Orchestre électronique

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Hidéo VINOT le 11/03/2016
Bonjour, je vous propose de faire la caractérisation en fréquence et en gain d'un des disques durs hauts parleurs que vous avez créé avec du matériel de mesure professionnel. Cela permettra de donner une courbe de haute précision et je pourrais me familiariser avec le matériel. J'ai besoin d'un des hauts parleurs et de son ampli avec des connectiques robustes. Si vous êtes d'accord contactez moi.

Hidéo VINOT le 05/04/2016
"Proposition ; Au lieu d'utiliser un clavier MIDi type Synthétiseur, utilisation d'un clavier d'ordinateur. Certaines touches seront alors des notes (comme un clavier de piano) et on pourra alors jouer de la musique avec."
Bonjour, c'est bien que vous arriviez a jouer de la musique depuis un clavier PC, mais si c'est une liaison série, pourquoi ne pas convertir les notes midis en une valeur ou une série de valeurs corespondant directement sur la raspberry? Le clavier MIDI reste un super outil pour jouer de la musique.

Cahier des charges

Présentation générale du projet

Le projet s'inscrit dans la démarche artistique de M. Lucas PRIEUX, artiste marionnettiste. Son souhait est de montrer ce que les nouvelles technologies d'aujourd'hui nous apportent.
Le dossier de création de la pièce HUMAINS est disponible ici [[1]]

Objectif du projet

L'objectif final du projet est de créer un dispositif comprenant une entrée MIDI (standard pour le son), et des sorties sur lesquelles on brancherait des instruments électroniques du type scanner ou lecteur de disquettes.

Description du projet

Le projet se divise donc en différentes étapes :
- La première étape est de bien définir le cahier des charges avec l'artiste afin de connaître ses attentes sur ce projet
- la seconde étape va être de mettre en place un dispositif (Raspberry Pi) permettant de décoder la trame MIDI reçu sur l'entrée et d'afficher les notes jouées par les instruments
- la dernière étape s'appuiera sur les volontés de l'artiste et des encadrants.

Choix techniques : matériel et logiciel

Matériel nécessaire :

  • Raspberry Pi
  • Adaptateurs USB-MIDI avec 1 USB et 2 sorties MIDI_IN et MIDI_OUT disponible chez LDLC [[2]]
  • Instruments électroniques: du vieux matériel disponible ici en occasion pour pas cher:[[3]]
    • Lecteurs de disquettes
      • (vieux lecteurs disponibles au fabricarium)
    • Disque dur
      • (fabricarium peut-être)
    • Imprimante matricielle
    • Modem 56k
    • Magnétoscope
    • Lecteurs CD/ROM
      • (fabricarium toujours)

Calendrier prévisionnel

Avancement du Projet

Préparation du projet : Mise en place du cahier des charges

2/11/15 : Réunion avec les différents acteurs du projet afin de bien fixer les attentes, les volontés de ces derniers.
C'est également lors de cette réunion que l'on fixera le cahier des charges et le matériel nécessaire
Résumé de la réunion :
L'objectif de cette réunion était de fixer les attentes et les volontés du porteur du projet.
Dans un premier temps, nous avons discutés avec M.PRIEUX du contexte dans lequel était inséré ce projet.
Ensuite, nous avons discutés des fonctionnalités du dispositif. Nous lui avons soumis 2 idées :

  • Soit jouer en direct sur les instruments électroniques ce qui est joué sur un clavier
  • Soit pré-enregistrer une séquence d'instruments électroniques et de la re-jouer au moment voulu

M.PRIEUX a souhaité que ces 2 fonctionnalités soient intégrés au dispositif.

Il a également été question du coeur de notre dispositif. Nous nous sommes tous dit que si l'on utilisait un Arduino, il aurait été obligatoire d'ajouter en plus une Raspberry Pi pour y intégrer le logiciel. Nous avons donc conclus qu'utiliser une Raspberry Pi serait mieux pour éviter l'encombrement et pour disposer de plus de fonctionnalités.
Concernant la RP, une distribution Linux spécialisé pour le traitement du son a été évoqué.

Il a aussi été demandé d'étudier la plage de fréquences des différents appareils afin de répartir les notes sur les instruments.

