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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erfassung und Verarbeitung
von Signalen zur Steuerung eines Gerätes oder eines Verfahrens, umfassend
Mittel zur Datenverarbeitung, Mittel zur Analog-Digital-Umwandlung
von Signalen, die von Sensoren geliefert werden, und zur Anwendung
digitalisierter Signale von den Mitteln zur Datenverarbeitung, wobei
Letztere entsprechend den digitalisierten Signalen Steuersignale
erzeugen, die gemäß einem festgelegten
Kommunikationsprotokoll erstellt wurden und im Voraus festgelegte
Konfigurationen aufweisen, und Mittel zur Übertragung dieser Steuersignale
für ihre
Anwendung in mindestens einem genannten Gerät oder Verfahren.
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Man
kennt bereits die Verwendung von analogen Signalen, die von Sensoren,
z.B. von Druck- oder Kraftsensoren, geliefert werden, zur Steuerung beliebiger
Geräte
oder Verfahren, wobei die von den Sensoren erzeugten Signale digitalisiert
und gemäß einem
im Voraus festgelegten Kommunikationsprotokoll in Steuersignale
umgewandelt werden, um an das zu steuernde Gerät oder an das zu steuernde Verfahren übertragen
zu werden.
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Inbesondere
lassen sich elektronische Musikinstrumente und -geräte mit Hilfe
des MIDI-Protokolls (Musical Instrument Digital Interface) steuern, das
von der MMA (MIDI Manufacturers Association) veröffentlicht und aktualisiert
wird (siehe z.B. die Internetseite „Exploring Midi" der School of Music
der Northwestern University). Dieses Protokoll gestattet den Austausch
von Informationen zwischen Geräten, z.B.
Synthezisern, und die Steuerung eines elektronischen Geräts, beispielsweise
mit Hilfe einer Tastatur, von Pedalen oder ähnlichen Vorrichtungen, deren Betätigung den
Versand von MIDI-Meldungen an dieses Gerät auslöst, das dann Klänge gemäß den empfangenen
Meldungen erzeugt. Diese Meldungen geben typischerweise den Anfang
und das Ende der Erzeugung eines bestimmten Tons an, seine Lautstärke, seine
Modulation, eine Änderung
eines Controllerwerts, eine Änderung
des Klangprogramms, eine kanalbezogene Druckdynamik und eine Änderung der
Tonhöhe.
Andere MIDI- Meldungen
können
der Übertragung
beliebiger Daten dienen, z.B. des Ergebnisses der Analog-Digital-Umwandlung
eines analogen Eingangssignals.
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Eine
Beispiel für
eine derartige Vorrichtung ist in EP-A-281214 beschrieben.
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Ziel
der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur Erfassung und
Verarbeitung von Signalen, die zur Übertragung von Steuersignalen
oder -meldungen des genannten Typs, z.B. MIDI-Meldungen, bestimmt
ist und die es einem Nutzer gestattet, die Konfiguration dieser
Steuersignale oder -meldungen zu modifizieren und somit den Betrieb
des von dieser Vorrichtung gesteuerten Geräts oder den Ablauf des von
ihr gesteuerten Verfahrens zu verändern.
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Zu
diesem Zweck bietet die Erfindung eine wie in Anspruch 1 dargelegte
Vorrichtung an.
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In
einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung umfassen die Mittel für den Zugriff eine Tastatur
mit einer reduzierten Anzahl von Tasten, die die Auswahl, Modifizierung
und Validierung der Konfigurationsparameter erlauben.
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Ganz
allgemein ermöglicht
die Erfindung es, Steuersignale oder -meldungen dynamisch und in Echtzeit
zu konfigurieren, die von der Vorrichtung entsprechend den von den
Sensoren gelieferten Signalen übertragen
werden, wobei diese Steuersignale oder -meldungen nicht mehr unverändert in
der Zeit sind und es erlauben, das Echtzeitverhalten des gesteuerten
Geräts
oder den Ablauf des gesteuerten Verfahrens zu ändern. Die dynamische Konfiguration der
Steuersignale kann ferngesteuert, mittels eines Hostsystems erfolgen,
das mit Kommunikationsmitteln ausgestattet ist, die mit denen der
Vorrichtung gemäß der Erfindung
kompatibel sind.
