用ESP32 制作音乐合成器

在故事的第第一部分中，我解释了如何使用ESP32和I2S音频芯片播放音乐。今天我们将做一些完全不同的事情。我们将把同一个ESP32编程为MIDI键盘使用！这将允许我们将ESP32与专业级软件（如GarageBand）配合使用，使用各种乐器和效果器。

由于我们不再需要高速音频处理，所有编码都将用Python完成。如果你想拥有一个真实的设备进行测试，我还会在文章末尾展示如何订购专业级的PCB。

1. 硬件

硬件需求并不高。我们需要一个ESP32开发板、一根USB线、一块面包板、一些触摸传感器（或铜箔）和电阻。ESP32内置了电容式触摸感应外设，我们可以将其用作电子琴的"琴键"。

ESP32 是一款小巧且价格实惠（约 10 美元）的开发板，非常适合各种硬件和物联网实验。它配备双核 32 位 CPU，运行频率约为 200 MHz，拥有约 512 KB 的 RAM，以及我们将要使用的大量 GPIO 端口。

由于我们使用 MIDI 而非原始音频生成，因此当前任务变得更加简单。我们不再需要音频芯片，当用户按下或松开琴键时，我们只需发送一个 MIDI 命令即可。实际上，原理图如下所示，左下角部分已不再需要：

本项目灵感来源于 20 世纪 60 年代的乐器——电子琴（Stylophone）。正如我们所见，几乎所有 ESP32 引脚都用作钢琴键。我们还有一个“模式”按钮，可以切换乐器。如果 15 个音符不够用，还可以使用可选的“八度”键来演奏高八度的音符。我们还可以使用左侧的旋钮来调节音量。最后，LED 指示灯用作“心跳”，方便我们查看电路板是否正常工作。

在第一部分中，我已经创建了一个 PCB，KiCad 项目已上传至 GitHub。电路板如下图所示：

如前所述，MIDI 项目不需要扬声器和音频芯片，因此您甚至可以为键盘添加更多琴键。您可以随意修改文件！文章末尾我会介绍如何订购真正的 PCB，但这并非必须。您也可以直接将 ESP32 插入面包板，它也能正常工作。

2、编码

现在，我们可以开始编写 Python 代码了！ESP32 可以使用 MicroPython 进行编程，MicroPython 是一种专为低功耗设备优化的 Python 方言。如果您之前从未使用过 MicroPython，我建议您先阅读这篇文章：

物联网入门：ESP32 轻松上手——MicroPython 和 Arduino IDE

现在，让我们开始吧！

2.1 钢琴键

ESP32 的主要功能是处理钢琴键，所以我们来实现它。首先，我将列出我拥有的引脚：

from machine import Pin

KEYS_PHYSICAL = 15
KEY_PINS = [39, 19, 21, 18, 34, 35, 33, 25, 17, 26, 5, 16, 4, 15, 27]

如果您使用面包板，请根据您的实际接线情况更改引脚编号。

现在，让我们将这些按键初始化为输入：

key_pin_objs = []

# ESP32 limitation: some GPIO pins have no pull-up resistors
NO_PULLUPS = (39, 34, 35)

def init_gpio():
    """ Initial hardware setup """
    # Setup Keys
    for pin_num in KEY_PINS:
        if pin_num in NO_PULLUPS:
            key_pin_objs.append(Pin(pin_num, Pin.IN)) # No pull-up available on these pins
        else:
            key_pin_objs.append(Pin(pin_num, Pin.IN, Pin.PULL_UP))

这里，我将 ESP32 的引脚配置为输入，这样我们就可以读取它们的值“1”或“0”。一个上拉电阻将引脚连接到 3.3V，因此引脚的默认值为“1”。这样，我们的逻辑就反过来了：当琴键被按下时，引脚值为“0”。