Cahier des charges :
Le dispositif est donc composé de :

  • Une entrée MIDI afin de brancher un clavier
  • Une Raspberry Pi afin de déterminer les canaux MIDI et de réaliser l'interface Web
  • Une sortie MIDI pour venir y brancher un synthétiseur de son MIDI afin de synthétiser les sons impossibles à jouer avec les instruments électroniques (possibilité de mise en place d'une deuxième RP muni du logiciel Rosegarden [[4]]
  • Une carte électronique permettant de venir brancher les différents instruments électroniques

Notre dispositif devra donc avoir 2 fonctionnalités :

  • Une première fonctionnalité sera de jouer en direct les notes sortant d'un clavier MIDI
  • Une deuxième fonctionnalité sera de pré-enregistrer une séquence d'instruments électroniques et de la rejouer au moment voulu

Un petit schéma résumé s'impose :
Synopsis.jpg

Sont disponibles avec tout notre matériel :

Ici, un très joli bruit caractéristique d'un modem 56k (Ah, la nostalgie ...) : [[5]]
La, un très bon morceau joué sur lecteur de disquette : [[6]]
Et maintenant, l'impression (on dirait les machines à tickets de caisses ...) avec une imprimante matricielle : [[7]]
Le tout mis en oeuvre : [[8]]

Semaine 1

25/01/16 :

  • Réception du matériel (disques dur, lecteurs de disquette, lecteurs CD, scanner et imprimantes)
  • Découverte du fonctionnement des lecteurs de disquettes (brochage, pins à utiliser pour piloter le moteur)

27/01/2016 :

  • Découverte de la programmation des GPIO sur la RPi avec Python (bibliothèque RPi.GPIO)
  • Toujours avec Python, nous réussissons à faire vibrer le moteur du lecteur de disquette (en utilisant une PWM et en contrôlant les bonnes broches du floppy disk)
    Dans une boucle conditionné par des exceptions (try/catch), nous faisons vibrer pendant un certain temps le moteur à des fréquences différentes, en utilisant alternativement les méthodes ChangeFrequency sur l'objet représentant la PWM (p.ChangeFrequency(220) par exemple), et en utilisant la bibliothèque time et la méthode sleep (time.sleep(<durée de la note>))
  • Programme pouvant "approximativement" jouer la marche impériale (Star Wars). Petites photos :
    Floppy disk.JPG
    RPi.JPG

Semaine 2

01/02/2016 :

  • Amélioration du programme permettant de jouer la marche impériale (utilisation de 2 tableaux : un contenant la fréquence des notes à jouer, et l'autre contenant la durée des notes)

03/02/2016 :

  • Début d'écriture d'un programme Python permettant de décoder un fichier MIDI --> Conclusion : Utilisation d'une bibliothèque au lieu de tout faire à la main
  • Test sur l'imprimante à aiguilles pour piloter le moteur --> SANS SUCCES (Communication série ?)

04/06/2016 :

  • Écriture du programme communiquant avec l'imprimante a aiguilles en série avec la RPi (langage de description de page (PDL) Epson ESC/P2 pour envoyer les commandes en série à l'imprimante)

Semaine 3

10/02/2016 :

  • Fin d'écriture du programme traitant le fichier MIDI : en sortie, on obtient 3 tableaux : 1 contenant les notes, 1 contenant la hauteur des notes, et 1 contenant les ticks (date d'apparition de chaque événement). Ces tableaux nous serviront à gérer les GPIO pour les disques durs et les disquettes.
  • Test sur le disque dur : vibration de la tête de lecture (juste grâce à une alim pour voir si la tête vibrait)

11/02/2016 :

Semaine 4

24/02/2016 :

  • Tentative de communication avec le port série sur l'imprimante à aiguilles --> Toujours sans succès ...
  • Au lieu d'utiliser la bibliothèque interne de la RPi pour gérer la PWM et les GPIO, nous utiliserons la bibliothèque WiringPi. Elle offre plus de fonctionnalités que la bibliothèque de base
  • Début du codage de l'interface WEB :
    • Choix du serveur WEB : lighttpd : Pourquoi ? Tout simplement car il est beaucoup plus léger qu'un serveur Apache et qu'il est plus adapté pour les processeurs ARM dont dispose la RPi
    • Interfaçage entre les scripts Python et Web : CGI (Common Gateway Interface).
    • Architecture du serveur WEB et explications :
      Archi serveur.jpg

      Explications : Le serveur lighttpd prend sa racine dans le répertoire /var/www de la RPi. On dispose de 2 répertoires : html afin de stocker les pages WEB et cgi-bin afin de stocker les scripts destinés à être exécuté.

