MIDI, DMX-512, RS-232 USB, HID,

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Skriptum Medientechniklabor HID Human Interface Device
MIDI, DMX-512, RS-232
USB, HID, ...
DI. M. Meschik
1
HID_Medientechnik_Skript_6.doc V1.0
Skriptum Medientechniklabor
Inhalt
0 Inhaltsverzeichnis
0
1
2
3
4
5
6
7
Inhaltsverzeichnis............................................................................................................... 2
Ziele dieses Unterrichtsgegenstandes................................................................................. 3
ADC DAC .......................................................................................................................... 4
2.1
Allgemeines................................................................................................................ 5
2.2
Das Abtasttheorem ..................................................................................................... 5
2.3
DAC (digital analog conversion) ............................................................................... 5
2.4
ADC (analog digital conversion) ............................................................................... 6
2.4.1
Wie wird ein Byte übertragen?........................................................................... 6
Die RS-232 Schnittstelle .................................................................................................... 7
3.1
Allgemeines................................................................................................................ 7
3.2
RS-232 Hardware Schnittstelle .................................................................................. 7
3.3
Datenformat................................................................................................................ 8
3.3.1
Wie wird ein Byte übertragen?........................................................................... 8
3.4
HID und Steuerungen über RS-232 ........................................................................... 9
3.5
Weitere Informationen zu RS-232 ............................................................................. 9
Die MIDI-Schnittstelle..................................................................................................... 10
4.1
Allgemeines.............................................................................................................. 10
4.2
MIDI-Interface Hardware ........................................................................................ 11
4.3
Datenübertragung allgemein .................................................................................... 12
4.3.1
Beispiel Note-On.............................................................................................. 12
4.3.2
Channel Voice Messages ................................................................................. 13
4.3.3
Channel Mode Messages.................................................................................. 16
4.3.4
System Messages.............................................................................................. 17
Die DMX-512 Schnittstelle.............................................................................................. 20
5.1
Allgemeines.............................................................................................................. 20
5.2
DMX-512 Hardware Schnittstelle............................................................................ 20
5.3
Datenformat.............................................................................................................. 21
5.3.1
Addressierung der einzelnen Teilnehmer......................................................... 23
5.3.2
Teilnehmer am DMX-512 Bus......................................................................... 24
5.3.3
Vor- und Nachteile von DMX-512 .................................................................. 24
5.3.4
Weitere Informationen zu DMX-512............................................................... 24
Übungen ........................................................................................................................... 25
6.1
Für alle Übungen gilt: .............................................................................................. 25
6.2
Übung 1: RS-232 1 (RS-232 was ist das, wofür benötige ich das? ......................... 25
6.3
Übung 2: RS-232 2................................................................................................... 26
6.4
Übung 3: RS-232 3................................................................................................... 26
6.5
Übung 4: MIDI 1 (MIDI-Daten sichtbar machen) ................................................... 27
6.6
Übung 5: MIDI 2...................................................................................................... 27
6.7
Übung 6: MIDI 3...................................................................................................... 28
6.8
Übung 7: MIDI 4...................................................................................................... 28
6.9
Übung 8: DMX-512 1 (DMX-512 Daten sichtbar machen) .................................... 28
6.10 Übung 9: DMX-512 2 .............................................................................................. 29
6.11 Übung 10: DMX-512 + MIDI 3............................................................................... 29
6.12 Übung 11-12: DMX-512 + MIDI 4 + 5 ................................................................... 30
6.13 Übung 13: DMX-512 + MIDI 6............................................................................... 30
Abbildungsverzeichnis ..................................................................................................... 31
DI. M. Meschik
2
Allgemeines
1 Ziele dieses Unterrichtsgegenstandes
Ziel ist es, unterschiedliche Schnittstellenarten, die in der Medientechnik Verwendung
finden, kennen zu lernen.
Zu Beginn gibt es eine kurze Einführung in die Technik der Analog-Digital-, und
Digital-Analog-Wandlung, die in mehreren Bereichen der Medientechnik zur
Anwendung kommen.
MIDI, DMX-512, RS232, sollen kurz in der Hardwareschicht beleuchtet werden. Das
Übertragungsformat der einzelnen Schnittstellen wird nähergebracht.
Im Laborbetrieb wird es auch möglich sein, mittels Oszilloskop, die übertragenen
Daten sichtbar zu machen.
Jedes dieser Formate wird kurz im Aufbau besprochen und die einzelnen
Übertragungssequenzen verständlich dargestellt.
Im Zuge mehrerer Übungsblöcke werden die einzelnen Schnittstellen durch
Ansteuerung diverser Geräte wie Synthesizer, MIDI-Expander, DMX-Lichtcontroller
usw. durch unterschiedliche Eingabegeräte (HIDs = Human Interface Devices) in
Betrieb genommen.
Die Teilnehmer lernen dabei eine vollständige Übertragungskette beginnend vom
Eingabegerät, einfacher Hardware über die Verkabelung bis zum anzusteuernden
Gerät kennen.
Natürlich werden die Übungen durch unterschiedliche Programme am PC unterstützt.
Diese Programme dienen auch zur Ansteuerung diverser Geräte.
Am Ende soll der Teilnehmer eigenständig den Einsatz von MIDI für Musik und DMX512 für Lichtsteuerung planen und in ein Gesamtkonzept integrieren können.
Es ist nicht gedacht eigene Kontroller selbst zu erstellen aber der Teilnehmer soll im
Stande sein, aus einer Liste von Geräten die geeigneten herauszusuchen.
Im „Mutimedialen Einsatz“ von Technik für Vorträge, Auftritte, Präsentationen usw. ist
es heutzutage erforderlich, nicht nur PCs und diverse Software einzusetzen, sondern
auch „Light And Sound“ je nach Gegebenheit abzustimmen.
