Contrôle électronique d'un orgue de barbarie

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

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Contrôle électronique d'un orgue de barbarie. P. Pénard – Sarlat - 2014. Plan. Généralités Le standard Midi Principe d'une chaine de commande Les relais Exemple Démo. Généralités. De d'électronique pour quoi faire ?. Remplacer le support carton ou papier par un stockage électronique - PowerPoint PPT Presentation

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Contrôle électronique d'un orgue de barbarie

P. Pénard – Sarlat - 2014

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Plan

• Généralités• Le standard Midi• Principe d'une chaine de commande• Les relais• Exemple• Démo

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Généralités

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De d'électronique pour quoi faire ?

• Remplacer le support carton ou papier par un stockage électronique– Gain de place, de poids, économie– Rapidité de création/modification

• De nouvelles possibilités– Câblage électrique vs tirage mécanique, registres

• Contreparties Source d'énergie à gérer dans l'instrument Fiabilité (composants, câblage, long terme…)

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Le principe• Stockage / commande / action

Mémoire non volatile

Programme enregistréCircuit électronique spécifique

Principalement des relais et dérivés

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Le principe (1)• Stockage / commande / action

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Le principe (2)• Stockage -> commande -> action

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Le principe (3)• Stockage -> commande -> action

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Application à l'orgue

• Modifier ou adapter le mode de contrôle de l'air– Actionner des clapets (l'électronique se substitue au clavier)– Adapter des vannes existantes (modif +/- en profondeur)– Implanter de nouvelles vannes (nouvel orgue)

• Cas particulier de l'orgue de barbarie– Plus facile sur un instrument à commande pneumatique– Contrôle des instruments à commande mécanique non

abordé ici.

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Application à l'orgue (1)• Tirage électro-pneumatique

– Valve type "Hope Jones" (1886)

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Application à l'orgue (2)

• Tirage direct– Peterson– Kimber-Allen

– Relais dans le sommier– Registre électronique

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Application à l'orgue (3)

Exemple de sommier à tirage direct avec valves Peterson

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Page 13: Contrôle électronique d'un orgue de barbarie

Application à l'orgue (4)• Orgue pneumatique contrôlé électriquement– Sans doute le plus facile à mettre en oeuvre

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Page 14: Contrôle électronique d'un orgue de barbarie

Résumé

• Pour commander électriquement un orgue il faut :

– De la musique (!)

– "Quelques chose" qui transforme la musique en commandes électriques

– Un "dispositif" qui transforme une commande électrique en une action mécanique

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Page 15: Contrôle électronique d'un orgue de barbarie

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Le standard midi

Page 16: Contrôle électronique d'un orgue de barbarie

Le standard Midi

• Musical instruments digital interface : Un "standard" • Géré par la MMA (Midi Manufacturers Association)

(www.midi.org)• Première démo au NAMM'1983– NAMM = National Association of Music Merchants– Faire jouer 2 claviers (Prophet600-Sequential et Jupiter6-Roland)

• SMF (fichiers midi) en 1988• General Midi (sonorités) : 1991 puis 1999• Il existerait même un POMI pour les orgues ?

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Page 17: Contrôle électronique d'un orgue de barbarie

Le principe

• Messages unidirectionnels entre une source et un destinataire

– Lien point à point : une seule sortie vers une seule entrée

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Le lien physique

• Boucle de courant de 5 mA ("0" = on, "1" = off)• 10 bits : 1 start, 1 stop, 8 data toutes les 320 ms– 31.25 Kbauds (25 Ko/s)

• Prise DIN 5 broches/180°

A noter : isolation galvanique émetteur/récepteur05/04/2014 18Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Page 19: Contrôle électronique d'un orgue de barbarie

Le lien physique

• Boucle de courant de 5 mA ("0" = on, "1" = off)• 10 bits : 1 start, 1 stop, 8 data toutes les 320 ms– 31.25 Kbauds (25 Ko/s)