      Lorsque la page WEB demande l'exécution d'un script, ce dernier passe dans l'interpréteur contenu dans le serveur CGI, et le résultat est retourné vers la page WEB.

27/02/2016 (et oui, même le week-end, on bosse !)  :
Grâce au matériel que l'on a chez nous, nous arrivons quand même à travailler sur l'interface WEB.

  • Problèmes rencontrés avec le codage d'un script pour découvrir wiringPi et CGI (utilisation d'une PWM pour faire tourner un servo-moteur):
    • Problème avec les autorisations de l'utilisateur www-data du serveur : les scripts python (notamment ceux avec wiringPi) doivent s'exécuter en root pour pouvoir manipuler les GPIO.
      Solution : Modifier le fichier /etc/sudoers afin que les scripts exécutés sous l'utilisateur www-data (serveur) puissent d'exécuter sans demander de mot de passe lors du passage à l'utilisateur root. Et l'exécution des scripts python se fera par du php par la commande exec(sudo <chemin/script_python>)

Semaine 5

29/02/2016 :

  • Configuration de la Raspberry Pi pour aller sur internet, installer et mettre à jour les paquets (modification du fichier apt.conf)
  • Installation des différents paquets pour nous permettre de créer le serveur web et de faire tourner le serveur CGI (Paquets installés : lighttpd, fastcgi, php5-cgi, python-dev et python-pip)
  • Utilisation de l'utilitaire PIP pour installer la bibliothèque WiringPi2 (utilisation d'un script shell afin de passer le proxy dans la commande)
  • Configuration du serveur lighttpd (modules à utiliser, prise en compte du serveur cgi et de l'exécution de scripts python et php)

02/03/2016 :

  • Test du bon fonctionnement du serveur web lighttpd (test avec une page html, et une page php)
  • Test du bon fonctionnement de la bibliothèque WiringPi2 et du serveur CGI avec un petit script qui fait clignoter une LED 5 fois (utilité --> Nécessaire pour piloter 1 instrument seul)
  • Dans la perspective de contrôler plusieurs instruments en même temps, mise en place de threads afin de faire clignoter 3 LEDS en parallèle (utilisation de la bibliothèque threading de python, redéfinition du constructeur du thread __init__ et redéfinition de la méthode run (code que va exécuter le thread)
  • Problème : WiringPi ne gère que des PWM soft et ne gère pas les successions d'écriture. C'est donc inadapté à notre problème. On revient donc à la solution de départ qui est d'utiliser la bibliothèque de base de la RPi pour gérer les GPIO.
  • Test d'un fichier HTML appelant un script PHP qui exécute un script python permettant de jouer la marche impériale sur 1 FDD --> SUCCES (vidéo à venir)
  • Test pour gérer 2 FDD via les threads --> A poursuivre

03/03/2016 :

  • Test pour gérer 2 FDD via threads --> Les 2 FDD jouent la même musique
    Thread1.JPG

    Main.JPG

  • Configuration de git pour passer par le proxy (script shell)
  • Installation de la bibliothèque python-midi afin de gérer les fichiers MIDI
    • Lorsque nous lançons le script mididump.py qui est en charge de "décortiquer" le fichier MIDI, la sortie est une (longue) liste de commandes qui sont de la forme suivante :
      midi.noteOnEvent(tick=<tick>, channel=<channel, data=[<numero de la note>,<velocite>]
      Explication1.JPG

      A l'aide de notre script écrit précédemment afin de sortir les tableaux correspondant au morceau (3 tableaux :notes, vélocité, ticks), nous pourrons ainsi passer en paramètre de nos threads ces 3 tableaux, et les PWM feront le reste.
  • Amélioration du premier site web avec du CSS
  • Recherche sur l'interprétation des "ticks" MIDI --> Ce serait l'instant où la note est joué, cet instant étant considéré par rapport à l'évènement précédent. Une modification de notre programme qui gère les PWM est à effectuer pour pouvoir gérer ces ticks.