DI. M. Meschik
3
ADC-DAC
2 Signalverlauf
2.1 Der Weg vom Analogen zum Digitalen
2.2 xxx
3 Filter
3.1 Tiefpass
3.2 Hochpass
3.3 Bandpass
3.4 Bandsperre
4 ADC DAC
4. Klasse
Andi Grundlagen Schall, ADC, DAC, Abtasttheorem, Hardware Sound, analog,
digital, Programme,
DI. M. Meschik
4
ADC-DAC
Magic: 38 Wochen 4 Stunden / 3 = 50 => ich habe 1/6 = 25 Stunden. 2 12 Stunden
Blöcke 3x4 Std. bei mir
Grundlagen, ADC, DAC, Serielle, MIDI, DMX512, USB, Firewire
5. Klasse
Praxis
4.1 Allgemeines
Sowohl im Audio- als auch im Videobereich werden analoge Signale digitalisiert,
damit diese im PC verarbeitet werden können.
Im HID-Bereich ist das ebenfalls der Fall, da analoge Signale z.B. von
Temperatursensoren, Neigungssensoren, druckabhängigen Tastern usw. mittels
ADC in für den PC verständliche Form gebracht werden muss.
Liegt das Signal in digitaler Form vor, kann es mit unterschiedlichen Programmen
weiterverarbeitet, gespeichert, verändert und nach einer DAC wiedergegeben bzw.
ausgegeben werden.
Jede eingebaute Soundkarte beinhaltet programmierbare Filter, ADC und DAC, die
mit der CPU kommunizieren.
Im Zuge dieser Vorlesungsübung wird auf diverse Eigenheiten eingegangen werden.
4.2 Das Abtasttheorem
Abb. 1: Abtasttheorem
4.3 DAC (digital analog conversion)
DI. M. Meschik
5
ADC-DAC
4.4 ADC (analog digital conversion)
4.4.1 Abtast-Halteglied (Sample & Hold)
4.4.2 ADC nach dem Verfahren der Nachlaufsteuerung
4.4.3 ADC nach dem Verfahren der „sukzessiven Approximation“
4.4.4 Der Flash-Konverter
4.4.5 Wie wird ein Byte übertragen?
DI. M. Meschik
6
RS-232
5 Die RS-232 Schnittstelle
5.1 Allgemeines
Die RS-232 Schnittstelle ist eine der einfachsten, um zwei Geräte miteinander zu
verbinden. Die Übertragungsgeschwindigkeit hält sich in Grenzen, sodass diese
Schnittstelle dort eingesetzt wird, wo nur wenige Informationen ausgetauscht werden
müssen.
Es können bei dieser Schnittstelle nur zwei Geräte miteinander verbunden werden.
Die Übertragung ist voll Duplex (gleichzeitiges Senden und Empfangen möglich).
Außerdem handelt es sich um eine asynchrone Übertragung, da kein eigener Takt
mitgesendet wird.
Die zu üertragenden Daten werden mittels Pegelkonverter von +5V auf ca. –10V und
von 0V auf ca +10V umgesetzt (siehe nächstes Bild).
Eine logische „0“ wird auf der RS-232 Leitung als Spannung zwischen +3 bis +15V
und eine logische „1“ als Spannung zwischen –3 bis –15V abgebildet.
Heutzutage wird vorwiegend eine USB (Universal Serial Bus) eingesetzt, der aber
hier den Rahmen des Unterrichtsgegenstandes sprengen würde.
Es wird in unseren Geräten ein sogenannter USB-Serial Umsetzer eingesetzt, der es
ermöglicht per Programm eine „pseudo“-Serielle Schnittstelle anzusprechen, obwohl
es sich eigentlich um ein USB-Device handelt (Beispiel „Sundance“).
5.2 RS-232 Hardware Schnittstelle
Abb. 2: Serielle Schnittstelle mit Pegelkonverter
DI. M. Meschik
7
RS-232
5.3 Datenformat
5.3.1 Wie wird ein Byte übertragen?
Startbit
8 Datenbits Stopbit
0 1 2 3 4 5 6 7
LSB
MSB
Jedes Byte (8 Bit) wird seriell übertragen. Die Sendung beginnt mit einem „Startbit“
(logisch Low) danach folgen die „acht Datenbits“, wobei das LSB (Least Significant
Bit) zuerst gesendet wird. Abgeschlossen wird die Übertragung der acht Datenbits
von einem, ein-einhalb oder zwei „Stopbit“ (logisch High).
Übertragungsgeschwindigkeiten:
Die Baudrate bei der RS-232 Schnittstelle kann eingestellt werden. Unter der
Baudrate versteht man die Anzahl von übertragenen Bits pro Sekunde.
Nicht alle beliebigen Baudraten sind wählbar, es können nur bestimmte, genormte
eingestellt werden:
Baudraten
110; 300
1200; 2400, 4800
9600
19200 (19,2 kBaud)
38400
57600
115200 (115,2 kBaud)
230400; 460800; 921600
Verwendung
Bei alten Fernschreibern (heute nicht mehr verwendet)
Wenn nur wenige Daten übertragen werden müssen
Standard bei diversen Peripheriegeräten
Standard bei diversen Peripheriegeräten
Eher selten anzutreffen
Verwendung für höhere Datenströme
Bisher höchste Baudrate, die von nahezu allen
Rechnern noch unterstützt wird.
Sollten nur in seltenen Fällen, nur mit speziellen
Kabeln verwendet werden, da sonst Datenfehler
auftreten.
Es gilt, das die Baudrate höher gewählt werden kann, je kürzer die Verbindung von
einem Gerät zum anderen ist. Grund dafür sind die parasitären
Leitungseigenschaften wie Kapazitäten und Induktivitäten und die auftretenden
Reflexionen an den Enden der Leitung, die das ursprüngliche Signal verfälschen
können.
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RS-232
5.4 HID und Steuerungen über RS-232
Für unsere Belange ist die Schnittstelle interessant, da wir fertige Hardware
verwenden, die von der ET und ME entwickelt wurde. Wir können diverse Sensoren
oder Schalter z.B. am Sundance-Interface anschließen und per Programm auswerten
und damit interaktiv Steueraufgaben übernehmen.