• Prise DIN 5 broches/180°

A noter : isolation galvanique émetteur/récepteur05/04/2014 19Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Page 20: Contrôle électronique d'un orgue de barbarie

Le lien physique

• Boucle de courant de 5 mA ("0" = on, "1" = off)• 10 bits : 1 start, 1 stop, 8 data toutes les 320 ms– 31.25 Kbauds (25 Ko/s)

• Prise DIN 5 broches/180°

A noter : isolation galvanique émetteur/récepteur05/04/2014 20Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Page 21: Contrôle électronique d'un orgue de barbarie

Messages Midi• Messages Voix– Adressés à tous les instruments connectés– Servent à jouer les notes• Canal, Note On, Note Off, Vélocité, Maintien, Attaque…

x90 x45 x64 : jouer canal 0 note69(La3) vélocité = 100 x80 x45 x00 : arrêter canal 0 note69(La3) vélocité = 0

• Messages Système– Adressés à un instrument particulier (Tune request…)– Messages temps réel (ex : horloge 24PPQM) xF6 xNN xNN x.. : Modif accord instrument NN NN ..

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Le Midifile

• Format très compact (prévu pour des disquettes)– Codage à longueur variable

• Inclusion de la notion de temps– Tous les évènements sont datés en relatif

• Plusieurs formats– Midi0 : 1 piste et 16 canaux– Midi1 : Jusqu'à 16 pistes simultanées– Midi2 : Jusqu'à 16 pistes indépendantes

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Midifile (exemple)

Vision Cubasis

Contenu du midifile : 80 octets

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Midifile (exemple)

Le bloc ("chunk") Entête

"Mthd"= Fichier midi Entête sur 6 octets Midi1 1 piste Résolution temporelle : x78 = 120 ticks/noire

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Midifile (exemple)

Le(s) bloc(s) Piste

"Mtrk" = Début de piste

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Page 26: Contrôle électronique d'un orgue de barbarie

Midifile (exemple)

Piste (suite)

68 octets à lire "Maintenant" : Instrument = Occarina "Maintenant" : Titre de la piste (sur 5 octets)

Titre = "PPCaP"

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Page 27: Contrôle électronique d'un orgue de barbarie

Midifile (exemple)

Piste (suite)

"Maintenant" : Signature temps Mesure 4/2 Nb midi clock /click métronome

Valeur triple croche en 1/64 noire

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Page 28: Contrôle électronique d'un orgue de barbarie

Midifile (exemple)

Piste (suite)

"Maintenant" : Changement de tempo Durée d'une noire en microsecondes 07 A1 20 = 500.000 = tempo 120

Résolution = 120 ticks/noire1 tick = 0.5/120 = 0.004167 s

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Page 29: Contrôle électronique d'un orgue de barbarie

Midifile (exemple)

Piste (suite)

Après un temps de 83 10 = 400 ticks = 1.66s (codage VLC : 1000 0011 0001 0000 = 400) Note on sur canal 0 Numéro de la note : 3C (60d)

Vélocité : 3C = 60d

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Page 30: Contrôle électronique d'un orgue de barbarie

Midifile (exemple)

Piste (suite)

Après un temps de 82 68 = 360 ticks = 1.5s (codage VLC : 1000 0010 0110 1000 = 360) Note off sur canal 0 Numéro de la note : 3C (60d)

Vélocité : 0

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Page 31: Contrôle électronique d'un orgue de barbarie

Midifile (exemple)

Piste (suite)

Après un temps de 78 = 120 ticks = 0.5s (codage VLC : 0111 1000 = 120) Note on sur canal 0 Numéro de la note : 54 (84d)

Vélocité : 3C = 60d

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Midifile (exemple)

Piste (suite)

Après un temps de 78 = 120 ticks = 0.5s (codage VLC : 0111 1000 = 120) Note off sur canal 0 Numéro de la note : 54 (84d)