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In
einer besonderen Anwendung der Erfindung sind die genannten Steuersignale
gemäß dem MIDI-Protokoll
konfiguriert und sind dafür
bestimmt, in einem oder mehreren Tonerzeugungsgeräten angewendet
zu werden.
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In
einer Variante sind diese Steuersignale dafür bestimmt, in informationsverarbeitenden
Mittel von Graphiksoftware, beispielsweise computergestütztem Zeichnen
oder Entwerfen (CAD), angewendet zu werden,
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Die
folgende Beschreibung ermöglicht
es, die Erfindung besser zu verstehen und weitere ihrer Merkmale,
Einzelaspekte und Vorteile deutlicher zu erkennen; diese Beschreibung
erfolgt beispielhaft unter Bezug auf die beigefügten Abbildungen, in denen:
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1 eine
schematische Darstellung der wichtigsten Bestandteile einer Vorrichtung
gemäß der Erfindung
ist;
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2 schematisch
die Anwendung dieser Vorrichtung auf die Steuerung eines Tonerzeugungsgeräts darstellt,
ausgehend von einem Musikinstrument und von Signalen, die ein Sensor
liefert.
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Die
in 1 dargestellte Vorrichtung umfasst im Wesentlichen
eine Einheit 10 zur Datenverarbeitung, die analoge Eingänge aufweist,
die zum Anschluss an Sensoren Cl, C2, C3, ..., bestimmt sind; einen
Analog-Multiplexer 12 und einen Analog-Digital-Wandler 14,
die diese Eingänge
mit Mitteln zur Verarbeitung verbinden, die einen Mikroprozessor oder
Mikrocontroller umfassen; eine Einheit 16 zur seriellen
Datenübertragung;
einen RAM-Speicher 18 zur Speicherung von Daten; einen
ROM-Speicher 20 zur Speicherung von Programmen sowie einen nicht-flüchtigen
Speicher 22 zur Speicherung der vom Nutzer ausgewählten Konfigurationswerte.
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Die Übertragungseinheit 16 ist über einen Demultiplexer 24 mit
digitalen seriellen Ausgängen 26 verbunden,
von denen es im dargestellten Beispiel vier gibt. Ein serieller
digitaler Eingang 28 ist direkt mit dem Mikroprozessor
der Verarbeitungseinheit 10 verbunden, die eine bestimmte
Anzahl von binären
Eingängen 30 und
binären
Ausgängen 32 umfasst.
Eine Verbindung 34 zwischen der Verarbeitungseinheit 10 und
dem Multiplexer 12 gestattet es, Letzteren über Taktsignale
für das
Zeitmultiplexing der von den Sensoren C1, C2, C3, ... gelieferten
Signale zu steuern.
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Die
Vorrichtung gemäß der Erfindung
umfasst auch eine Benutzerschnittstelle 36 vom Typ Bildschirm 38 – Tastatur 40,
die auf klassische Art und Weise an die Verarbeitungseinheit 10 angeschlossen
ist.
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In
einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist der Bildschirm 38 ein Flüssigkristallbildschirm,
der vier Zeilen zu je 20 Zeichen anzeigt.
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Die
Tastatur 40 umfasst vier Tasten 42, mit denen
sich ein Cursor auf dem Bildschirm 38 bewegen lässt (nach
oben, unten, links, rechts), zwei Tasten 44 zum Modifizieren
der Parameter durch deren Erhöhung
oder Senkung sowie eine Taste 46 zur Validierung.