Eine Produktpräsentation wird somit für den Kunden zum Erlebnis.
Auf der Anderen Seite dient eine sogenannte Relaisbox als Ein- Ausgabegerät, mit
dem es möglich ist diverse Aktoren (Lampen, Motore, Effekte, ...) ein- und
auszuschalten.
Man stelle sich ein Multimediales Präsentationsterminal vor, das einen
Themenbereich vorstellen soll. Beispiel unsere HTL.
Es werden nicht nur Bilder und Filme am PC ablaufen, sondern auch mittels Lampen
diverse Werkstücke beleuchtet, die von SchülerInnen hergestellt worden sind.
Oder es wird ein multimediales, auch mit mechanischen Dingen animiertes,
Spektakel erstellt (Themenparks, Wellnessräume, Ausstellungen, Geisterbahn, ...)
Der Phantasie sind keine Grenzen gesetzt.
5.5 Weitere Informationen zu RS-232
http://www.camiresearch.com/Data_Com_Basics/RS232_standard.html
http://www.arcelect.com/rs232.htm
http://dbserv.maxim-ic.com/appnotes.cfm/appnote_number/723
http://www.lvr.com/serport.htm
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MIDI
6 Die MIDI-Schnittstelle
6.1 Allgemeines
MIDI steht für Musical Instrument Digital Interface und wird in der elektronischen
Musikinstrumentenbranche eingesetzt.
Diese Beschreibung kann und soll keineswegs vollständig sein. Sie dient eher als
Nachschlagewerk für die wichtigsten Elemente der MIDI-Schnittstelle und der MIDIDatenübertragung. Immer wieder wurden Stimmen laut, MIDI sei, wegen der nicht
allzu hohen Übertragungsrate, überholt, doch wird sich diese Schnittstelle weiterhin
in der elektronischen Musikbranche behaupten.
Die Schnittstelle arbeitet Voll Duplex. Das bedeutet, Senden und Empfangen ist
gleichzeitig möglich.
mitgesendet wird.
Vor der Standardisierung hatten alle Hersteller elektronischer Musikinstrumente mit
dem Problem zu kämpfen, wie die eigenen Geräte oder Geräte unterschiedlicher
Hersteller miteinander kombiniert werden können.
Alte Synthesizer bzw. elektronische Tasteninstrumente wurden mit „einem Volt pro
Oktave“ gesteuert. Das bedeutet, dass jeder Tastendruck eine analoge Spannung
erzeugte und mittels Kabel von einem Gerät zum nächsten diese Spannung
übertragen wurde. Beim Empfänger wurde ein Ton entsprechend dieser analogen
Spannung erzeugt.
Es ist leicht vorstellbar, dass durch äußere Einflüsse niemals derselbe
Spannungswert, der ausgesendet wurde am Empfänger ankam. Das äußerte sich so,
dass die Tonhöhe, je nach Länge der Leitung, höher oder tiefer ausfiel als geplant.
Ein weiterer Nachteil war, das für jede Taste eine Leitung verlegt werden musste,
damit „polyphon“ gespielt werden konnte.
Nachdem auch jeder Hersteller andere Steckverbindungen verwendete, war ein
Zusammenschließen von Geräten unterschiedlicher Hersteller nicht ohne weiteres
möglich.
Um diese Missstände zu beseitigen, schlossen sich die führenden
Musikgerätehersteller zusammen und erarbeiteten den MIDI-Standard in seiner
ersten Version.
In diesem Standard legte man ein serielles Protokoll zu Grunde, mit dem es möglich
war Geräte unterschiedlicher Hersteller zu verbinden.
Wie noch genauer erklärt wird, handelt es sich bei MIDI um ein Format, bei dem
einige, wenige Bytes übertragen werden und damit Informationen von einem Gerät
zum anderen gelangen, z.B. wann, welche Taste und mit welcher Anschlagdynamik
gedrückt wird.
Es werden auch Befehle wie „Programm Change“ übertragen, mit denen es möglich
ist zwischen einzelnen Klängen wie Piano, Orgel, Flöte usw. zu wechseln.
DI. M. Meschik
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MIDI
Spätestens zu diesem Zeitpunkt war klar, dass der MIDI-Standard noch erweitert
werden musste. Die Noten wurden zwar korrekt übertragen, jeder Hersteller hatte
aber unterschiedliche Klangzuordnungen.
Wenn beispielsweise mit einem „Programm Change“ das erste angesprochene Gerät
ein Klavier spielte, war aus dem zweiten Gerät eine Orgel zu hören.
Es wurde der sogenannte GM- (General MIDI) Standard eingeführt, bei dem jeder
Programmnummer eindeutig ein bestimmtes Instrument zugeordnet ist.
Seither ist bei allen Geräten auf Programm Nummer 0 ein Klavier (je nach
Preisklasse in besserer oder schlechterer Qualität) zu hören.
Nachdem MIDI auf 16 unterschiedlichen Kanälen (technisch gesehen eigentlich
0 – 15) senden kann, wurde auch festgelegt, dass auf Kanal 10 immer die
Schlagzeugspur sein sollte.
Auch hier gibt es eine eindeutige Zuordnung einzelner Schlagzeuginstrumente zu
den einzelnen MIDI-Noten. Base-Drum, Snare-Drum, Bongos, Congas, ... sind immer
mit der gleichen Note-On Information abrufbar.
Wichtig bei allen MIDI fähigen Geräten ist die sogenannte „MIDI Implementation
Chart“ (MIDI Funktionsliste) in der stehen muss, welche MIDI-Befehle von diesem
Gerät ausgewertet werden und welche nicht.
