Contrôle électronique d'un orgue de barbarie P. Pénard – Sarlat - 2014

Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard Plan Généralités Le standard Midi Principe d'une chaine de commande Les relais Exemple Démo 05/04/2014 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard Généralités 05/04/2014 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

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 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard Le principe Stockage / commande / action Mémoire non volatile Principalement des relais et dérivés Programme enregistré Circuit électronique spécifique 05/04/2014 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard Le principe (1) Stockage / commande / action 05/04/2014 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard Le principe (2) Stockage -> commande -> action 05/04/2014 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard Le principe (3) Stockage -> commande -> action 05/04/2014 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Retour 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 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Application à l'orgue (1) Tirage électro-pneumatique Valve type "Hope Jones" (1886) 05/04/2014 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Application à l'orgue (2) Tirage direct Peterson Kimber-Allen Relais dans le sommier Registre électronique 05/04/2014 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Application à l'orgue (3) Exemple de sommier à tirage direct avec valves Peterson 05/04/2014 Retour 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 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Retour 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 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard Le standard midi 05/04/2014 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard 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 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Retour 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 Retour 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/récepteur 05/04/2014 Retour 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/récepteur 05/04/2014 Retour 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/récepteur 05/04/2014 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Retour 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 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Retour 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 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard Midifile (exemple) Vision Cubasis Contenu du midifile : 80 octets 05/04/2014 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Retour 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 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard Midifile (exemple) Le(s) bloc(s) Piste "Mtrk" = Début de piste 05/04/2014 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Retour 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 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Retour 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 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Retour 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/noire 1 tick = 0.5/120 = 0.004167 s 05/04/2014 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Retour 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 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Retour 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 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Retour 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 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Retour 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 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Retour 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 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Retour 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 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Retour 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 Fin de lecture des 68 octets 05/04/2014 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard 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 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Retour 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 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Retour 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 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Décodage des messages midi 05/04/2014 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

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 Note à jouer Registre Transfert Latch C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 05/04/2014 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Décodage par registre à décalage Le registre est le reflet des sorties Réception d'une note à commander Note 5 ON Registre Transfert Latch C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 05/04/2014 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Décodage par registre à décalage Le registre est le reflet des sorties On charge la valeur à décaler (un "1" logique) Note 5 ON Registre Transfert Latch C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 05/04/2014 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Décodage par registre à décalage Le registre est le reflet des sorties Décalage 1 fois Note 5 ON Registre Transfert Latch C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 05/04/2014 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Décodage par registre à décalage Le registre est le reflet des sorties Décalage Note 5 ON Registre Transfert Latch C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 05/04/2014 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Décodage par registre à décalage Le registre est le reflet des sorties Décalage Note 5 ON Registre Transfert Latch C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 05/04/2014 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Décodage par registre à décalage Le registre est le reflet des sorties Dernier décalage Note 5 ON Registre Transfert Latch C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 05/04/2014 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Décodage par registre à décalage Le registre est le reflet des sorties Transfert vers les sorties Note 5 ON Registre Transfert Latch C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 05/04/2014 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Décodage par registre à décalage Le registre est le reflet des sorties Et verrouillage Note à jouer Registre Transfert Latch C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 05/04/2014 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Décodage par registre à décalage Le registre est le reflet des sorties Réception d'une nouvelle note à commander Note 3 ON Registre Transfert Latch C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 05/04/2014 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Décodage par registre à décalage Le registre est le reflet des sorties On charge la valeur Note 3 ON Registre Transfert Latch C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 05/04/2014 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Décodage par registre à décalage Le registre est le reflet des sorties On décale Note 3 ON Registre Transfert Latch C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 05/04/2014 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Décodage par registre à décalage Le registre est le reflet des sorties Dernier décalage Note 3 ON Registre Transfert Latch C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 05/04/2014 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Décodage par registre à décalage Le registre est le reflet des sorties Transfert Note 3 ON Registre Transfert Latch C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 05/04/2014 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Décodage par registre à décalage Le registre est le reflet des sorties Verrouillage Note à jouer Registre Transfert Latch C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 05/04/2014 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Décodage par registre à décalage Le registre est le reflet des sorties Et ainsi de suite… Et pour arrêter une note on décale un "0", tout simplement ! Note à jouer Registre Transfert Latch C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 05/04/2014 Retour 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 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 05/04/2014 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard Les électro-aimants 05/04/2014 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Commande des électro-aimants(1) Réseaux d'amplificateurs (ULN2x0x) = 8 x 05/04/2014 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Commande des électro-aimants(2) Les limites de l'ULN2803A Selon 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 = 0.26W Donc : 8 sorties (2 W) possibles simultanément ! 05/04/2014 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Résumé décodage et commande Exemple de schéma électrique : + 12 V Note 1 Données musique Cde 1 Note 2 Cde 2 Carte(s) de commande Cde n Note n 05/04/2014 Retour 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 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Les électro-aimants (2) Le problème à résoudre : Un relais : ça se calcule. (NI)²mu0S 2d² Contre-noyau Bobine (solénoïde) Noyau Force du relais Force du ressort Pression de l'air F = 05/04/2014 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

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

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) 20 gf 2 mm 05/04/2014 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

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

Exemples de réalisations amateurs GPTO (http://gpto6.blog4ever.org/bobinage-relais) PP (http://orgue-de-barbarie.pagesperso-orange.fr/carton_elec.htm) Et bien d'autres… 50 Ohms 8 mm x 22 mm 0.15 N (15.3 gF) @ 2.5 mm 05/04/2014 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

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

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

Exemples de systèmes complets de commande électronique 05/04/2014 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

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 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Retour 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 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Retour 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 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Retour 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 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

PPCaP (3) Un "shield" sur une carte arduino Un soft sur PC 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 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard Merci ! Questions ? Démo 05/04/2014 Retour 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