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Die
analogen Eingänge
der Vorrichtung, die zum Anschluss an die Sensoren C1, C2, C3, ...
bestimmt sind, sind beispielsweise 32 an der Zahl und sind über den
Multiplexer 12 mit dem Analog-Digital-Wandler 14 verbunden,
der in diesem Ausführungsbeispiel
eine Auflösung
von 8 Bit erreicht und mit sukzessiver Approximation arbeitet. Von
den logischen Eingängen 30 gibt
es beispielsweise acht, ebenso wie von den logischen Ausgängen 32.
Der nicht-flüchtige
Speicher 27 gestattet die Speicherung von zwanzig kompletten
Konfigurationen, die jeweils über
einen Namen identifiziert werden können.
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Ganz
allgemein gestattet die Verarbeitungseinheit 10 die Verarbeitung
und Analyse der analogen Signale, die von den Sensoren geliefert,
vom Multiplexer 12 übertragen
und vom Wandler 14 digitalisiert werden, sowie ihre Umwandlung
in Steuersignale oder -meldungen, die gemäß einem im Voraus festgelegten
Kommunikationsprotokoll wie z.B. MIDI konfiguriert werden; dabei
werden diese Steuersignale von der Einheit 16 und dem Demultiplexer 24 an die
digitalen Ausgänge 26 übertragen,
die jeweils mit einem Gerät
zur Nutzung dieser Steuersignale oder -meldungen verbunden werden
können.
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Die
Schnittstelle 36 erlaubt es einem Nutzer, die Konfiguration
dieser Steuersignale zu modifizieren. Die Mittel für den Zugriff
auf die Konfigurationsparameter der Signale umfassen vorteilhafterweise Menüs, die auf
dem Bildschirm 38 angezeigt werden können. Die Tasten des Tastatur 40 gestatten
es dem Nutzer, ein Menü auszuwählen, innerhalb
dieses Menüs
einen Konfigurationsparameter auszuwählen, seinen Wert zu modifizieren
und den modifizierten Wert zu validieren. Die Modifizierung des
Konfigurationsparameters durch den Nutzer wird sofort, in Echtzeit,
auf die von der Vorrichtung erzeugten Steuersignale angewandt. Die
Gruppe der Parameter, die eine Konfiguration von Steuersignalen
definiert, lässt sich
im Speicher 22 speichern, um sie zu einem späteren Zeitpunkt
wieder zu verwenden.
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Ein
Anwendungsbeispiel der Erfindung ist in 2 dargestellt,
in der die Bezugsnummer 50 eine Vorrichtung gemäß der Erfindung,
wie die Vorrichtung aus 1, bezeichnet.
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Ein
analoger Eingang der Vorrichtung 50 ist an einen Sensor
C1 angeschlossen, der an einem Musikinstrument 52 angebracht
ist, z.B. an einer E-Gitarre,
die mit Mikrophonen M ausgestattet ist, die mit einem Eingang eines
Tonerzeugungsgeräts 54 verbunden
sind, wobei dieses Gerät 54 für den Empfang
von Steuersignalen vom Typ „MIDI" konzipiert ist und
zu diesem Zweck einen Eingang aufweist, der mit einen digitalen
seriellen Ausgang 26 der Vorrichtung 50 verbunden
ist. Das Gerät 54 ist
insbesondere für
die Erzeugung von im Voraus festgelegten Klangeffekten unter der
Steuerung durch den Sensor C1 und die Vorrichtung 50 konzipiert;
diese Klangeffekte werden auf die vom Instrument 52 erzeugten
Tönen angewandt
oder ihnen hinzugefügt,
oder sie wandeln diese Töne
auf im Voraus festgelegte Art und Weise um. Zwei Audio-Ausgänge des
Geräts 54 sind
beispielsweise über
ein Mischpult 56 und einen Audio-Verstärker 58 mit Gruppen
von Lautsprechern 60 verbunden.