Viele Geräte können heutzutage viele Stimmen auf mehreren (bis zu 16) Kanälen
produzieren z.B. 32 oder 64. Dies geschieht mit dynamischer Stimmenvergabe, das
bedeutet, dass entsprechend viele Töne (auch von einem Instrument mehrere)
gleichzeitig produziert werden können.
6.2 MIDI-Interface Hardware
Abb. 3: MIDI-Hardware mit MIDI-In und MIDI-Out
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MIDI
Bei einer MIDI-Schnittstelle unterscheidet man zwischen MIDI-In, MIDI-Out und MIDIThru.
Über MIDI-In kommen die MIDI-Daten in das Gerät und laufen zuerst über einen
Optokoppler. Dieser Optokoppler dient der galvanischen Trennung von Geräten.
Über MIDI-Out werden die MIDI-Daten zu anderen Geräten gesendet.
Über MIDI-Thru werden die Daten, die über MIDI-In empfangen werden, nach dem
Durchlauf eines Treiberbausteins, unverändert ausgesendet. Eine MIDI-Thru Buchse
ist nicht in der Hardware eingezeichnet, da es viele Geräte gibt, die nur MIDI-In und
MIDI-Out besitzen.
6.3 Datenübertragung allgemein
Die Daten bestehen aus sogenannten Statusbytes (MSB ist immer logisch „1“) und
Datenbytes (MSB ist immer logisch „0“).
6.3.1 Beispiel Note-On
Achtung!
Unterscheidung wie die Daten dargestellt werden und wie diese über die Schnittstelle
physikalisch übertragen werden.
MIDI-Informationen werden in vielen Publikationen wie folgt dargestellt:
Note On
1 0 0 1 n n n n
Statusbyte 9n
DI. M. Meschik
0 k k k k k k k
Note Number (0-127)
12
0 v v v v v v v
Velocity (0-127)
MIDI
6.3.1.1Wie wird ein Byte übertragen?
Startbit
8 Datenbits Stopbit
0 1 2 3 4 5 6 7
LSB
MSB
Jedes Byte (8 Bit) wird seriell übertragen. Die Sendung beginnt mit einem „Startbit“
(logisch Low) danach folgen die „acht Datenbits“, wobei das LSB (Least Significant
Bit) zuerst gesendet wird. Abgeschlossen wird die Übertragung der acht Datenbits
von einem „Stopbit“ (logisch High).
Übertragungsgeschwindigkeit von MIDI:
Die Baudrate bei MIDI beträgt 31250 Baud bzw. 31,25 kBaud.
Unter der Baudrate versteht man die Anzahl von übertragenen Bits pro Sekunde.
6.3.1.2Sequenz für das Einschalten einer einzelnen Note
n n n n 1 0 0 1
k k k k k k k 0
v
v v v v v v 0
Abb. 4: Übertragung des Befehls „note on“
Zu Beachten ist, dass zuerst ein Statusbyte für „note-on“ übertragen wird (LSB first)
und dann die beiden Datenbytes für „note number“ und „velocity“.
6.3.2 Channel Voice Messages
Note Off
1 0 0 0 n n n n
Statusbyte 8n
0 k k k k k k k
Note Number (0-127)
0 v v v v v v v
Velocity (0-127)
0 k k k k k k k
Note Number (0-127)
0 v v v v v v v
Velocity (0-127)
Note On
1 0 0 1 n n n n
Statusbyte 9n
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MIDI
Aftertouch polyphon
1 0 1 0 n n n n
Statusbyte an
0 k k k k k k k
Note Number (0-127)
0 v v v v v v v
Value (0-127)
Control Change
1 0 1 1 n n n n
Statusbyte bn
0 c c c c c c c
Ctrl. Number (0-127)
0 V v v v v v v
Value (0-127)
Program Change
1 1 0 0 n n n n
Statusbyte cn
0 p p p p p p p
Prog. Number (0-127)
After Touch
1 1 0 1 n n n n
Statusbyte dn
0 v v v v v v V
value (0-127)
Pitch Wheel
1 1 1 0 n n n n
Statusbyte en
0 v v v v v v v
LSB (0-127)
0 v v v v v v v
MSB (0-127)
6.3.2.1Bemerkungen
„nnnn“
„kkk kkkk“
„vvv vvvv“
„ccc cccc“
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Chanel number - Kanalnummer der Stimme, wobei folgendes gilt
0000
MIDI Kanal 1
0001
MIDI Kanal 2
0010
MIDI Kanal 3
....
1111
MIDI Kanal 16
Note number – MIDI Notennummer (0 – 127)
Kkk kkkk = 60d (=> 3ch) entspricht dem mittleren „C“ am
Keyboard
Das tiefste „C“ am Klavier ist z.B. 12d
Key velocity – Anschlagsdynamik.
vvv vvvv = 00d => Ton nicht zu hören
vvv vvvv = 64d => mittlere Lautstärke
vvv vvvv = 127d => volle Lautstärke
Control number – Steuernummer für unterschiedliche Regler und
Schalter. Genaue Beschreibung siehe weiter unten.
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MIDI
6.3.2.1.1 Control Number
Die Control-Numbers (Steuernummern) sind nicht bestimmten Reglern zugeordnet.
Je nach Hersteller können aber mehr oder weniger Controller gesteuert werden.
ccc cccc
0
1
2
3
4-31
32
33
34
35
36-63
64-95
96-121
122-127
Art des Controllers
Continuos Controller / Regler
Continuos Controller / Regler - Modulationsrad
Continuos Controller / Regler – Modulationsrad
Switches (On/Off) / Schalter (an/aus)
Nicht definiert
Reserviert für Channel Mode Messages
Byte
MSB
MSB
MSB
MSB
MSB
MSB
LSB
LSB
LSB
LSB
Die Continuos Controller sind in ein höherwertiges Byte (MSB) und ein
niederwertiges Byte (LSB) gegliedert. Werden für die Übermittlung des gesamten
Bereichs eines Reglers nur sieben Bit benötigt, wird ausschließlich das MSB
gesendet. In diesem Fall muss das LSB nicht gesendet werden.