2.2 钢琴键事件

现在，我们有了所有的输入，可以生成琴键被按下或释放的事件。

对于每个琴键，我将存储它的状态，可以是“空闲”或“按下”：

# Key states
KEY_IDLE = 0
KEY_PRESSED = 1

KEYS_PHYSICAL = 15
key_state = [0] * KEYS_PHYSICAL

现在，我们可以读取所有数值：

def update_keys():
    """ Update keys data (naive version - do not copy!)"""
    for i in range(KEYS_PHYSICAL):
        is_pressed = key_pin_objs[i].value() == 0

        if is_pressed and key_state[i] == KEY_IDLE:
            key_state[i] = KEY_PRESSED
            on_key_down(i)
        elif not is_pressed and key_state[i] == KEY_PRESSED:
            key_state[i] = KEY_IDLE
            on_key_up(i)

def on_key_down(key_index: int):
    """ Key Down event """
    print("onKeyDown", key_index + 1)

def on_key_up(key_index: int):
    """ Key Up event """
    print("onKeyUp", key_index + 1)

ESP32 本质上是一个单核微控制器（虽然它还有一个第二核，但只能作为最后的手段来处理某些任务）。它没有操作系统，也没有其他后台进程，因此我们可以安全地在主循环中运行这段代码：

init_gpio()

while True:
    update_keys()

现在，我们可以运行这段代码……但它无法正常工作。实际上，按下并释放一个按键时，我们可能会收到 5 到 10 个事件，而不是一个。在现实世界中，按键并非理想状态，总会存在一些摩擦和弹跳。因此，即使只按下一次按键，也会收到一长串的 on_key_down 和 on_key_up 事件。

软件层面的解决方法很简单，叫做防抖。我们只需要忽略持续时间过短的状态变化即可。为此，我将添加第三个状态以及最后一次状态变化的时间戳：

# Key states
KEY_IDLE = 0
KEY_PRESSED = 1
KEY_RELEASED = 2

key_state = [0] * KEYS_PHYSICAL
key_last_change = [0] * KEYS_PHYSICAL
DEBOUNCE_DELAY_MS = 50

我们的 update_keys 方法会稍微长一些：

def update_keys():
    """ Update keys data """
    for i in range(KEYS_PHYSICAL):
        is_pressed = key_pin_objs[i].value() == 0
        current_time = time.ticks_ms()
        time_diff = time.ticks_diff(current_time, key_last_change[i])

        if is_pressed:
            if key_state[i] == KEY_IDLE:
                key_state[i] = KEY_PRESSED
                key_last_change[i] = current_time
                on_key_down(i)
            elif key_state[i] == KEY_RELEASED and time_diff < DEBOUNCE_DELAY_MS:
                key_state[i] = KEY_PRESSED
                key_last_change[i] = current_time
        else:
            if key_state[i] == KEY_PRESSED:
                key_state[i] = KEY_RELEASED
                key_last_change[i] = current_time
            elif key_state[i] == KEY_RELEASED and time_diff > DEBOUNCE_DELAY_MS:
                key_state[i] = KEY_IDLE
                key_last_change[i] = current_time
                on_key_up(i)

现在，如果琴键被释放，我们不会立即发送 on_key_up 事件。相反，琴键的状态会变为“released”，然后根据接下来的情况，琴键可能会再次被按下，或者最终被释放并设置为“idle”。

2.3 音量旋钮

正如我们所见，每个钢琴键都可以被按下或释放，引脚值可以是“0”或“1”。读取音量旋钮的方式略有不同。这里，我们有一个模拟值，其范围为 0 到 3.3V。我们不需要在代码中进行电压转换，ESP32 内部的 ADC（模数转换器）会为我们完成所有工作：

from machine import ADC

amplitude = 0

VOLUME_INPUT = 32
adc_vol = ADC(Pin(VOLUME_INPUT))
adc_vol.atten(ADC.ATTN_11DB)  # Read full 0-3.3V range

现在，我们只需一行代码即可读取旋钮的值：

def update_volume():
    """ Read volume level from the ADC """
    global amplitude
    # MicroPython ADC returns 0-4095 by default
    amplitude = adc_vol.read()