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In
diesem Anwendungsbeispiel wird der Sensor C1 vom Nutzer betätigt und
kann ein Drucksensor sein, dessen Widerstand entsprechend dem auf
eine empfindliche Oberfläche
des Sensors ausgeübten
Druck variabel ist; dieser Sensor liefert dabei ein analoges, zum
ausgeübten
Druck proportionales Spannungssignal. Dieser Druck kann durch einen Finger
des Gitarristen variiert werden, insbesondere wenn der Sensor C1
sich auf der Decke der Gitarre befindet.
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Das
Ausgangssignal des Sensors C1 wird von der Vorrichtung 50 gemäß der Erfindung
verarbeitet; die Vorrichtung überträgt eine
entsprechende Steuernachricht an das Gerät 54, in dem dieses Steuersignal
dazu verwendet wird, die Ausgangssignale der Mikrophone der Gitarre
gemäß einem
im Voraus festgelegten Algorithmus zu modifizieren, beispielsweise
um einen bestimmten Klangeffekt zu erzeugen. Die Ausgangssignale
des Geräts 54 werden über das
Mischpult 56 und den Verstärker 58 an die Gruppe
der Lautsprecher 60 übertragen,
die diesen bestimmten Klangeffekt wiedergeben.
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Bei
den Sensoren, die in diesem Anwendungsbeispiel mit den analogen
Eingängen
des Geräts 54 verbunden
werden können,
handelt es sich beispielsweise um Drucksensoren, Atemsensoren, Muskelspannungssensoren,
Bewegungssensoren usw. Sie gestatten die Realisierung einer neuen
gestischen Spielhilfe für
die Echtzeitsteuerung von Klangerzeugungsgeräten, die Computeralgorithmen verwenden.
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Die
logischen Eingänge 30 der
Vorrichtung 50 können
mit Steuervorrichtungen, z.B. Pedalen, verbunden werden, die logische
oder binäre
Signale erzeugen (z.B. Spannungen von null bzw. fünf Volt). Werden
die vier logischen Eingänge 30 gemeinsam benutzt,
so gestatten sie die Umwandlung einer mit 8 Bit binär kodierten
Information in MIDI-Signale. Werden die logischen Eingänge 30 getrennt
voneinander genutzt, so gestattet das von einem dieser Eingänge empfangene
Signal das dynamische Einwirken auf einen Konfigurationsparameter
eines MIDI-Signals, das zu einem genannten analogen Eingang gehört.
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Die
Signale, die in der Vorrichtung 50 eintreffen, können auf
dem Bildschirm 38 angezeigt werden. Man kann entweder einen
der vorgesehenen 32 analogen Eingänge anzeigen oder alle analogen
Eingangssignale gleichzeitig beobachten, beispielsweise jedes von
ihnen auf einem kleinen Aussteuerungsanzeiger zu sieben Segmenten,
sodass die Variationen eines jeden Eingangssignals auf einer Skala
in Stufen von eins bis sieben angezeigt werden können.
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Die
logischen Ausgänge 32 der
Vorrichtung 50 liefern Signale vom Typ Ein/Aus für die Steuerung von
Vorrichtungen, die binär
funktionieren, z.B. Lampen oder Leuchtdioden.
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Der
digitale Eingang 28 (1) der Vorrichtung
gemäß der Erfindung
gestattet ihr den Empfang von MIDI-Steuersignalen oder -meldungen
von einem externen Gerät,
wobei diese Signale dazu bestimmt sind, bestimmte Konfigurationsparameter
zu verändern
und die digitalen Ausgänge
zu steuern.
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Die
Benutzerschnittstelle der Vorrichtung 50 gestattet die
Modifizierung der Konfigurationsparamter einer bestimmten Anzahl
von MIDI-Meldungen, beispielsweise: Note an, Note an plus polyphone Druckdynamik,
Note an mit Auslösungsschwelle, Änderung
eines Controller-Werts, Änderung
eines Controller-Werts mit Auslösungsschwelle, Änderung
des Programms mit Auslösungsschwelle, Änderung
der Tonhöhe,
polyphone Druckdynamik, kanalbezogene Druckdynamik, exklusive Meldungen
sieben Bit und exklusive Meldungen 8 Bit. Im Falle einer Meldung „Note an" entspricht das verarbeitete
analoge Signal einer Hüllkurve,
die sich im Laufe der Zeit entwickelt und einen Höchstwert
aufweist. Die Verarbeitungseinheit 10 analysiert diese
Hüllkurve
und macht ihren Höchstwert
ausfindig. Wenn dieser erreicht ist, wird eine MIDI-Meldung vom Typ „Note an" erzeugt. Die zu
der Note gehörende
Anschlaggeschwindigkeit entspricht dem Höchstwert der Hüllkurve.
