EP0126962A2 - Elektronisches Tastenmusikinstrument und Verfahren zu dessen Betrieb - Google Patents

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EP0126962A2
EP0126962A2 EP84104525A EP84104525A EP0126962A2 EP 0126962 A2 EP0126962 A2 EP 0126962A2 EP 84104525 A EP84104525 A EP 84104525A EP 84104525 A EP84104525 A EP 84104525A EP 0126962 A2 EP0126962 A2 EP 0126962A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
subsystem
main system
bus
voice
memory
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP84104525A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0126962A3 (de
Inventor
Reinhard Franz
Wilfried Dipl.-Ing. Dittmar
Christian Dipl.-Phys. Scheidegger
Roland Dipl.-Math. Fröhlich
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
FRANZ, REINHARD
Original Assignee
Wersi Electronic GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wersi Electronic GmbH and Co KG filed Critical Wersi Electronic GmbH and Co KG
Publication of EP0126962A2 publication Critical patent/EP0126962A2/de
Publication of EP0126962A3 publication Critical patent/EP0126962A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10H—ELECTROPHONIC MUSICAL INSTRUMENTS; INSTRUMENTS IN WHICH THE TONES ARE GENERATED BY ELECTROMECHANICAL MEANS OR ELECTRONIC GENERATORS, OR IN WHICH THE TONES ARE SYNTHESISED FROM A DATA STORE
    • G10H7/00—Instruments in which the tones are synthesised from a data store, e.g. computer organs
    • G10H7/002—Instruments in which the tones are synthesised from a data store, e.g. computer organs using a common processing for different operations or calculations, and a set of microinstructions (programme) to control the sequence thereof
    • G10H7/004—Instruments in which the tones are synthesised from a data store, e.g. computer organs using a common processing for different operations or calculations, and a set of microinstructions (programme) to control the sequence thereof with one or more auxiliary processor in addition to the main processing unit

Definitions

  • the invention relates to an electronic keyboard musical instrument with input elements, such as sound release buttons and digital and / or analog control elements, with a main system which has a main system bus having data, address and control lines and a main system computer having memory and microprocessor, and with at least one voice module, which is connected to the main system computer via the main system bus and forms sound signals from parameters supplied by it as a function of the actuated input elements, and to a method for operating such an electronic keyboard musical instrument.
  • input elements such as sound release buttons and digital and / or analog control elements
  • main system which has a main system bus having data, address and control lines and a main system computer having memory and microprocessor, and with at least one voice module, which is connected to the main system computer via the main system bus and forms sound signals from parameters supplied by it as a function of the actuated input elements, and to a method for operating such an electronic keyboard musical instrument.
  • each voice module generates the sound signal of a voice by piecing this signal point by point from stored digital values.
  • These digital values are stored in the main system data memory as a table or based on a calculation by the main system computer. Any changes to the input data ten almost immediately lead to a change in the memory content and thus a change in the sound signal.
  • the data memory becomes very large and the working speed of the microprocessor is no longer sufficient to generate all voices acoustically perfectly.
  • the invention has for its object to provide an electronic keyboard musical instrument of the type described in the introduction, which works perfectly even when there are several voices or audio signals, but nevertheless reacts immediately to changes in the input data.
  • the voice module has a subsystem with a subsystem bus, which also has data, address and control lines, and a subsystem computer with a memory and microprocessor, and that a bus switch for data exchange between the main and subsystem is provided, which connects the subsystem memory alternately with the main system bus and the subsystem bus.
  • the main system computer is effectively relieved.
  • the main system computer only needs to calculate new parameters for the relevant voice when the input data changes and to transfer them to the subsystem memory via the bus switch.
  • the capacity of the main system computer is then available for other tasks. For example, it can poll I / O modules cyclically.
  • the additional work for the subsystem computer is low, since there are no high demands placed on either the microprocessor or the memory.
  • the bus switch that connects the subsystem memory alternately with the main system bus and the subsystem bus makes it practical Continuous data exchange between the main and subsystem, so that every change in the input data processed in the main system is transferred to the subsystem using the "real time method".
  • bus switch is designed for bidirectional data exchange.
  • the main system can therefore receive feedback signals from the voice module, which is useful for some modes of operation.
  • the bus switch and the subsystem memory can be operated at twice the clock frequency of the main system microprocessor. Both the main system bus and the subsystem bus are therefore connected to the subsystem memory in every cycle of the main system microprocessor. This means that data can be exchanged in every cycle of the main system microprocessor. This does not pose any technical difficulties either, because there are commercially available switches and memories that have a much higher working speed than a microprocessor.
  • subsystem memory consists exclusively of RAM memory areas. Not only parameters for the sound signals are then transferred from the main system to the subsystem, but also the respective control program. This increases the flexibility of the instrument.
  • the voice module has outputs for several voices dependent on the same subsystem computer. This further reduces the effort because a subsystem computer is not required for every voice.
  • a method for operating such an electronic keyboard musical instrument is characterized according to the invention in that the main system microprocessor and subsystem microprocessor are operated at the same clock frequency, but offset by half a cycle time, and in that the bus switch operates the subsystem memory during the second half of the cycle time of the main system microprocessor to the main system bus and to the subsystem bus during the second half of the cycle time of the subsystem microprocessor.
  • the time-delayed mode of operation of the two microprocessors gives the possibility that the subsystem can process data of the main system with a delay of only half a cycle time.
  • an operating mode is recommended in such a way that for each voice a sub-signal, the size of which corresponds to the instantaneous meaning of the voice in the overall sound, is written into the sub-system memory for each voice and if necessary, the main system computer compares all voucher signals and the voice with the smallest voucher signal stops. If the player requests a new voice, but all voice modules are still occupied, the voice that has the least importance in the overall sound and is therefore the least noticeable is stopped. The new voice can then take the place of the stopped voice.