2.4 心跳 LED

现在，我们可以获取钢琴键事件和音乐音量。作为可选步骤，我们让 LED 闪烁，以便清楚地表明电路板工作正常。这里棘手的地方在于，我们不能直接这样做：

HEARTBEAT_LED = 23
heartbeat_led_pin = Pin(HEARTBEAT_LED, Pin.OUT, value=0)
heartbeat_step = 0

def show_heartbeat_led():
    """ Show the heartbeat LED - naive version, do not copy """
    heartbeat_led_pin.value(heartbeat_step)
    heartbeat_step = 1 - heartbeat_step
    time.sleep(1)

init_gpio()
while True:
    update_keys()
    show_heartbeat_led()

显然，LED 会闪烁。但其他所有功能都会停止工作，因为这段代码阻塞了主线程。

相反，在 show_heartbeat_led 函数中，我们必须保存状态和上次更新时间。这样，我们就可以仅在需要时才更改 LED 的状态：

heartbeat_last_time_ms = 0
heartbeat_step = 0

def show_heartbeat_led():
    """ Show the heartbeat LED """
    global heartbeat_led_pin, heartbeat_last_time_ms, heartbeat_step
    time_ms = time.ticks_ms()

    durations_ms = [1000, 1000]
    states = [1, 0]
    # Update LED when time passed
    if time.ticks_diff(time_ms, heartbeat_last_time_ms) >= durations_ms[heartbeat_step]:
        heartbeat_step = (heartbeat_step + 1) % 2
        heartbeat_led_pin.value(states[heartbeat_step])
        heartbeat_last_time_ms = time_ms

这种方法更复杂，但效果更好。首先，它不会阻塞线程。其次，它可以设置两个以上的状态和持续时间，例如，您可以更改 LED 闪烁模式，例如改为“短-短-长”，而无需更改代码逻辑。

我们也可以使用 asyncio 来完成类似的任务。在这种情况下，它的优势并不明显（asyncio 在我们需要在单个核心上并行处理大量请求时表现出色），但对于读者来说，这不失为一个自行测试的好方法。

3、MIDI

最后，我们即将进入有趣的部分。我们有一块 ESP32 开发板，可以获取钢琴键事件和音量。最后一步是将 MIDI 命令发送到 PC，以便音频软件可以处理这些数据。

MIDI（乐器数字接口）是一个古老的标准，发布于 20 世纪 80 年代初。然而，它仍然能够很好地完成任务，并且至今仍被广泛使用。

实际上，我们的任务很简单。首先，我们需要将“按键按下”和“按键抬起”事件作为 MIDI 命令发送出去：

MIDI_NOTE_ON = 0x90
MIDI_NOTE_OFF = 0x80

def send_midi_message(command: int, note: int, velocity: int):
    """ Send a raw 3-byte MIDI message over USB Serial """
    # Write raw bytes directly to the serial buffer
    sys.stdout.buffer.write(bytes([command, note, velocity]))

提醒一下，我的键盘有 15 个键，看起来像这样：

我决定将最低的键设置为 C4，它的 MIDI 代码是 60。现在，我只需要在 on_key_down 和 on_key_up 事件处理程序中调用 send_midi_message 函数即可：

BASE_MIDI_NOTE = 60  # MIDI Note 60 is Middle C (C4)

def on_key_down(key_index: int):
    """ Key Down event """
    # Send MIDI Note On (Command, Note, Velocity as 0..127)
    global amplitude
    midi_note = BASE_MIDI_NOTE + key_index
    midi_amplitude = amplitude // 32  # 0..4095 => 0..127
    send_midi_message(MIDI_NOTE_ON, midi_note, midi_amplitude)

def on_key_up(key_index: int):
    """ Key Up event """
    # Send MIDI Note Off (Command, Note, Velocity 0)
    midi_note = BASE_MIDI_NOTE + key_index
    send_midi_message(MIDI_NOTE_OFF, midi_note, 0)