Die in der Meldung enthaltene Notennummer (die die Note definiert)
kann vom Nutzer über
die genannte Schnittstelle 36 eingestellt werden.
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Die
erzeugte Note wird gehalten, solange die Hüllkurve des analogen Signals
oberhalb einer im Voraus festgelegten Schwelle bleibt. Wenn dieses
Signal die Schwelle unterschreitet, wird eine MIDI-Meldung vom Typ „Note aus" gesendet, um die
Erzeugung der Note zu beenden. Die Schwelle für „Note aus" wird ausgehend vom Höchstwert
der Hüllkurve des
analogen Signals berechnet und kann vom Nutzer über die Schnittstelle 36 eingestellt
werden.
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Die
vorstehenden Erklärungen
gelten vom Prinzip her auch für
die Konfiguration anderer MIDI-Meldungen, die von der Vorrichtung
gemäß der Erfindung
erzeugt werden.
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Die
Menüs,
die im Speicher der Vorrichtung gemäß der Erfindung vorgespeichert
sind, umfassen beispielsweise neben einem Startmenü mit Lade-, Speicher-
und Auswahlfeldern, Konfigurationsmenüs für die analogen Eingänge und
die logischen Eingänge
der Vorrichtung.
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Ein
erstes Konfigurationsmenü für die analogen
Eingänge
gestattet die Auswahl der Nummer oder des Namens einer vorgespeicherten
Gruppe von Werten der Parameter aller analogen Eingänge und
aller logischen Eingänge
der Vorrichtung und umfasst ein Auswahlfeld für den analogen Eingang, dessen
Konfiguration man modifizieren möchte,
sowie Konfigurationsfelder für
die Parameter eines Steuersignals, das mit Hilfe des auf diesem
analogen Eingang anfliegenden Signals erstellt wurde. Beispielsweise
gestattet ein erstes Feld zu entscheiden, ob das auf dem analogen
Eingang vorhandene Signal in ein Steuersignal umgewandelt werden
soll oder nicht. Ein anderes Feld gestattet es auszuwählen, wie
die Veränderungen
des auf dem analogen Eingang anliegenden Signals für die Erstellung
des Steuersignals interpretiert werden sollen, wobei dieses Steuersignal
in derselben oder in der entgegengesetzt en Richtung wie das Signal
auf dem analogen Eingang variieren kann.
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Ein
weiteres Feld erlaubt es, den Typ des Steuersignals zu bestimmen,
das die Vorrichtung als Antwort auf die Veränderungen des analogen Signals,
das auf dem gewählten
Eingang vorhanden ist, erzeugen wird. Bei Meldungen vom Typ MIDI
ist die Vorrichtung in der Lage, elf verschiedene Meldungen zu erzeugen,
die auf MIDI-Kanalmeldungen und auf systemexklusiven MIDI-Meldungen
basieren. Bei den sieben Kanalmeldungen handelt sich beispielsweise
um: angeschlagene Note, losgelassene Note, polyphone Druckdynamik, Änderung
eines Controllerwerts, Änderung
des Programms, kanalbezogene Druckdynamik und Änderung der Tonhöhe. Die
systemexklusiven Meldungen gestatten die Übertragung des Ergebnisses
der Analog-Digital-Umwandlung des Signals, auf sieben oder 8 Bit.