  • the occupancy signal is derived from the volume of the tone signal of the voice.
  • parameters that change the voice can be updated from the main system computer via the bus switch into the subsystem memory while the subsystem is voting. Volume, frequency and other information can therefore be updated by the operator during the sound output.
  • the aforementioned modules are connected via a peripheral bus PB to a main system 3, which has a computer MC which contains a microprocessor CPU, a program memory ROM and a data memory RAM.
  • a main system computer which contains a microprocessor CPU, a program memory ROM and a data memory RAM.
  • the main system computer With the help of the main system computer, the States of the input elements consisting of the sound trigger buttons, the digital and the analog control elements are queried cyclically and recorded in the data memory RAM.
  • the main system computer MC also controls the display elements.
  • connection device C is connected to the audio bus AB, which enables the connection of sound carriers, e.g. cassettes.
  • Fig. 2 shows the structure of a voice module V1, which can generate four voices simultaneously, each voice being formed from two tone curves and two envelopes. Accordingly, the voice module V1 has eight output registers AR.
  • a subsystem 6 with a subsystem computer UMC which has a subsystem memory URAM and a subsystem microprocessor UCPU, is used for voice generation.
  • a bus switch BS can alternately connect the memory bus SB leading to the subsystem memory URAM with the main system bus HB and a subsystem bus UB.
  • the clock speed of the bus switch BS is twice as high as that of the main system computer MC and subsystem computer UMC. In this way, both the subsystem 6 can take over data from the main system 3 and the main system can take over data from the subsystem.
  • the main system loads the program for the subsystem as well as parameters for the four voices into the subsystem memory URAM.
  • the subsystem bus UB connects the subsystem computer UCPU, a multiple timer T, a memory access control circuit DMAC, a 12-bit digital-to-analog converter DAC1, an 8-channel multiplexer MUX1 with eight envelope register registers SH in the form of samples - And holding elements, a double-buffered 8-channel 8-bit digital-to-analog converter DAC2 and an arrangement of voice output switches designed as a crosspoint matrix CPM.
  • the subsystem microprocessor UCPU is used for initialization, the calculation of the envelopes and the programming of the multiple timer T, the memory access control circuit DMAC and the crosspoint matrix CPM.
  • the multiple timer T determines the frequency of the four voices and the repetition frequency of the envelope calculation. He therefore gives four independent of each other Time signals TO, namely a sequence of time signals with the multiple frequency of the voices for each voice.
  • the memory access control circuit DMAC causes the tone curve digital values for the four voices to be read out repeatedly from the subsystem memory URAM.
  • the digital-to-analog converter DAC1 carries out the digital-to-analog conversion of the envelopes of the four voices, the individual values of which are then transferred to the envelope register register SH via a line HK and the multiplexer MUX1. Eight different envelope voltages are therefore applied to the DAC2 digital-to-analog converter via the HKB envelope bus.
  • this converter receives individual values from a table stored in the URAM data memory in order to generate eight tone curves. These values are transferred in eight channels via an intermediate memory ZS to digital output registers AR, multiplied by the respective envelope voltage and then passed as analog audio signals to the corresponding line of the 8-channel audio signal bus TSB. By means of the crosspoint matrix CPM, the audio signals are switched to one or more lines of the audio bus AB or switched off from these lines.
  • the main system writes parameters (e.g. about 170 bytes) to the subsystem via the BS bus switch Memory URAM and then issues a start command to this memory.
  • the subsystem microprocessor UCPU can read this start command after the next switchover of the bus switch and then generates the corresponding voice by setting the timer T, activating the memory access control circuit DMAC, connecting the crosspoint matrix CPM to the desired audio channel and envelopes calculates and outputs.
  • the timer T outputs time signals TO with a multiple of the desired frequency to the sequence control circuit ALO for the selected voice.
  • This sends a transfer command DREQ to the memory access control circuit DMAC, which retrieves digital values of a tone curve for the selected voice from the subsystem memory URAM.
  • the sequence control circuit ALO is actuated by an acknowledgment signal DACK in order to emit a write signal WR to the buffer store ZS of the associated channel of the digital / analog converter DAC2.
  • a priority circuit in the sequence control circuit ALO ensures that the transmission command DREQ belonging to the second tone curve of the selected voice and the corresponding write command WR are delayed by one working cycle.
  • the digital values belonging to the same time signal are therefore written into the buffer of the corresponding channels of the digital-to-analog converter DAC2 at different times.
  • a digital output register AR is connected downstream of the buffer store ZS, into which the buffer store values are transferred when a store command XFER occurs will wear. This filing command occurs simultaneously with the time signal TO. The data, which is read in with a time offset, is therefore simultaneously converted and output from the output register ZR onto the audio signal bus TSB. The same time shift of the transmission commands DREQ also occurs if the time signals of two voices should occur at the same time.
  • the digital-to-analog converter DAC1 compiles the envelopes for the different sound signals from digital values calculated in the subsystem. Since this takes place in the time-division multiplex method, the analog values output via the one channel HK are distributed to the envelope register register SH using the multiplexer MUX1. The envelope curve voltages thus formed serve as a multiplication factor for the tone curve values supplied from the digital output register AR.
  • variable sounds can also be produced, for example a guitar with a string tone + plucked plectrum or, in the case of a pan flute, a sinus tone + noise or a beat due to opposite amplitude modulation of the components.
  • the subsystem microprocessor UCPU writes a voucher signal for each voice in the subsystem memory URAM, where the main system microprocessor CPU can call it up.
  • the occupancy signal corresponds to the current volume of the voice and therefore gives a measure of its importance of the voice in the overall sound. If the sound is percussive, it will fade out automatically and the subsystem will report this with the voucher signal zero.