Semaine 6

07/03/2016 :

  • Debut de l'association entre l'interface WEB, le programme python qui traite les fichiers MIDI, et les instruments
    • Interprétation des ticks MIDI : Modification du programme en conséquence - Récupération des constantes de temps importantes telles que la résolution temporelle et la signature des clés (clé de DO, clé de SOL, utile pour la partition)
    • Création d'une association entre les numéros de notes et les fréquences de ces dernières : utilisation d'une table d'association clé-valeur <K,V>
      • K : clé qui représente le numéro de la note
      • V : Fréquence associée à la note K

Note frq.JPG

09/03/2016 :


Semaine 7

14/03/2016 :

  • Récupération des différentes constantes de temps des fichiers MIDI : calcul de la conversion d'un tick MIDI en temps réel :
    Le tick est l'unité de temps des fichiers MIDI. A l'intérieur du fichier se trouvent différentes valeurs permettant de définir le temps MIDI et le temps réel :
    La résolution : Elle représente le nombre de tick par quart de note.
    Le temps : Il est représenté soit en BPM (battements par minute), soit en MPQ (microsecondes par quart de note).
    Par défaut, le tempo est de 120 bpm.
    Ainsi, pour calculer un tick, il faut appliquer la formule suivante :
    dt = t(en MPQ)/R = (50000000/120)/R
    Ainsi, pour calculer le temps pour P ticks par exemple, on a :
    dT = P * dt

16/03/2016 :

  • Amélioration de la vibration de la tête de lecture d'un HDD : montage amplificateur de tension + montage push-pull (ampli de puissance) afin d'augmenter le volume
    Disque dur montage final.JPG
  • Utilisation de l'imprimante à aiguilles : découverte du port parallèle et de sa programmation en C.

17/03/2016 :

  • Test avec l'imprimante à aiguilles : écriture sur le port parallèle via /dev/parport0. Une alternative nous a été proposée de tester en écrivant via /dev/lp0. A tester

Semaine 8

23/03/2016 :

  • Toujours aucun résultat avec l'imprimante. Après lecture de la datasheet plus en profondeur et avec quelques petites recherches, il s'avère que le connecteur DB-25 femelle disponible sur l'imprimante est en fait un port série ...
  • Proposition ; Au lieu d'utiliser un clavier MIDi type Synthétiseur, utilisation d'un clavier d'ordinateur. Certaines touches seront alors des notes (comme un clavier de piano) et on pourra alors jouer de la musique avec. Dans l'attente d'une réponse, test sur des évènements clavier simples.
  • Amélioration de l'amplificateur pour le disque dur. On augmente l'amplitude de la PWM afin d'avoir plus de bruit en sortie
  • Réalisation d'un piano avec un clavier d'ordinateur grâce à la bibliothèque pygame. Grâce aux codes des touches, on arrive à associer les FDD et le clavier par simple récupération des évènements "la touche a a été appuyée". Ceci grâce à une table d'association touche -> fréquence.

Semaine 9

30/03/2016 :

  • Début de récupération de fichiers contenant plusieurs canaux MIDI triés (ajout d'un tri de tous les tableaux afin de différencier les canaux). Modification du programme afin qu'il différencie les channels et les notes associées. On peut compter le nombre de notes dans le channel et ainsi jouer les notes du canal sur 1 instrument, et associer tous les instruments. A continuer
    Il pourra se poser un problème pour les alimentations (manque d'alims ...) des lecteurs de disquettes et des autres instruments type disque durs, ainsi que sur le nombre de GPIO disponibles sur la RPi.
  • Continuation de l'ampli pour le disque dur (amplification de l'amplitude de la PWM)

Semaine 10

18/04/16 :


20/04/16:

