Uso de sensores de efecto Hall para detectar magnéticamente la posición del pedal del órgano

El magnetismo puede ser lo más parecido a la magia (los microcontroladores están en segundo lugar). Aquí hay una historia que combina ambos. Y también, Bach. J.S. Bach, exactamente. Los pedales de un órgano se comportan igual que un teclado, lo que le da al organista un "dispositivo de entrada" más (Figura 1).

Figura 1: Los pedales de un órgano se distribuyen de la misma forma que en un teclado musical. ¿Cree que podría tocar Chopsticks con ellos? (Fuente de la imagen: Michael Dunn)

Dicho esto, el debate aquí se aplica a todo tipo de pedales. De hecho, se aplica a casi cualquier tipo de aplicación para detectar la posición o conmutación que se pueda imaginar. Siga leyendo.

Mi experiencia con el órgano (puede saltarse esta parte)

Desde mi adolescencia, he querido tener un órgano de tubos, o una copia idéntica razonable, principalmente para tocar la magnífica música de J.S. Bach. ¿Se imagina cómo sonaría Bach en la magnífica Orgue de l'église Saint Germain l'Auxerrois de París (Figura 2)? Dado que el costo y el espacio descartan lo primero, los órganos electrónicos han estado en mi mente durante décadas, desde mis primeros diseños de monstruos totalmente analógicos hasta conceptos posteriores de síntesis aditiva generados digitalmente. Basta decir que, aparte de adquirir teclados y una pedalera, estos planes no llegaron a ninguna parte. Claro, uno también podría comprar un órgano electrónico, pero ninguno era de mi agrado, y ¿qué tiene de divertido eso de todos modos?

Figura 2: No hay lugar para esto y, además, no está a la venta. (Imagen y fuente: Orgue de l'église Saint Germain l'Auxerrois, Paris, a través de Wikipedia.org)

Pero en los últimos años, programas como Hauptwerk (el nombre alemán para uno de los teclados de un órgano, pero eso lo sabía, por supuesto) se han convertido en motores notables para recrear los sonidos de órganos reales utilizando tecnología de muestreo. Confieso que es hora de que abandone mis sueños de diseñar un instrumento desde cero.

Detección de la posición del pedal

Habiendo decidido utilizar software comercial para la simulación de órganos, tuve que construir la consola, que incluía dos o tres teclados y una pedalera. Adquirí esos mecanismos hace muchos años y no contienen ningún tipo de conmutación/detección. ¿Qué hacer?

La solución primitiva sería usar un interruptor de algún tipo (o contactos expuestos) para cada tecla y pedal. Sin embargo, esto excluye la detección de velocidad y posición. Quizás se pregunte por qué, en el caso de un órgano, me importaría, pero resulta que los órganos clásicos totalmente mecánicos responden al tacto (no hasta el punto de, digamos, un piano, por supuesto).

Esto todavía dejó varias opciones de interruptores, incluidos pares de contactos escalonados (que miden el tiempo entre una apertura y el otro cierre para obtener velocidad), ópticos, de presión, capacitivos e inductivos, pero me sentí atraído por la detección magnética. Un sensor de efecto Hall lineal parecía el camino a seguir, ya que ofrecía opciones de montaje y detección de posición de bajo costo y consumo. Hay una amplia variedad para elegir, pero terminé usando 32 sensores de efecto Hall SS39ET de Honeywell montados en pequeñas placas de conexión (Figura 3). En este punto, solo se conecta la energía mediante el cable aislado PRT-08024 de SparkFun. ¿Me creería que tuve un trabajo de verano en Honeywell alrededor de 1979? Fue mi primera exposición al efecto Hall. Se usó en interruptores de teclado (teclados de computadora, no instrumentación musical).

Figura 3: Vista de cinco sensores de efecto Hall SS39ETde Honeywell montados en pequeños tableros de conexiones. Como se muestra, en este punto solo se conecta la energía. (Fuente de la imagen: Michael Dunn)

Una preocupación que tenía era la diafonía magnética entre pedales. Una prueba rápida mostró que mover un imán adyacente provocaba solo un cambio de salida del 2% en el sensor bajo prueba, lo cual es aceptable para esta aplicación. Para proporcionar los campos magnéticos requeridos, utilicé imanes 8184 de ½ pulgada de diámetro de Radial Magnets Inc. montados en los pedales (Figura 4). Para casos de uso más sensibles, puede ser necesario un blindaje magnético. Otra opción sería arreglar los imanes y mover los sensores si puede lidiar con la flexión de cables.