  • the main system can search for a voice module that is not fully occupied or, if all voices are currently occupied, search for the one with the lowest voucher signal and issue an abort command for it.
  • the UCPU subsystem microprocessor reads this command and turns off the voice, whereupon the voucher signal goes to zero. Now the main system can start the new voice.
  • the main system computer checks whether this sound signal is still running in the subsystem, that is to say that it is not percussive and has not yet been stopped, or that the percussive sound has not yet fully decayed. If necessary, he writes a release command for this voice in the subsystem memory URAM. The subsystem then goes to the release phase for the envelope calculation, which is shorter or longer depending on the envelope type and reports itself free with the receipt signal zero when the envelope has completely decayed.
  • the main system tracks the sub-system memories URAM at certain addresses to the volume levels, slalom settings and possibly other parameters that may change during the tone duration.
  • the voice output switches arranged as a crosspoint matrix CPM are used to switch the voices to specific post-treatment channels, depending on the type, so that they can be retained in the effect modules E1 - E3, or to suppress interference signals completely away from the audio bus lines when the voice is not busy.
  • the operation of the bus switch, BS is illustrated in Fig. 3.
  • the top line shows the cycles N, N + 1, N + 2 ... of the main system microprocessor CPV, in the second line the cycles i, i + 1, i + 2 ... des offset by half the cycle duration UCPU subsystem microprocessor.
  • the third line shows the switching signal or the switching state of the bus switch BS.
  • the fourth line indicates how long the memory bus SB is connected to the main system bus HB and the subsystem bus UB.
  • the memory bus SB is always connected to the associated bus of the main system or the subsystem in the second half of the respective computer cycle. This means that each microprocessor CPU and UCPU can read and write the URAM subsystem memory as if it were normally connected to the associated bus. Since the URAM subsystem memory works faster than the microprocessors, it is permissible that it is only connected to the respective microprocessor over part of the cycle time.
  • the sequence control circuit ALO acts directly on the subsystem microprocessor UCPU and, when the transfer command DREQ occurs, the background program of this microprocessor is interrupted and a transfer program is started.
  • tone curves and envelopes are not simulated separately, but the digital values for the outgoing tone signal are calculated and put into the 1-channel digital-to-analog converter DAC3.
  • the outputs of the downstream multiplexer MUX2 can therefore be placed directly on the output register AR, which is connected to the crosspoint matrix CPM via the audio signal bus TSB stand.
  • the output register AR is preceded by a buffer store ZS which, when the store command XFER corresponding to a time signal TO occurs, simultaneously outputs the analog values of the sound signals belonging to the same voice into the output register, even if they were previously to have been treated in succession in the digital-to-analog converter DAC3 .
  • FIG. 5 illustrates a voice module that is only intended for one voice.
  • the values of the sound signal which are already composed of the envelope curve and the sound curve, are in turn calculated and combined in the digital-analog converter DAC4 to form a sound signal. This can be applied to one of several audio bus lines using an MUX3 analog multiplexer.

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Abstract

Ein elektronisches Tastenmusikinstrument wird durch einen Hauptsystem-Rechner in Abhängigkeit von Eingabeelementen gesteuert. Ein Stimmenmodul (VI) besitzt ein Untersystem (6) mit einem Untersystem-Bus (UB) und einem Speicher (URAM) und Mikroprozessor (UCPU) aufweisenden Untersystem-Rechner (UMC). Zum Datenaustausch zwischen Haupt- und Untersystem ist ein Bus-Schalter (BS) vorgesehen, der den Untersystem-Speicher (URAM) abwechselnd mit dem Hauptsystem-Bus (HB) und dem Untersystem-Bus (UB) verbindet. Dies erlaubt einen "real time-" Datenaustausch zwischen Hauptsystem und Untersystem.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein elektronisches Tastenmusikinstrument mit Eingabeelementen, wie Tonauslösetasten und digitalen und/oder analogen Bedienelementen, mit einem Hauptsystem, das einen Daten-, Adreß- und Steuerleitungen aufweisenden Hauptsystem-Bus und einen Speicher und Mikroprozessor aufweisenden Hauptsystem-Rechner besitzt, und mit mindestens einem Stimmenmodul, das über den Hauptsystem-Bus mit dem Hauptsystem-Rechner verbunden ist und aus von ihm in Abhängigkeit von den betätigten Eingabeelementen zugeführten Parametern Tonsignale formt, und auf ein Verfahren zum Betrieb eines solchen elektronischen Tastenmusikinstruments.
  • Bei einem bekannten elektronischen Tastenmusikinstrument dieser Art erzeugt jeder Stimmenmodul das Tonsignal einer Stimme, indem dieses Signal punktweise aus gespeicherten Digitalwerten zusammengesetzt wird. Diese Digitalwerte sind im Hauptsystem-Datenspeicher als Tabelle oder aufgrund einer Berechnung durch den Hauptsystem-Rechner abgelegt. Irgendwelche Änderungen der Eingabedaten führen praktisch sofort zu einer Änderung des Speicherinhalts und damit zu einer Änderung des Tonsignals. Wenn aber mehrere Stimmen vorhanden sind, wird der Datenspeicher sehr groß und die Arbeitsgeschwindigkeit des Mikroprozessors reicht nicht mehr aus, um alle Stimmen akustisch einwandfrei zu erzeugen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektronisches Tastenmusikinstrument der eingangs beschriebenen Art anzugeben, das auch beim Vorhandensein von mehreren Stimmen oder Tonsignalen einwandfrei arbeitet, trotzdem aber auf Änderungen der Eingabedaten sofort reagiert.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Stimmenmodul ein Untersystem mit einem ebenfalls Daten-, Adreß- und Steuerleitungen aufweisenden Untersystem-Bus und mit einem Speicher und Mikroprozessor aufweisenden Untersystem-Rechner besitzt und daß zum Datenaustausch zwischen Haupt- und Untersystem ein Bus-Schalter vorgesehen ist, der den Untersystem-Speicher abwechselnd mit dem Hauptsystem-Bus und dem Untersystem-Bus verbindet.