Bei vielen Infos hintereinander kann das immer wieder Senden des Statusbytes
entfallen, bis ein anderer Status benötigt wird.
Bei den Switches gilt: 0 = aus, 127 = ein; Die Werte von 1 – 125 werden ignoriert.
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MIDI
6.3.3 Channel Mode Messages
Local On
1 0 1 1 n n n n
Statusbyte bn
0 c c c c c c c
Ctrl. Number 122
0 v v v v v v v
Value 127
0 c c c c c c c
Ctrl. Number 122
0 v v v v v v v
Value 0
0 c c c c c c c
Ctrl. Number 123
0 v v v v v v v
Value 127
Local Off
1 0 1 1 n n n n
Statusbyte bn
All Notes Off
1 0 1 1 n n n n
Statusbyte bn
Omni Off - All Notes Off
1 0 1 1 n n n n
Statusbyte bn
0 c c c c c c c
Ctrl. Number 124
0 v v v v v v v
Value 0
Omni On - All Notes Off
1 0 1 1 n n n n
Statusbyte bn
0 c c c c c c c
Ctrl. Number 125
0 v v v v v v v
Value 0
Mono On - Poly Off - All Notes Off
1 0 1 1 n n n n
Statusbyte bn
0 c c c c c c c
Ctrl. Number 126
0 v v v v v v v
Number of channels
Mono Off - Poly On - All Notes Off
1 0 1 1 n n n n
Statusbyte bn
DI. M. Meschik
0 c c c c c c c
Ctrl. Number 127
16
0 v v v v v v v
Number of channels
MIDI
6.3.4 System Messages
6.3.4.1System Exclusiv
System Exclusive
1 1 1 1 0 0 0 0
Statusbyte f0
0 i i i i i i
Hersteller ID (0-127)
i
Nach dieser Sequenz folgen beliebig viele Datenbytes (MSB = 0).
Diese werden mit dem Kommando EOX (end of System Exclusive Daten)
abgeschlossen.
6.3.4.2System Common
Not Defined
1 1 1 1 0 0 0 1
Statusbyte f1, f4, f5
Song Position Pointer
1 1 1 1 0 0 1 0
Statusbyte f2
0 c c c c c c c
LSB 127
0 h h h h h h h
MSB
Song Select
1 1 1 1 0 0 1 1
Statusbyte f3
0 s s s s s s s
Song Number (0-127)
Tune Request
1 1 1 1 0 1 1 0
Statusbyte f6
EOX - End Of Exclusive
1 1 1 1 0 1 1 1
Statusbyte f7
DI. M. Meschik
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MIDI
Bemerkungen:
Song-Position-Pointer:
Es handelt sich dabei um ein internes Register, das die Anzahl der seit dem
Songanfang vergangenen MIDI-Beats (1 Beat = 6 MIDI Clocks) führt
EOX wird benutzt, um das Ende einer System-Exclusive-Message anzuzeigen.
6.3.4.3System Real Time
Timing Clock
1 1 1 1 1 0 0 0
Statusbyte f8
Nicht definiert
1 1 1 1 1 0 0 1
Statusbyte f9
Start
1 1 1 1 1 0 1 0
Statusbyte fa
Continue / Wieder fortsetzen
1 1 1 1 1 0 1 1
Statusbyte fb
Stop
1 1 1 1 1 1 0 0
Statusbyte fc
Nicht definiert
1 1 1 1 1 1 0 1
Statusbyte fd
Active Sensing
1 1 1 1 1 1 1 0
DI. M. Meschik
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MIDI
Statusbyte fe
Reset
1 1 1 1 1 1 1 1
Statusbyte ff
Bemerkungen:
Die System-Realtime-Messages dienen zur Synchronisation des Systems in
Realtime. Diese Statusbytes können jederzeit und zwischen beliebigen Bytes (auch
z.B. zwischen dem NOTE-ON-Befehl) eingefügt werden.
Active Sensing wird in Abständen von max. 300ms gesendet, wenn sonst keine
MIDI-Daten übertragen werden.
6.3.4.4Weitere Informationen zu MIDI
http://www.gweep.net/~prefect/eng/reference/protocol/midispec.html
http://www.sfu.ca/sca/Manuals/247/midi/MIDISpec.html
http://www.fortunecity.com/tinpan/faithfull/379/midispec1.0.html
http://www.borg.com/~jglatt/tech/midispec.htm
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DMX-512
7 Die DMX-512 Schnittstelle
7.1 Allgemeines
Der Name DMX-512 führt daher, dass am Bus eine entsprechende Anzahl von
Teilnehmern angeschlossen werden können. Eigentlich sind es nur 511 Kanäle, da
der Kanal 0 zur Start-Sequenz gehört. Die Übertragungsart ist bei DMX-512 nur
simplex. Das bedeutet, die Übertragung kann nur in einer Richtung erfolgen. Das
wird als größter Nachteil beim DMX-512 angesehen, da es kein Feedback gibt, ob
die Daten, die ich gesendet habe, auch am Empfänger angekommen sind.
mitgesendet wird.
Beim DMX-512 können mehrere Teilnehmer parallel an den Leitungen
angeschlossen werden. Im Gegensatz zu MIDI, bei dem das Signal für MIDI-Thru
verstärkt werden muss, sind bei DMX-512 alle Teilnehmer (Gruppen zu ca. 32,
Erklärung folgt später) parallel, ohne Zusatzelektronik einfach miteinander zu
verbinden.
7.2 DMX-512 Hardware Schnittstelle
Abb. 5: Blockschaltung für DMX-512
Es handelt sich um eine symmetrische Schnittstelle. Die Treiberbausteine steuern die
Leitungen symmetrisch an. Es werden die Spannungsdifferenzen zwischen den
Leitungen ausgewertet und nicht die Spannungen gegen Masse. Dieser Bus ist sehr
DI. M. Meschik
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DMX-512
störsicher. Es können große Datenmengen mit einer hohen
Übertragungsgeschwindigkeit übertragen werden.