  • Communication entre 2 Modems : IMPOSSIBLE (Problème de FXO/FXS - il faudrait en plus un PABX, ce qui sort du contexte "portable" du projet)
  • Documentation sur le mode graphique de l'imprimante matricielle afin de contrôler les aiguilles --> A poursuivre

21/04/16 :

Semaine 11

27/04/2016 :

  • Programmation de l'imprimante matricielle en ESC/P2 afin de reproduire des sons. On remarque que, en fonction de la data qu'on envoie, le son est différent. On enchaîne donc les boucles de commandes afin de créer une succession de sons. Malheureusement, ce dispositif ne sera pas portable, car nous n'avons pas de port parallèle disponible sur la RPi, et plus assez de GPIO pour en reconstituer un. Mais il reste fonctionnel.
  • Programmation série en C pour le modem. Utilisation des commandes Hayes (AT) afin de reproduire un son, celui d'une réponse. Ce programme marche sur un PC fixe. Cependant, nous avons eu des problèmes pour le mettre en oeuvre sur la Raspberry Pi. Dans notre programme, nous utilisons la commande sync() qui, selon le noyau, force le buffer série à se vider. Sur la Raspberry Pi, le sync() n'avait aucun effet, et donc notre programme plantait. Nous avons donc du saturer le buffer afin que les commandes soient écrites sur le port série.
  • Préparation du matériel, des interfaces et des programmes pour pouvoir tourner la vidéo le 28/04/2016 à 9h en sale E306

28/04/2016:

  • Reception (en urgence) d'un câble CENTRONICS/USB pour brancher l'imprimante matricielle à la RPi. Commande sur l'interface /dev/usb/lp0. Succès. Test du programme sur la RPi. Succès.
  • Tournage de la vidéo pour le wiki. Vidéo de 5 à 7 minutes de type présentation du travail effectué.
  • Adaptation du site WEB pour pouvoir utiliser l'imprimante matricielle.

Semaine 12

02/05/2016:

  • Préparation de la soutenance et rédaction du rapport de projet

04/05/2016:

Semaine 13

10/05/2016 :

  • Continuation de la soutenance

11/05/2016 :

  • Répétition pour la soutenance

13/05/2016 :

SOUTENANCE à 11h15

Conclusion

Ce projet nous a permis de découvrir comment sortir de vieux instruments électroniques de leur usage quotidien pour les transformer en objet de musique. Ce qui fût le plus dur était d'associer l'ancienne technologie à la nouvelle. C'était en quelque sorte le challenge. Nous sommes contents des résultats que nous avons pu obtenir, et nous espérons qu'ils conviennent à nos encadrants. Nous tenons à remercier ces derniers pour leur aide et leur investissement durant ce projet.

Bibliographie

MIDI :
http://www.tonalsoft.com/pub/news/pitch-bend.aspx
http://ogloton.free.fr/midi/presentation.html
http://claude.borne.perso.sfr.fr/indexzmao.html
http://chephip.free.fr/mus/midi.html
http://manivelles.occitanes.pagesperso-orange.fr/site-arrangements/Pratique/FTM4.html

Lecteur de disquettes:
http://www.firediy.fr/article-21.html
http://hxc2001.com/download/datasheet/floppy/thirdparty/Teac/TEAC-FD235HF-A291.PDF

Imprimante matricielle:
https://files.support.epson.com/pdf/lq570p/lq570ppg.pdf
ftp://download.epson-europe.com/pub/download/6/epson558eu.pdf

Modem :
http://www.nikopik.com/2014/01/que-se-passait-il-lorsque-un-modem-faisait-ses-bruits-stridents.html
http://support.usr.com/support/sportster/sportster-files/techref_uk.pdf

Disque dur :
http://www.courstechinfo.be/Hard/Disque.html
http://www.instructables.com/id/Hard-Drive-Speaker-System/

Serveur WEB et CGi :

https://httpd.apache.org/docs/2.4/howto/cgi.html
http://notepad.xavierdetourbet.com/?p=606#3

Liens

floppy drive music
Disk organ

Fichiers Rendus

Code : Archive GIT (publique)
https://archives.plil.fr/troj/IMA4_S8_P45
Rapport : Fichier:Rapport P45 ROJ LETELLIER IMA4.pdf

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