  • Durch die Verwendung des Untersystem-Rechners wird der Hauptsystem-Rechner wirksam entlastet. Der Hauptsystem-Rechner braucht lediglich bei einer Änderung der Eingabedaten neue Parameter für die betreffende Stimme zu berechnen und über den Bus-Schalter in den Untersystem-Speicher zu übertragen. Alsdann steht die Kapazität des Hauptsystem-Rechners für andere Aufgaben zur Verfügung. Er kann beispielsweise Peripherie-Baugruppen zyklisch abfragen. Der Mehraufwand für den Untersystem-Rechner ist gering, da sowohl an den Mikroprozessor als auch an den Speicher keine hohen Anforderungen gestellt werden müssen. Der den Untersystem-Speicher abwechselnd mit dem Hauptsystem- Bus und dem Untersystem-Bus verbindende Bus-Schalter ermöglicht einen praktisch kontinuierlichen Datenaustausch zwischen Haupt- und Untersystem, so daß jede im Hauptsystem verarbeitete Änderung der Eingabedaten im "real time-Verfahren" in das Untersystem übertragen wird.
  • Günstig ist es, wenn der Bus-Schalter für bidirektionalen Datenaustausch ausgelegt ist. Das Hauptsystem kann daher Rückmeldesignale vom Stimmenmodul empfangen, was für manche Betriebsweisen zweckmäßig ist.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind der Bus-Schalter und der Untersystem-Speicher mit der doppelten Taktfrequenz des Hauptsystem-Mikroprozessors betreibbar. Sowohl der Hauptsystem-Bus als auch der Untersystem-Bus stehen daher in jedem Takt des Hauptsystem-Mikroprozessors mit dem Untersystem-Speicher in Verbindung. Das bedeutet, daß in jedem Zyklus des Hauptsystem-Mikropro- zessors ein Datenaustausch erfolgen kann. Dies bereitet auch technisch keine Schwierigkeiten, weil es handels- übliche Schalter und Speicher gibt, die eine wesentlich höhere Arbeitsgeschwindigkeit als ein Mikroprozessor haben.
  • Der weiteren Vereinfachung dient es, wenn der Untersystem-Speicher ausschließlich aus RAM-Speicherbereichen besteht. Es werden dann nicht nur Parameter für die Tonsignale vom Hauptsystem auf das Untersystem übertragen sondern auch das jeweilige Steuerprogramm. Dies erhöht die Flexibilität des Instruments.
  • Mit besonderem Vorteil hat der Stimmenmodul Ausgänge für mehrere von demselben Untersystem-Rechner abhängige Stimmen. Hierdurch wird der Aufwand noch weiter verringert, weil nicht für jede Stimme ein Untersystem-Rechner benötigt wird.
  • Ein Verfahren zum Betrieb eines solchen elektronischen Tastenmusikinstruments ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß Hauptsystem-Mikroprozessor und Untersystem-Mikroprozessor mit gleicher Taktfrequenz, jedoch um eine halbe Zykluszeit versetzt, betrieben werden und daß der Bus-Schalter den Untersystem-Speicher während der zweiten Hälfte der Zykluszeit des Hauptsystem-Mikroprozessors mit dem Hauptsystem-Bus und während der zweiten Hälfte der Zykluszeit des Untersystem-Mikroprozessors mit dem Untersystem-Bus verbindet. Durch die zeitlich versetzte Betriebsweise der beiden Mikroprozessoren erhält man die Möglichkeit, daß das Untersystem Daten des Hauptsystems mit einer Verzögerung von nur einer halben Zykluszeit verarbeiten kann.
  • Aufgrund der Tatsache, daß wegen des bidirektionalen Datenaustauschs auch Rückmeldungen möglich sind, empfiehlt sich eine Betriebsweise derart, daß für jede Stimme vom Untersystem-Rechner ein Belegsignal, dessen Größe der augenblicklichen Bedeutung der Stimme im Gesamtklang entspricht, in den Untersystem-Speicher geschrieben wird und der Hauptsystem-Rechner im Bedarfsfall alle Belegsignale vergleicht und die Stimme mit dem kleinsten Belegsignal stoppt. Wenn der Spieler eine neue Stimme anfordert, aber noch alle Stimmenmodule besetzt sind, wird diejenige Stimme gestoppt, die im Gesamtklang die geringste Bedeutung hat und deren Fortfall daher am wenigsten auffällt. An die Stelle der gestoppten Stimme kann dann die neue Stimme treten.
  • Im einfachsten Fall ist das Belegsignal von der Lautstärke des Tonsignals der Stimme abgeleitet.
  • Günstig ist es ferner, wenn alle Informationen, die zur Erzeugung einer Stimme erforderlich sind, jeweils nach Beginn der Betätigung einer Tonauslösetaste vom Hauptsystem-Rechner über den Bus-Schalter in den Untersystem-Speicher übertragen werden. Auf diese Weise lassen sich die Stimmenausgänge der Untersysteme im Augenblick der Tonauslösung der betreffenden Tonauslösetaste, gleichgültig, ob in Obermanual, Untermanual, Pedal oder i Begleitautomatik, einschließlich der momentanen Registrierung zuordnen, so daß eine optimale Ausnutzung der Stimmen möglich ist. Weiterhin kann nacheinander geschickten Tasten jeweils ein neuer Klang zugeordnet werden.