Um Reflexionen am Ende der Leitung zu vermeiden, muss ein sogenannter
„Terminator“ (Abschlusswiderstand) eingebaut werden.
Bei jedem Empfänger gibt es eine DMX-In Buchse und eine DMX-Out Buchse, wobei
diese im Gerät direkt miteinander verbunden sind. Die angeschlossenen Geräte sind
also parallel.
Vom Sender her (z.B. Lichtpult) ist eine entsprechende Treiberleistung vorhanden,
sodass maximal 32 Teilnehmer angeschlossen werden können. Danach muss mit
einem sogenannten „Repeater“ (aktive Elektronik, die Signale verstärkt) die
Treiberleistung für die nächsten 32 Teilnehmer zur Verfügung gestellt werden.
7.3 Datenformat
Abb. 6: DMX-512 Datenformat
Übertragungsgeschwindigkeit von DMX-512:
Die Baudrate bei DMX-512 beträgt 250000 Baud bzw. 250 kBaud.
Unter der Baudrate versteht man die Anzahl von übertragenen Bits pro Sekunde.
Die Übertragung beginnt mit einer Pause, MAB und einer „Startcondition“ siehe
nächstes Diagramm.
Jedes Byte für die einzelnen Teilnehmer (8 Bit) wird seriell übertragen. Das
Datenformat für jedes einzelne Gerät beginnt mit einem „Startbit“ (logisch Low)
danach folgen die „acht Datenbits“, wobei das LSB (Least Significant Bit) zuerst
gesendet wird. Abgeschlossen wird die Übertragung der acht Datenbits von zwei
„Stopbits“ (logisch High).
Das folgende Diagramm ist vom Internet übernommen und zu finden unter:
www.dmx512-online.com/packt.html
Es darf nur für eigene Zwecke verwendet werden und darf nicht kopiert werden.
DI. M. Meschik
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DMX-512
Abb. 7: DMX-512 Timing-Diagram
Der Aufbau von DMX-512 ist in diesem Diagramm mit den entsprechenden Zeiten
sehr ausführlich dargestellt.
DI. M. Meschik
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DMX-512
Bemerkungen:
MTBP – Idle (Mark Time Between Pakets):
Das Signal ist standardmäßig auf High, wenn keine Daten gesendet werden. Diese
Zeit kann von 0 bis 1 sec gehen.
Break:
Der Start jedes DMX-512 Pakets wird mit einem Break (logisch Null) eingeleitet. Die
Zeit für Break muss mindestens 88 µs und darf maximal 1 sec lang sein.
MAB (Mark After Break):
MAB folgt direkt nach dem Break und ist 2 Bits lange auf High (8 µs). Früher war
MAB nur 4µs lang, wodurch aber Probleme bei den Empfängern auftraten.
(MAB kann eine Länge bis 1sec bekommen, in der Literatur werden teilweise 12µs
angenommen).
SC (Start Code):
Der Start Code ist eigentlich der “NULLTE” Teilnehmer im DMX-512 Protokoll. Das
bedeutet wir haben ein Startbit (log. Null für 4µs), 8 datenbits, wobei der Wert hier
immer 00h sein muss, gefolgt von zwei Stopbits (log. High für 8us).
In Summe ist der Start Code 11 x 4µs = 44µs lang.
MTBF (Mark Time Between Frames):
MTBF befindet sich zwischen den einzelnen Kanälen und kann von 0 bis 1 sec
dauern. Das bedeutet, dass der nächste Kanal gleich anfolgend sein kann oder eine
Pause bis zu 1 sec (log. High) eingefügt werden kann.
CD (Channel Data):
CD folgt dem Start Code in einer logischen Reihenfolge von 1 bis 512 oder weniger,
je nachdem, wie viele Teilnehmer angeschlossen sind oder wie viele Kanäle
ausgesendet werden.
Es gilt dabei das Selbe wie für den Start Code nur dass die Daten hier von 00h bis
ffh gehen können.
7.3.1 Addressierung der einzelnen Teilnehmer
Es ist wichtig zu wissen, dass beim DMX-512 Protokoll die Adressen für die
Teilnehmer nicht explizit angegeben werden.
Das erste Byte nach dem Start Code wird automatisch als das Datenpaket für den
Kanal 1 im Empfänger interpretiert, das nächste Datenpaket gilt für Kanal 2 usw. bis
zum Kanal 512 oder weniger!
Auf den Empfängern (z.B ein Lampendimmer) kann die sogenannte Startadresse
eingestellt werden, ab der diese Lampe angesprochen werden soll. Ist z.B „1“
eingestellt, wird das erste Datenpaket nach dem Start Code von diesem Empfänger
ausgewertet. Die Daten (00h-ffh) führen dazu, dass die am Dimmer angeschlossene
Lampe in der Helligkeit von 0% (00h) bis 100% (ffh) gesteuert werden kann.
DI. M. Meschik
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DMX-512
7.3.2 Teilnehmer am DMX-512 Bus
Diese sind z.B. Dimmer, Nebelmaschinen, Moving Lights, Gobo-Lights, usw.
Es wird dabei recht schnell klar, dass pro angeschlossenem Gerät nicht nur ein
sondern mehrere Kanäle verwendet werden, wobei pro Gerät nur ein DMX-In
vorhanden ist.
Wird, wie in unserem Labor, ein 4-Kanal Dimmer eingesetzt, so wird mittels „DIPSchalter“ jene Adresse eingestellt, mit der die erste Lampe am Dimmer angesteuert
werden soll. Die weiteren Lampen haben dann die Adresse „Eingestellte +1, +2 und
+3.
Ist die Startadresse z.B 50, dann können die 4 Lampen unter den Adressen 50, 51,
52 und 53 angesteuert werden.
