要なものに必要なプログラミング）が困難になります。

ここで尋ねる必要がある本当の質問は、プログラミングにどの程度関心があるか、それとも計測器の開発にどの程度関心があるかです。

1 つのATmega（ドラムループ、複数のアナログ入力、LCD、ボタン、MIDIインターフェイス）で必要なすべてを実行できると確信していますが、実際の問題は、すべてを絞り込むのにどれだけの作業が必要かということです。繰り返しますが、組み込みMCUコードの最適化を学びたいですか、それとも計測器を構築したいですか？これは単に、必要に応じてより速くMCUに行く、しかし、あなたが必要なMCU性能を決定する必要があるのは非常に簡単です、今のあなたがすることはできません気付いていない、で、仕事のように半年はかなりあなたの速としての仕事にすべてを取得します必要。

もし私があなただったら、最初にやってみたいことはarduinoを使わずにそれを機能させることです（基本的には生のATmegaとして扱い、AVRスタジオなどを使います）。次に、必要なパフォーマンスの種類と、ATmegaがそれを管理できるかどうかをより効果的に分析できます。

arduinoがなくなると、さまざまなMCUを自由に使用できるようになります（通常、MCUは似ていますが、異なります。ドキュメントから1つを理解できれば、他のMCUでも同じことができるでしょう）。

私は最近ATxmegaデバイスをLOTで使っていて、本当に素晴らしいです。割り込みの優先順位が3つあるので、タイムクリティカルなものの管理が簡単になります。彼らはまた、一緒に作業するのが本当に素晴らしいです（正気な周辺機器の設計！便利なポート構造！など...）。

ARMベースのNXPのLPCデバイス、Atmelの一部のARMデバイス（Arduino Dueで使用されている）、またはSTのSTM32 MCUもあります。これらのいずれも、ATmega、またはATxmegaよりも大幅に高いパフォーマンスを発揮します。

より大きく、より強力なプロセッサの主な欠点は価格ですが、これらのユニットを何千個も製造しない限り、ユニットごとの組み立ておよび製造コストは、コストの差（おそらく数ドルのみ）を大幅に超えることになります。 ）それは基本的に無関係です。

タイミングの正確さを考える前に、タイマーを確認する必要がありました（Arduinoを使用してMIDIステップシーケンサーを構築していますが、それよりも見た目が悪くなることが保証されています^^）。この一連の記事は最も有益でした。

http://maxembedded.com/category/microcontrollers-2/atmel-avr/avr-timers-atmel-avr/

正確なタイミングを得るための私の解決策は今だと思います。

A. AVR arduinoを使用する

B.タスクを1つのマイクロプロセッサーで実行する

C.必要な精度を得るために、プリスケーラー、タイマー、割り込みを賢く使用する。

更新

Arduinoの基本的なmidiチュートリアルを使用して、タイマーとプリスケーラーに関するこの記事を読んだ後、次のコードが私が思いついたものです。このコードは、timer1およびCTCモードを使用して、1/4秒ごとにMIDIノートを再生し、1/4秒ごとにノートオフを再生します（正確には120 bpmです）。悲しいことに、これはまだ120bpmよりも遅いだけですが、これは私が入手した最も近いものです...

// Includes
#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>

int last_action=0;

void setup()
{
    //  Set MIDI baud rate:
    Serial.begin(31250);

    // initialize Timer1
    cli();          // disable global interrupts
    TCCR1A = 0;     // set entire TCCR1A register to 0
    TCCR1B = 0;     // same for TCCR1B

    // set compare match register to desired timer count:
    OCR1A = 15624;
    // turn on CTC mode:
    TCCR1B |= (1 << WGM12);
    // Set CS12 bits for 256 prescaler:
    TCCR1B |= (1 << CS12);
    // enable timer compare interrupt:
    TIMSK1 |= (1 << OCIE1A);
    // enable global interrupts:
    sei();
}

void loop()
{
    // do some crazy stuff while my midi notes are playing
}

ISR(TIMER1_COMPA_vect)
{
  // Turn notes on
  if (last_action == 0) {
    send_note(0x90, 60, 0x45);
    last_action = 1;

  // Turn notes off
  } else {
    send_note(0x90, 60, 0x00);
    last_action = 0;
  }
}

//  plays a MIDI note
void send_note(int cmd, int pitch, int velocity) {
  Serial.write(cmd);
  Serial.write(pitch);
  Serial.write(velocity);
}

更新

私はこれに24時間以上苦労しており、ようやくフォーラムからいくつかの回答を得ました。上記で使用したコード^^はかなり良いと思います。ISRの使用、CTCモードやプリスケーラーの使用など。フォーラムに到達した後の解決策は、MIDIシーケンサーの精度を上げることではなく、ハードウェアセットアップ全体（シンセサイザーとサンプラー）を同じものに接続することだと思います。 midiクロック、クロックがArduinoからのものかどうか。

テザリングされたコンピュータからµCベースのシステムに徐々に移行したい場合に応じて、Raspberry Piをその箱の中に入れることを検討してください（小売価格25〜35ドル）。そうすることで、USBポートとGPIOピンを備えた完全な（低電力ではありますが）Linuxベースのコンピューターを使用できます。