  • Ferner kann man während der Stimmabgabe durch das Untersystem die Stimme ändernde Parameter vom Hauptsystem-Rechner über den Bus-Schalter in den Untersystem-Speicher nachführen. Während der Tonausgabe können daher auch Lautstärke-, Frequenz- und andere Informationen vom Bediener nachgeführt werden.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand in der Zeichnung dargestellter, bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Tastenmusikinstruments,
    • Fig. 2 das Blockschaltbild eines Stimmenmoduls,
    • Fig. 3 ein Zeitdiagramm der Bus-Schalter-Arbeitsweise
    • Fig. 4 das Blockschaltbild eines weiteren Stimmenmoduls und
    • Fig. 5 das Blockschaltbild eines abgewandelten Stimmenmoduls.
  • In Fig. 1 ist ein elektronisches Musikinstrument in der Form einer Orgel veranschaulicht. Sie weist ein Peripherie-Teil 1 auf, dessen Baugruppen sich im wesentlichen an der Vorderseite der Orgel befinden, und einen Funktions-Teil 2, der im wesentlichen im Innern des Orgelgehäuses angeordnet ist. Der Peripherie-Teil 1 weist in diesem Ausführungsbeispiel die folgenden Baugruppen auf:
    • - Ein Bedien- und Anzeigefeld PAN1, das Bedientasten und zugehörige Anzeigeelemente für den Orgelbetrieb aufweist, z.B. Registerschalter zum Ein- und Ausschalten von Filtergruppen, Effekten, Tonkanälen u.dgl.
    • - Ein Bedien- und Anzeigefeld PAN2, das digitale Eingabeelemente in der Form von Bedientastern und zugehörige Anzeigeelemente aufweist, welche einem eingebauten Rhythmusgerät und Begleitautomaten zugeordnet sind.
    • - Ein Bedienfeld POT, das analoge, stetig veränderbare Bedienelemente, z.B. in der Form von Potentiometern aufweist, beispielsweise Sinus-Zugriegel-Lautstärke-Einsteller, Tonhöhenregler u.dgl.
    • - Ein Obermanual OM mit Tonauslösetasten.
    • - Ein Untermanual UM mit Tonauslösetasten.
    • - Ein Pedal PD mit Tonauslösetasten.
  • Die vorgenannten Baugruppen sind über einen Peripherie-Bus PB mit einem Hauptsystem 3 verbunden, das einen Rechner MC besitzt, welcher einen Mikroprozessor CPU, einen Programmspeicher ROM und einen Datenspeicher RAM enthält. Mit Hilfe des Hauptsystem-Rechners werden die Zustände der aus den Tonauslösetasten, den digitalen und den analogen Bedienelementen bestehenden Eingabeelementen zyklisch abgefragt und im Datenspeicher RAM festgehalten. Der Hauptsystem-Rechner MC steuert auch die Anzeigeelemente.
  • Zum Hauptsystem 3 gehört ein Hauptsystem-Bus HB, der wie der Peripherie-Bus Adreß-, Daten- und Steuerleitungen aufweist. An diesen Hauptsystem-Bus sind die nachstehenden Baugruppen des Funktions-Teils 2 angeschlossen:
    • - Eine Stimmenerzeugungs-Baugruppe 4 mit mehreren Stimmenmodulen V1, V2 und V3, die beim Betätigen einer Tonauslösetaste in Abhängigkeit von den betätigten Bedienelementen unter Steuerung durch den Rechner MC Tonsignale zu erzeugen vermag, die an einen Audio-Bus ausgebbar sind.
    • - Eine Effekterzeugungs-Baugruppe 5 mit mehreren Effektmodulen E1, E2 und E3, welche der Nachbehandlung der von den Stimmenmodulen V1-V3 erzeugten Tonsignale dienen.
    • - Eine Schlagzeug-Baugruppe D, die Schlagzeug-Audio-Signale auf den Audio-Bus AB ausgibt.
    • - Eine Schnittstellen-Baugruppe IF, die eine bidirektionale Verbindung zwischen Hauptsystem-Bus und Audio-Bus ermöglicht.
    • - Eine Verstärker-Baugruppe A, welche mehrere Lautsprecher L1 und L2 sowie einen Kopfhöreranschluß KH versorgt.
  • Ferner ist mit dem Audio-Bus AB eine Anschluß-Vorrichtung C verbunden, die den Anschluß von Tonträgern, z.B. von Kassetten, ermöglicht.
  • Fig. 2 zeigt den Aufbau eines Stimmenmoduls V1, der gleichzeitig vier Stimmen zu erzeugen vermag, wobei jede Stimme aus zwei Tonkurven und zwei Hüllkurven gebildet wird. Demzufolge hat der Stimmenmodul V1 acht Ausgangsregister AR. Zur Stimmenerzeugung dient ein Untersystem 6 mit einem Untersystem-Rechner UMC, der einen Untersystem-Speicher URAM und einen Untersystem-Mikroprozessor UCPU aufweist. Ein Bus-Schalter BS vermag den zu dem Untersystem-Speicher URAM führenden Speicher-Bus SB abwechselnd mit dem Hauptsystem-Bus HB und einem Untersystem-Bus UB zu verbinden. Zu diesem Zweck ist die Taktgeschwindigkeit des Bus-Schalters BS doppelt so groß wie diejenige vom Hauptsystem-Rechner MC und Untersystem-Rechner UMC. Auf diese Weise kann sowohl das Untersystem 6 Daten aus dem Hauptsystem 3 als auch das Hauptsystem Daten aus dem Untersystem übernehmen. In den Untersystem-Speicher URAM werden vom Hauptsystem sowohl das Programm für das Untersystem als auch Parameter für die vier Stimmen geladen.