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Andere
Felder erlauben es, die Werte eines Parameters des Steuersignal
zu regeln, z.B. den Wert des festen Parameters eine MIDI-Meldung,
die zu einem analogen Eingang gehört, wobei dieser Parameterwert
einer MIDI-Notennummer, einer MIDI-Controllernummer oder einer MIDI-Programmnummer
entsprechen kann, gemäß dem ausgewählten Typ
der MIDI-Meldung. Ein weiteres Feld gestattet die Auswahl des MIDI-Kanals,
an den die MIDI-Meldung sich richtet.
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Ein
zweites Konfigurationsmenü für die analogen
Eingänge
umfasst ein Feld, das es gestattet, die Nummer eines logischen Eingangs
auszuwählen, der
einen Parameter des Steuersignals steuert, z.B. den festen Parameter
der MIDI-Meldung.
Ein weiteres Feld dieses zweiten Menüs gestattet die Regelung des
alternativen Werts des Parameters des Steuersignals, z.B. des festen
Parameters einer MIDI-Meldung. Mehrere analoge Eingänge können von ein
und demselben logischen Eingang gesteuert werden, wobei das logische
Steuersignal es gestattet, die auf diesen analogen Eingängen vorhandene Gruppe
von Signalen zu transponieren oder zu rekonfigurieren.
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Ein
weiteres Feld des zweiten Menüs
gestattet die Konfiguration von Parameterwerten, z.B. eine Notengeschwindigkeit
oder einen Controllerwert einer Meldung, mit Auslösungsschwelle.
Ein zusätzliches
Feld gestattet die Konfiguration der Auslösungsschwellen dieser Meldungen.
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Ein
drittes Konfigurationsmenü für die analogen
Eingänge
erlaubt die Auswahl eines Koeffizienten für die Normierung des Werts,
der aus der Analog-Digital-Umwandlung
des auf dem gewählten
analogen Eingang vorhandenen Signals resultiert, wobei dieser digitale
Wert auch so wie er ist, d.h. unverändert, genutzt werden kann,
falls dies gewünscht
wird. Ein weiteres Feld gestattet die Auswahl eines positiven oder
negativen Werts, der dem Wert, der aus der Analog-Digital-Umwandlung
resultiert, hinzugefügt wird.
Ein weiteres Feld dieses dritten Menüs gestattet es, den verschiedenen
aktiven analogen Eingängen mittels
eines Zeitraumes der Auffrischung eine Priorität zuzuordnen; dieser Zeitraum
der Auffrischung entspricht der Anzahl der Zyklen, während derer
ein Eingang nicht beobachtet wird, wobei ein Zyklus der Erfassung
sämtlicher
aktiven Eingänge
entspricht. Diese Konfiguration ist besonders vorteilhaft, wenn
ein analoger Eingang ein langsames Signal empfängt oder ein Signal, von dem
man nicht möchte,
dass es mit hoher Geschwindigkeit erfasst wird.
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Ein
weiteres Menü gestattet
die Konfiguration der logischen Eingänge und umfasst eine Auswahlfeld
für die
logischen Eingänge,
die man erfassen wird. Ein weiteres Feld gestattet die Bestimmung des
Steuersignals, das mit den logischen Eingängen verknüpft wird, wenn diese gemeinsam
genutzt werden, oder aber mit den Veränderungen der erfassten logischen
Eingänge.
Ein weiteres Feld dieses Menüs erlaubt
die Regelung der Werte der Parameter der verknüpften Steuersignale.
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Die
Erfindung lässt
sich auch auf zahlreiche weitere Bereiche anwenden, beispielsweise
auf den Graphikbereich für
die Verwaltung von Farben, Helligkeiten, Positionen usw. auf einem
Anzeigebildschirm; in diesem Fall erhält der Nutzer durch geeignete
Sensoren, z.B. Sensoren, die Druck oder eine Bewegungsgeschwindigkeit
erfassen, die Möglichkeit,
die Eigenschaften des Bildes, das auf dem Anzeigebildschirm erscheint,
zu verändern.