Ein „Moving-Light“ belegt mehrere Kanäle für folgende Kanäle:
1 Kanal für x-Achse
1 Kanal für y-Achse
1 Kanal für die Helligkeit
1 Kanal für die Lampenfarbe (Farbenwechsler)
Im System sind ein Sender (Lichtpult, PC, ...) und mehrere Empfänger vorhanden.
Wenn einmal ein Fehler in der Übertragung passiert, so passiert meist nichts, da
durch die schnelle Übertragung im nächsten Zyklus die richtigen Daten zum
entsprechenden Empfänger gesendet werden.
7.3.3 Vor- und Nachteile von DMX-512
Vorteile:
Es ist ein besonders einfacher Bus
Die Adressen werden nicht mitgesendet
Schnelle Übertragungsrate
Leicht erweiterbar
Robuste Steckverbindungen für Bühnentechnik
Nachteile:
Simplex Betrieb => Informationen werden nur in einer Richtung übertragen
Es gibt kein Feedback, ob die Daten auch beim Empfänger angekommen sind
Ist eine Steckverbindung defekt, so fällt der ganze Teil nach dem defekten
Stecker aus
7.3.4 Weitere Informationen zu DMX-512
http://www.mpcfaculty.net/drama_dept/DMX.htm
http://www.dmx512-online.com/packt.html
DI. M. Meschik
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Übungen
8 Übungen
8.1 Für alle Übungen gilt:
verwenden Sie die Laborprotokoll-Vorlage von Prof. Jüngling
bereiten Sie sich VOR DEN ÜBUNGEN auf die entsprechenden Übungen vor
(Durcharbeiten des Skriptums) - Sie werden zu diesem Stoff bei der Übung
befragt
Die Zeit ist kurz bemessen => arbeiten Sie zügig, um die Übung durchführen
zu können.
Pro Gruppe, die Einteilung erfolgt zu Jahresbeginn, ist EIN PROTOKOLL
anzufertigen und AM BEGINN DER NÄCHSTEN ÜBUNG bzw. EINE WOCHE
nach der Übung abzugeben. Wird das Protokoll später abgegeben, so
verschlechtert sich die Note pro Woche um einen Grad => Achten Sie bitte auf
rechtzeitige Abgabe.
Es kann vorkommen, dass Sie mit einer Übung an einem Übungstag nicht
fertig werden. Es wird dann in der nächsten Laborstunde fortgesetzt. Ob ein
Protokoll abzuliefern ist oder nicht, ist mit mir abzusprechen.
SIE bestimmen mit, wie interessant die Übungen werden. Speziell bei den
fortgeschrittenen Übungen können Sie ein MAXIMUM an medientechnischem
KNOW HOW herausholen.
zu Beginn der Übungen wird eine kurze Einführung für die Übung gegeben.
Der Stoff wird kurz abgefragt => Skriptum vorher durcharbeiten !!!
8.2 Übung 1: RS-232 1 (RS-232 was ist das, wofür benötige ich
das?
Ziele der Übung:
Kennen lernen der Schnittstelle und Aufzeichnung mittels Oszilloskop
Kennen ernen des Oszilloskopes. In das Protokoll kommt eine kurze
Erklärung, wie mit dem Oszilloskop gemessen wurde.
Wie können Daten übertragen werden? ASCII-Zeichen
Verwendung eines Terminalprogramms zum Generieren von Zeichen
Einstellen unterschiedlicher Baudraten, was ist Handshake?
Vorbereitung:
Durcharbeiten des Skriptums (ist am MOODLE-Server verfügbar)
Internet-Suche zu den Themen "Oszilloskop" und "serielle Schnitstelle RS232"
Übungsdurchführung:
Entwurf und Aufbau einer Messschaltung
Blockbild
Messergebnisse in einem Protokoll festhalten
DI. M. Meschik
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Übungen
8.3 Übung 2: RS-232 2
Ziele der Übung:
Kennen lernen unterschiedlicher Eingabemöglichkeiten (HID)
Daten mittels Terminalprogramm ansehen und auswerten
Vorführung des Programmes von Sun Dance
Vorbereitung:
Entwurf und Aufbau einer Messschaltung
Blockbild
Messergebnisse in einem Protokoll festhalten
HID Eingabe mittels Sun-Dance
Formatbeschreibung von Sun-Dance, was wird wann gesendet?
Wie kann dieses HID in Programme eingebunden werden?
8.4 Übung 3: RS-232 3
Ziele der Übung:
Arbeiten mit der 16-fach Relaisbox mittels Terminalprogramm Ausgeben und
Einlesen von Daten
Erklärung der Befehle
IR-Scan Box an serielles Interface anschliessen
Einlernen von IR-Codes => Interprettieren der Codes
Warum wird dort Infrarot eingesetz?
Arbeiten mit der 8-fach. Relaisbox und Snoezelen Programm
evtl. Neigungssensor als HID; Datenübertragung
evtl. Steuerung eines Programms mit dem Neigungssensor und dem
Trainingsboard
Vorbereitung:
(CD mit z.B. Beruhigender Background-Musik sollte mitgebracht werden)
Ausführen einfacher Schalthandlungen und Einlesen analoger Daten über
Terminalprogramm
Steuerung einfacher Schalthandlungen über IR mittels Snoezelen Programm
DI. M. Meschik
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Übungen
8.5 Übung 4: MIDI 1 (MIDI-Daten sichtbar machen)
Ziele der Übung:
Kennen lernen der MIDI-Schnittstelle (Hardware)
Aufbau der Datenstruktur
Messung eines einfachen MIDI-Befehls (NOTE-ON)
Feststellen des Befehls, des MIDI-Kanals, der Notennummer und der
Anschlagdynamik ausgehend von einem Oszilloskop-Ausdruck (beim
Drumcomputer sind ebenfalls die aufgezeichnetren Daten zu interpretieren)
Vorbereitung:
Internet-Suche zum Thema "MIDI"
Es ist ein Blockschaltbild vom Messaufbau in das Protokoll zu geben.