  • Der Untersystem-Bus UB verbindet den Untersystem-Rechner UCPU, einen Mehrfach-Zeitgeber T, eine Speicherzugriffssteuerschaltung DMAC, einen 12-bit-Digital-Analog-Wandler DAC1, einen 8-Kanal-Multiplexer MUX1 mit acht Hüllkurvenregistern SH in der Form von Abtast- und Haltegliedern, einen doppelt gepufferten 8-Kanal-8-bit-Digital-Analog-Wandler DAC2 und eine als Kreuzpunkt-Matrix CPM ausgelegte Anordnung von Stimmenausgangsschaltern miteinander. Außerdem gibt es eine Ablaufsteuerschaltung ALO. Der Untersystem-Mikroprozessor UCPU dient der Initialisierung, der Berechnung der Hüllkurven sowie der Programmierung des Mehrfach-Zeitgebers T, der Speicherzugriffssteuerschaltung DMAC und der Kreuzpunkt-Matrix CPM. Der Mehrfach-Zeitgeber T bestimmt die Frequenz der vier Stimmen und die Wiederholfrequenz der Hüllkurvenberechnung. Er gibt daher vier voneinander unabhängige Zeitsignale TO, nämlich für jede Stimme eine Folge von Zeitsignalen mit der vielfachen Frequenz der Stimmen, ab. Die Speicherzugriffssteuerschaltung DMAC bewirkt ein wiederholtes Auslesen der Tonkurven-Digitalwerte für die vier Stimmen aus dem Untersystem-Speicher URAM. Im Digital-Analog-Wandler DAC1 erfolgt die Digital-Analog-Wandlung der Hüllkurven der vier Stimmen, deren Einzelwerte anschließend über eine Leitung HK und den Multiplexer MUX1 auf die Hüllkurven-Register SH gegeben werden. Über den Hüllkurven-Bus HKB werden daher acht verschiedene Hüllkurvenspannungen an den Digital-Analog-Wandler DAC2 gelegt. Dieser Wandler empfängt mit Hilfe der Speicherzugriffsschaltung DMAC einzelne Werte aus einer im Datenspeicher URAM abgelegten Tabelle zur Erzeugung von acht Tonkurven. Diese Werte werden in acht Kanälen über einen Zwischenspeicher ZS in digitale Ausgangsregister AR übertragen, mit der jeweiligen Hüllkurvenspannung multipliziert und dann als analoge Tonsignale auf die entsprechende Leitung des 8-Kanal-Tonsignal-Bus TSB geleitet. Mittels der Kreuzpunkt-Matrix CPM werden die Tonsignale auf eine oder mehrere Leitungen des Audio-Bus AB geschaltet oder von diesen Leitungen abgeschaltet.
  • Hiermit ergibt sich im Betrieb der folgende Ablauf:
    • Beim Initialisieren (Einschalten) wird mittels des Hauptsystem-Bus HB das Programm für die Untersystem-Mikroprozessor UCPU über den Bus-Schalter BS in die Untersystem-Speicher URAM geladen. Dieses Programm ist leicht änderbar, da es jeweils vom Hauptsystem bestimmt wird. Durch Wegschalten eines Resetsignals wird der Untersystem-Mikroprozessor UCPU gestartet und initialisiert die Baugruppen des Untersystems, wie Zeitgeber T, Kreuzpunkt-Matrix CPM, Speicherzugriffssteuerschaltung DMAC usw.
  • Sobald ein beliebiger Ton erklingen soll, gleichgültig ob er durch eine Tonauslösetaste des Obermanuals OM, des Untermanuals UM oder des Pedals PD oder von einer Begleitautomatik ausgelöst ist, schreibt das Hauptsystem über den Bus-Schalter BS Parameter (beispielsweise etwa 170 Bytes) in den Untersystem-Speicher URAM und gibt dann ein Startkommando in diesen Speicher. Der Untersystem-Mikroprozessor UCPU kann dieses Startkommando nach dem nächsten Umschalten des Bus-Schalters lesen und erzeugt darauf die entsprechende Stimme, indem er den Zeitgeber T setzt, die Speicherzugriffssteuerschaltung DMAC aktiviert, die Kreuzpunkt-Matrix CPM auf den gewünschten Audio-Kanal durchschaltet sowie Hüllkurven berechnet und ausgibt.
  • Der Zeitgeber T gibt für die gewählte Stimme Zeitsignale TO mit einem Vielfachen der gewünschten Frequenz an die Ablaufsteuerschaltung ALO ab. Diese gibt einen Übertragungsbefehl DREQ an die Speicherzugriffssteuerschaltung DMAC, die für die gewählte Stimme Digitalwerte einer Tonkurve aus dem Untersystem-Speicher URAM abruft. Sobald dies erfolgt, wird durch ein Bestätigungssignal DACK die Ablaufsteuerschaltung ALO angesteuert, um ein Schreibsignal WR an den Zwischenspeicher ZS des zugehörigen Kanals des Digital-Analog-Wandlers DAC2 abzugeben. Eine Vorrangschaltung in der Ablaufsteuerschaltung ALO sorgt dafür, daß der zur zweiten Tonkurve der gewählten Stimme gehörende Übertragungsbefehl DREQ und der entsprechende Schreibbefehl WR um einen Arbeitszyklus verzögert wird. Die zum gleichen Zeitsignal gehörenden Digitalwerte werden daher zeitlich versetzt in den Zwischenspeicher der entsprechenden Kanäle des Digital-Analog-Wandlers DAC2 eingeschrieben.
  • Dem Zwischenspeicher ZS ist ein digitales Ausgangsregister AR nachgeschaltet, in welches die Zwischenspeicherwerte beim Auftreten eines Ablagebefehls XFER übertragen werden. Dieser Ablagebefehl tritt zeitgleich mit dem Zeitsignal TO auf. Die zeitlich versetzt eingelesenen Daten werden daher zeitgleich vom Ausgangsregister ZR her auf den Tonsignal-Bus TSB analog umgesetzt und abgegeben. Die gleiche zeitliche Versetzung der Übertragungsbefehle DREQ erfolgt auch, wenn die Zeitsignale zweier Stimmen gleichzeitig auftreten sollten.