代码很简单。我们有音符和音量，只需要向 MIDI 接口发送正确的命令即可。ESP32 开发板必须连接到 PC，它会自动被识别为 USB 串口。

4、测试

恭喜所有读到这里的读者！我们的编码部分已经完成，现在只需要将 MIDI 数据发送到音频软件。这可能与平台有关，至少在我的 Mac 上，GarageBand 无法使用来自串口的 MIDI 数据。为了解决这个问题，我使用了一个开源的 Python 串口-MIDI 桥接器应用程序，可以从 GitHub 下载：

这个 Python 脚本已经有 5 年的历史了，但它仍然运行良好。我只需要在 PC 上运行它，它就会将所有串口数据转发到 MIDI 接口。

之后，我在我的 Mac 上打开了一个免费的 GarageBand 应用程序，我能够播放音乐并录制音频轨道。

GarageBand 由苹果公司开发，如果您是 Windows 或 Linux 用户，则可能需要使用其他应用程序。如果您想了解其工作原理，文章末尾附有视频。

5、制作 PCB

作为给读者的额外福利，我将展示如何制作专业级 PCB 用于您自己的测试。这并非必须，您也可以在面包板上使用 ESP32，但用真正的琴键演奏音乐会更有乐趣。

要制作 PCB，您需要 Gerber 文件，可以使用 KiCad（免费开源软件）生成。本项目的 KiCad 文件可在我的 GitHub 页面上找到。在 KiCad 的 PCB 编辑器中，您可以查看电路板并根据需要进行任何更改：

使用“制造输出”菜单，您可以生成 Gerber 文件和钻孔文件，并将它们打包成一个压缩文件。

现在，我们可以订购PCB了，我会演示如何使用PCBWay——我在第一部分中已经用过的那家公司。很久以前，我曾经用激光打印机、化学试剂和烙铁自己制作PCB。虽然也能用，而且过程很有趣，但很脏乱，也不太可靠。现在，我们只需在线上传文件，几天后就能收到专业制造的PCB！

最简单的方法是上传包含Gerber文件的压缩包，所有参数都会自动计算：

我住在荷兰，写这篇文章时，运费是7.53美元。您的运费可能会有所不同，而且根据您所在的国家/地区，您可能还需要支付邮资税。

您可以选择调整许多设置，但我都保留了默认设置：

实际生产需要24小时。显然，我也得等邮递，过了一段时间，电路板终于到了：

细心的读者可以看到，PCB 版本是 0.1，而上面的截图显示的是 0.2 版本。这是我的疏忽，我忘记为按键指定导电掩膜（您可以在下面的视频中看到我是如何修复的）。不过电路板的质量很好，PCBWay 也按照文件中的说明制作了电路板，所以我没什么可抱怨的。

最后，我在 PCBWay 的页面上看到，该公司将于 2026 年 7 月迎来 12 周年庆，并为新订单提供一些折扣。我已经收到电路板了，对我来说已经太晚了，但如果您在 2026 年 7 月看到这篇文章，或许会有帮助。声明一下，我并没有从他们的销售中获得任何利润，所以请您自行访问 PCBWay 的网站进行核实。

6、结束语

在本文中，我解释了如何使用 MicroPython 对 ESP32 进行编程，并将其用作 MIDI 设备。

至于未来的改进方向，有几种：

• 我可以使用 ESP32 的 GPIO 扩展器，这样就能使用更多琴键，并拥有完整的 2-3 个八度音域。
• 我可以深入研究音频合成的数学原理，为音频生成添加更多功能。例如，不同的波形、ADSR（起音、衰减、延音和释放）包络，或者幅度/频率调制。不过，我感觉公众对这些话题的兴趣不大。

原文链接：Making a ‘Stylophone’ Music Synthesizer with Python and MIDI

汇智网翻译整理，转载请标明出处