Die gemessenen Daten (können vom Osziloskop zum PC gesendet und dort
gespeichert werden) müssen mit Hinweisen ergänzt (z.B. importieren in
PAINT) ebenfalls ins Protokoll.
8.6 Übung 5: MIDI 2
Ziele der Übung:
Kennen lernen einfacher MIDI-Verbindungen, IN, OUT, THRU in Kombination
mit dem PC
Arbeiten mit MIDI und dem PC, evtl. Programm CAKEWALK oder Band In a
Box
Warum ist ein MIDI-File viel kleiner als eine *.WAV-Datei?
Vorbereitung:
Mittels Drumcomputer oder PC werden MIDI-Realtime Mesages generiert und
mittels Oszilloskop aufgezeichnet.
Die Abstände zwischen den einzelnen Realtime events ist zu Messen
DI. M. Meschik
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Übungen
Ziele der Übung:
Was ist mit den MIDI-Kanälen und wozu benötige ich diese?
Was ist general MIDI?
Erste Schritte für ein MIDI-gesteuertes Hörspiel
Mischung von MIDI und WAV-Dateien
Wann setze ich MIDI, WAV oder andere Formate ein?
Ziel soll es sein ein kleines Stück zu vertonen
Vorbereitung:
Thema für kurze Sequenz für Vertonung überlegen
Aufzeichnung mehrerer einzelner Spuren mittels Sequenzer
Aufzeichnung einer Spur mit Programm change
Vorbereitung oder bereits Vertonung einer kurzen Sequenz
Ziele der Übung:
die MIDI-Controller
Effekte wie Panorama, Lautstärke, Modulation, ...
wann setze ich diese ein
Das MIDI-Mischpult - Kompletter MIX-down mit MIDI
Anschluss von MIDI-geek an Band In a Box (Volume Controll)
Band In A Box für Soloinstrumentalisten
Vorbereitung:
• Abmischen des kleinen Hörspiels 1 bis 5 Minuten
8.9 Übung 8: DMX-512 1 (DMX-512 Daten sichtbar machen)
Ziele der Übung:
Kennen lernen der Schnittstelle
wozu benötige ich DMX-512, Einsatzgebiete
DI. M. Meschik
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Übungen
Vorbereitung:
Internet-Suche zum Thema "DMX-512"
Mittels DMX-512 Demo-Box werden die Daten mittels Oszilloskop
aufgezeichnet
Was ändert sich mit und ohne Abschlusswiderstand?
Anschluss an eine Dimmerbox und Einstellung des richtigen Kanals an der
Dimmerbox, je nach verwendeter DMX-512 Demo-Box
8.10 Übung 9: DMX-512 2
Ziele der Übung:
Was wird benötigt, um ein Thema multimedial zu gestalten
Storybook, Was passiert wann, Synchronisation mehrerer Medien,...
Vorbereitung:
Thema für Umsetzung suchen
Erstellung von Licht-Sequenzen mittels Snoezelen-Programm
Programm im AUTO-Modus Erstellen für ein selbst ausgesuchtes Thema
(Meer, Strand; Die Wüste lebt; Entspann dich; ...) wenn möglich für den
Medientechnik Raum
8.11 Übung 10: DMX-512 + MIDI 3
Ziele der Übung:
Kennen lernen des Umsetzers von MIDI auf DMX-512
Warum wird dieser bei uns eingesetzt?
Wie geschieht die Steuerung von Licht und Effekten in großen Produktionen?
Wie wird synchronisiert?
Vorbereitung:
• Durcharbeiten des Skriptums (ist am MOODLE-Server verfügbar)
• Internet-Suche zum Thema "DMX-512"
Koppelung mit MIDI - Steuerung von Licht und visuellen Effekten über MIDISequenzer
Einstellung von Controller-Meldungen im Sequenzer für den Umsetzer
Planung einer Lichtsteuerung und Programmierung mit Sequenzerprogramm
Cakewalk
DI. M. Meschik
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Übungen
8.12 Übung 11-12: DMX-512 + MIDI 4 + 5
Ziele der Übung:
Planung und Durchführung einer kompletten Produktion inclusive MIDI, WAV,
DMX-512
Vorbereitung:
Ideen für Hörspiel
Gewünscht ist ein Hörspiel, Sprechtext oder eine multimediale Vorführung
mittels Sound & Light & weiteres
Es können auch Nebelmaschine & andere Dinge eingesetzt werden (Geruch
wäre z.B. ein Highlight)
Wichtig dabei ist, dass jede Gruppe bereits VOR DER ÜBUNG ein Thema
ausgesucht und ein kleines Konzept erstellt hat, sonst scheitert diese Übung!
Bemerkung: Diese Übung kann über zwei Blöcke ausgedehnt werden. Es
können dafür auch mehrere Gruppen zusammen arbeiten. Voraussetzung
dabei ist, dass jeder eine bestimmte Aufgabe zu erfüllen hat
8.13 Übung 13: DMX-512 + MIDI 6
Ziele der Übung:
Fertigstellung des Hörspiels
Vorbereitung:
Thema für Umsetzung im Detail
Planung und Durchführung einer kompletten Produktion Fertigstellung
DI. M. Meschik
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Abbildungsverzeichnis
9 Abbildungsverzeichnis
Abb. 1: Serielle Schnittstelle mit Pegelkonverter ...................................................................... 7
Abb. 2: MIDI-Hardware mit MIDI-In und MIDI-Out ............................................................. 11
Abb. 3: Übertragung des Befehls „note on“........................................................................ 13
Abb. 4: Blockschaltung für DMX-512..................................................................................... 20
Abb. 5: DMX-512 Datenformat ............................................................................................... 21
Abb. 6: DMX-512 Timing-Diagram ........................................................................................ 22
DI. M. Meschik
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MIDI, DMX-512, RS-232 USB, HID,

Transcription

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