Figura 4: Los imanes montados en los pedales proporcionaron el campo magnético necesario para estimular los sensores de efecto Hall. (Fuente de la imagen: Michael Dunn)

Magia del microcontrolador

Luego, necesitaba elegir un microcontrolador, en este caso, en una placa pequeña. Para una producción de uno, ¿por qué reinventar la rueda (o la placa de CI)? El aspecto más significativo de mi elección fue: "¿Cómo quería programar el procesador?" La respuesta predeterminada, "en C", me vino a la mente, ya sea en el entorno Arduino o utilizando el soporte de desarrollo del fabricante. Pero había escuchado cosas buenas sobre MicroPython, y como fanático de Python de siempre, decidí intentarlo. Terminé eligiendo la placa 3857 Feather M4 Express de Adafruit, que tiene un núcleo Arm Cortex-M4 ATSAMD51J19A-AU-EFB de 120 MHz de Microchip Technology, junto con un buen conjunto de periféricos. Adafruit tiene su propia versión de MicroPython, llamada CircuitPython, que es la que usaré.

La desventaja de esta elección de lenguaje es la velocidad. Python, al ser interpretado en lugar de compilado, se ejecuta a solo un pequeño porcentaje de la velocidad de C (sus resultados variarán en función de factores como el uso de la biblioteca). Dada la naturaleza en tiempo real de este proyecto, es posible que tenga que abandonar Python, pero ese es un tema para un futuro blog. Será una gran experiencia de aprendizaje de todas maneras.

¿Qué es exactamente lo que necesitamos que haga el microcontrolador? Ante todo, escaneará los sensores de efecto Hall, traducirá sus lecturas a la velocidad de nota de la Interfaz digital de instrumentos musicales (MIDI) y enviará esos datos a través de USB a la computadora host que ejecuta el software del órgano.

En segundo lugar, recibirá datos MIDI en serie de los dos o tres teclados, que también se canalizarán a través de la conexión USB. He decidido, al menos por ahora, poner en servicio algunos sintetizadores antiguos que tengo por ahí, en lugar de asumir el proyecto mucho más grande de conectar 168 sensores clave. Además, el menor espaciado de las teclas en comparación con los pedales significa que la diafonía podría ser en un problema. Quizás los sensores ópticos reflectantes serían el camino a seguir en este caso. Probablemente nunca trasladaré este circuito a algo más permanente que un tablero de prueba. En su forma actual, dos multiplexores 1 74HC4067 16 a 1 de Texas Instruments enrutan una de las 32 salidas de sensor al microcontrolador (Figura 5). Los tres optoacopladores H11L1 de ON Semiconductor son necesarios para las entradas MIDI (Figura 5).

Figura 5: De izquierda a derecha: La placa del microcontrolador Feather M4, los dos multiplexores analógicos 74HC4067 CMOS y los tres optoacopladores de nivel lógico H11L1 para entrada MIDI. (Fuente de la imagen: Michael Dunn)

Se conectarán tres conectores DIN SD-50SN de CUI Devices a las entradas del optoacoplador que servirán como entradas MIDI estándar (Figura 6).

Figura 6: El conector DIN MIDI estándar, apropiado, siempre. (Fuente de la imagen: CUI Devices)

Una gran característica del sistema que ofrece el procesador es la calibración automática. Debido a las variaciones en los sensores de efecto Hall, los imanes y el posicionamiento, cada sensor generará un rango de voltaje de salida específico, aproximadamente, desde el suministro medio cuando el imán está más lejos, moviéndose casi un voltio cuando se presiona el pedal. Al pasar por un procedimiento de calibración en el que se presiona cada pedal, el microcontrolador almacenará los valores mínimos/máximos para cada uno en la memoria flash.

Conclusión

Finalmente, y después de estar sentado en mi pedalera (en sentido figurado, no literalmente) durante décadas, estoy muy contento de hacerlo realidad. Al hacerlo, estoy aprendiendo más sobre sensores magnéticos, lo último en microcontroladores, y ahorro toneladas en la búsqueda y compra de una nueva pedalera MIDI (créame, no es un elemento común). La mayoría de los sensores de efecto Hall en la naturaleza son probablemente interruptores simples, pero los lineales ofrecen soluciones de detección versátiles.

También vivimos en una era dorada de los microcontroladores, que incluye muchas placas de desarrollo de bajo costo y excelentes entornos de desarrollo. Pronto veré si CircuitPython es adecuado para este proyecto o si tendré que elegir una solución diferente debido a la velocidad de ejecución.

Todo lo que queda es terminar de conectar el hardware y luego sumergirse en el software. Ya he experimentado exitosamente con las bibliotecas CircuitPython MIDI y USB, aunque encontré algunos problemas, que se resolvieron con la ayuda de los foros de soporte de Adafruit. Espero volver pronto con un informe completo sobre el sistema terminado, centrándome en el lado del firmware.

Artículos relacionados:

Develop Real-Time Microcontroller-Based Applications Quickly Using MicroPython, Jacob Beningo, 2017

Bach for Engineers, Michael Dunn, EDN, 2013