  • Der Digital-Analog-Wandler DAC1 setzt die Hüllkurven für die verschiedenen Tonsignale aus im Untersystem berechneten Digitalwerten zusammen. Da dies im Zeitmultiplex-Verfahren erfolgt, werden die über den einen Kanal HK abgegebenen Analogwerte mit dem Multiplexer MUX1 auf die Hüllkurvenregister SH verteilt. Die so gebildeten Hüllkurvenspannungen dienen als Multiplikationsfaktor für die vom digitalen Ausgangsregister AR her zugeführten Tonkurvenwerte.
  • Da für jede Stimme zwei Hüllkurven und zwei Tonkurven zur Verfügung stehen, kann man aus den jeweils zwei Tonsignal-Komponenten äußerst komplizierte Klänge erzeugen. Beispielsweise kann gleichzeitig Sinus + Perkussion oder Piano + Streicher erzeugt werden. Es können aber auch veränderliche Klänge hervorgerufen werden, beispielsweise eine Gitarre mit Saitenton + angezupftem Plektrum oder bei einer Panflöte Sinuston + Rauschen oder eine Schwebung durch gegenläufige Amplitutenmodulation der Komponenten.
  • Wenn sämtliche Stimmen aller Stimmenmodule belegt sind, aber eine neue Stimme erklingen soll, muß eine der bisher laufenden Stimmen gestoppt werden. Zu diesem Zweck schreibt der Untersystem-Mikroprozessor UCPU für jede Stimme ein Belegsignal in den Untersystem-Speicher URAM, wo ihn der Hauptsystem-Mikroprozessor CPU abrufen kann. Das Belegsignal entspricht der momentanen Lautstärke der Stimme und gibt daher ein Maß für die Bedeutung der Stimme im Gesamtklang. Falls der Ton perkussiv ist, klingt er von selber aus und das Untersystem meldet dies mit dem Belegsignal Null. Durch Abfragen der Belegsignale aller Untersysteme kann das Hauptsystem, wenn eine neue Stimme ausgegeben werden soll, einen nicht vollständig belegten Stimmenmodul suchen oder wenn alle Stimmen im Moment belegt sind, diejenige mit dem niedrigsten Belegsignal suchen und für diese einen Abbruchbefehl geben. Der Untersystem-Mikroprozessor UCPU liest diesen Befehl und schaltet die Stimme aus, worauf das Belegsignal auf Null geht. Jetzt kann das Hauptsystem die neue Stimme starten.
  • Wenn das Tonsignal ausgeschaltet werden soll, prüft der Hauptsystem-Rechner, ob dieses Tonsignal im Untersystem noch läuft, also nicht perkussiv ist und noch nicht gestoppt wurde oder bei perkussivem Klang noch nicht ganz ausgeklungen ist. Gegebenenfalls schreibt er einen Freigabebefehl für diese Stimme in den Untersystem-Speicher URAM. Das Untersystem geht dann bei der Hüllkurvenberechnung auf die Freigabe-Phase, die je nach Hüllkurvenart kürzer oder länger ist und meldet sich mit dem Belegsignal Null dann frei, wenn die Hüllkurve ganz ausgeklungen ist.
  • Daneben führt das Hauptsystem auf bestimmten Adressen den Untersystem-Speichern URAM die zu den im Moment erzeugten Stimmen gehörigen Lautstärken, Slalomeinstellungen und womöglich andere während der Tondauer veränderliche Parameter nach.
  • Die als Kreuzpunkt-Matrix CPM angeordneten Stimmenausgangsschalter dienen dazu, die Stimmen je nach Art auf bestimmte Nachbehandlungskanäle zu schalten, so daß eine Nachbehaltung in den Effekt-Baugruppen El - E3 erfolgen kann, oder zur Unterdrückung von Störsignalen ganz von den Audio-Bus-Leitungen wegzuschalten, wenn die Stimme nicht belegt ist.
  • Die Betriebsweise des Bus-Schalters,BS ist in Fig. 3 veranschaulicht. In der obersten Zeile sind die Zyklen N, N+1, N+2 ... des Hauptsystem-Mikroprozessors CPV angegeben, in der zweiten Zeile die um die halbe Zyklusdauer versetzten Zyklen i, i+1, i+2 ... des Untersystem-Mikroprozessors UCPU. In der dritten Zeile ist das Schaltsignal bzw. der Schaltzustand des Bus-Schalters BS gezeigt. Die vierte Zeile gibt an, wielange der Speicher-Bus SB jeweils mit dem Hauptsystem-Bus HB und dem Untersystem- Bus UB in Verbindung steht. Der Speicher-Bus SB wird immer in der zweiten Hälfte des jeweiligen Rechnerzyklus an den zugehörigen Bus des Hauptsystems bzw. des Untersystems geschaltet. Dadurch kann jeder Mikroprozessor CPU und UCPU den Untersystem-Speicher URAM lesen und in ihn schreiben, als wäre er normal auf den zugehörigen Bus geschaltet. Da der Untersystem-Speicher URAM schneller arbeitet als die Mikroprozessoren, ist es zulässig, daß er nur über einen Teil der Zykluszeit mit dem jeweiligen Mikroprozessor in Verbindung steht.
  • Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 werden für gleiche Teile dieselben Benennungen wie in Fig. 1 benutzt. Unterschiedlich ist im wesentlichen, daß die Ablaufsteuerschaltung ALO direkt auf den Untersystem-Mikroprozessor UCPU einwirkt und beim Auftreten des Übertragungsbefehls DREQ das Hintergrundprogramm dieses Mikroprozessors unterbricht und ein Übergabeprogramm startet. Außerdem werden Tonkurven und Hüllkurven nicht getrennt nachgebildet sondern die Digitalwerte für das ausgehende Tonsignal rechnerisch ermittelt und in den l-Kanal-Digital-Analog-Wandler DAC3 gegeben. Die Ausgänge des nachgeschalteten Multiplexers MUX2 können daher unmittelbar auf die Ausgangsregister AR gelegt werden, die über den Tonsignal-Bus TSB mit der Kreuzpunkt-Matrix CPM in Verbindung stehen. Dem Ausgangsregister AR ist ein Zwischenspeicher ZS vorgeschaltet, der beim Auftreten des mit einem Zeitsignal TO übereinstimmenden Ablagebefehl XFER die Analogwerte der zur gleichen Stimme gehörenden Tonsignale gleichzeitig in das Ausgangsregister gibt, auch wenn sie zuvor nacheinander im Digital-Analog-Wandler DAC3 behandelt worden sein sollen.
  • In Fig. 5 ist ein Stimmenmodul veranschaulicht, das lediglich für eine Stimme bestimmt ist. Hier werden wiederum die bereits aus Hüllkurve und Tonkurve zusammengesetzten Werte des Tonsignals berechnet und im Digital-Analog-Wandler DAC4 zu einem Tonsignal zusammengesetzt. Dieses kann mit einem Analog-Multiplexer MUX3 auf eine von mehreren Audio-Bus-Leitungen gegeben werden.
  • Für alle Bauelemente, wie
    • Hauptsystem-Mikroprozessor CPU
    • Programmspeicher ROM
    • Datenspeicher RAM
    • Untersystem-Mikroprozessor UCPU
    • Untersystem-Speicher URAM
    • Bus-Schalter BS
    • Zeitgeber T
    • Speicherzugriffssteuerschalter DMAC
    • Ablauf-Steuerschaltung ALO
    • Multiplexer MUXI
    • Multiplexer MUX2
    • Multiplexer MUX 3
    • Kreuzpunkt-Matrix CPM
    • Digital-Analog-Wandler DAC1
    • Digital-Analog-Wandler DAC2
    • Digital-Analog-Wandler DAC3
    • Digital-Analog-Wandler DAC4

    wurden handelsübliche Bauteile verwendet.

Claims (10)

1. Elektronisches Tastenmusikinstrument mit Eingabeelementen, wie Tonauslösetasten und digitalen und/oder analogen Bedienelementen, mit einem Hauptsystem, das einen Daten-, Adreß- und Steuerleitungen aufweisenden Hauptsystem-Bus und einen Speicher und Mikro- prozessor aufweisenden Hauptsystem-Rechner besitzt, und mit mindestens einem Stimmenmodul, der über den ! Hauptsystem-Bus mit dem Hauptsystem-Rechner verbunden ist und aus von ihm in Abhängigkeit von den betätigten Eingabeelementen zugeführten Parametern Tonsignale formt, dadurch gekennzeichnet, daß der Stimmenmodul (V1 - V3) ein Untersystem (6) mit einem ebenfalls Daten-, Adreß- und Steuerleitungen aufweisenden Untersystem-Bus (UB) und mit einem Speicher (URAM) und Mikroprozessor (UCPU) aufweisenden Untersystem-Rechner (UMC) besitzt und daß zum Datenaustausch zwischen Haupt- und Untersystem ein Bus-Schalter (BS) vorgese- hen ist, der den Untersystem- Speicher abwechselnd mit dem Hauptsystem-Bus (HB) und dem Untersystem-Bus (UB) verbindet.
2. Tastenmusikinstrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bus-Schalter (BS) für bidirektionalen Datenaustausch ausgelegt ist.
3. Tastenmusikinstrument nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bus-Schalter (BS) und der Untersystem-Speicher (URAM) mit der doppelten Taktfrequenz des Hauptsystem-Mikroprozessors (CPV) betreibbar sind.
4. Tastenmusikinstrument nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Untersystem-Speicher (URAM) ausschließlich aus RAM-Speicherbereichen besteht.
5. Tastenmusikinstrument nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stimmenmodul (V1) Ausgänge für mehrere von demselben Untersystem-Rechner (UMC) abhängige Stimmen hat.
6. Verfahren zum Betrieb eines elektronischen Tastenmusikinstruments nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Hauptsystem-Mikroprozessor und Untersystem-Mikroprozessor mit gleicher Taktfrequenz, jedoch um eine halbe Zykluszeit versetzt, betrieben werden und daß der Bus-Schalter den Untersystem-Speicher während der zweiten Hälfte der Zykluszeit des Hauptsystem-Mikroprozessors mit dem Hauptsystem-Bus und während der zweiten Hälfte der Zykluszeit des Untersystem-Mikroprozessors mit dem Untersystem-Bus verbindet.
7. Verfahren zum Betrieb eines elektronischen Tastenmusikinstruments nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Stimme vom zugehörigen Untersystem-Rechner ein Belegsignal, dessen Größe der augenblicklichen Bedeutung der Stimme im Gesamtklang entspricht, in den Untersystem-Speicher geschrieben wird und der Hauptsystem-Rechner im Bedarfsfall alle Belegsignale vergleicht und die Stimme mit dem kleinsten Belegsignal stoppt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Belegsignal von der Lautstärke des Tonsignals der Stimme abgeleitet ist.
9. Verfahren zum Betrieb eines elektronischen Tastenmusikinstruments nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß alle Informationen, die zur Erzeugung einer Stimme erforderlich sind, jeweils nach Beginn der Betätigung einer Tonauslösetaste vom Hauptsystem-Rechner über den Bus-Schalter in den Untersystem-Rechner übertragen werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß während der Stimmenausgabe durch das Untersystem die Stimme ändernde Parameter vom Hauptsystem-Rechner über den Bus-Schalter in den Untersystem-Speicher nachführbar sind.
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