Vélocité 0

05/04/2014 32Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Page 33: Contrôle électronique d'un orgue de barbarie

Midifile (exemple)

Piste (suite)

Après un temps de 0 (Donc : en même temps que l'évt précédent) Note on sur canal 0 Numéro de la note : 48 (72d)

Vélocité : 3C = 60d

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Page 34: Contrôle électronique d'un orgue de barbarie

Midifile (exemple)

Piste (suite)

Après un temps de 82 68 = 360 ticks = 1.5s (codage VLC : 1000 0010 0110 1000 = 360) Note off sur canal 0 Numéro de la note : 48 (72d)

Vélocité : 0

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Page 35: Contrôle électronique d'un orgue de barbarie

Midifile (exemple)

Piste (Fin)

Après un temps de 0 (Donc : en même temps que l'évt précédent) Fin de fichier

05/04/2014 35Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Fin de lecture des 68 octets

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Après… le Midi

• Discussions depuis 2005 autour du HD-Midi• Première démo au NAMM' 2013– Compatibilité descendante avec le Midi 1.0 – Vraisemblablement couche physique type Ethernet– Une dose de RTP-Midi (AppleMidi)– Transmission sans fil définie dans le standard– Cryptage

• Quand ?

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Le HD-Midi

• Quelques particularités :– Davantage de canaux et de contrôleurs– Plus grande résolution dans la description des données

(Valeurs numériques supérieures à 127 ! ;o))

– Possibilité de définir une note par sa fréquence et non plus seulement par son numéro

– Note-Update en plus du Note-On et du Note-Off• Changement des paramètre d'une note au cours de sa durée de

vie

– Simplification des messages

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Page 38: Contrôle électronique d'un orgue de barbarie

Résumé

• Le standard midi :– Convertit une partition en une représentation

informatique équivalente.– Génère des messages : Note ON, Note Off, vélocité etc…

• Tâche suivante à effectuer :– Décodage– Génération d'une commande pour chaque note

05/04/2014 38Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Page 39: Contrôle électronique d'un orgue de barbarie

05/04/2014 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard 39

Décodage des messages midi

Page 40: Contrôle électronique d'un orgue de barbarie

Décodage par registre à décalage

• Le registre est le reflet des sorties– On "pousse" les commandes vers l'endroit où elles doivent aller– Une partie mémoire verrouille (latch) les sorties

Registre

Latch

C8C7C6C5C4C3C2C1

Note à jouer

Transfert

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Page 41: Contrôle électronique d'un orgue de barbarie

Décodage par registre à décalage

• Le registre est le reflet des sorties

Réception d'une note à commander

Registre

Latch

C8C7C6C5C4C3C2C1

Note 5 ON

Transfert

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Page 42: Contrôle électronique d'un orgue de barbarie

Décodage par registre à décalage

Registre

Latch

C8C7C6C5C4C3C2C1

Note 5 ON

Transfert

• Le registre est le reflet des sorties

On charge la valeur à décaler (un "1" logique)

05/04/2014 42Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Page 43: Contrôle électronique d'un orgue de barbarie

Décodage par registre à décalage

Registre

Latch

C8C7C6C5C4C3C2C1

Note 5 ON

Transfert

• Le registre est le reflet des sorties

Décalage 1 fois

05/04/2014 43Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Page 44: Contrôle électronique d'un orgue de barbarie

Décodage par registre à décalage

Registre

Latch

C8C7C6C5C4C3C2C1

Note 5 ON

Transfert

• Le registre est le reflet des sorties

Décalage

05/04/2014 44Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Page 45: Contrôle électronique d'un orgue de barbarie

Décodage par registre à décalage

Registre

Latch

C8C7C6C5C4C3C2C1

Note 5 ON

Transfert

• Le registre est le reflet des sorties

Décalage

05/04/2014 45Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Page 46: Contrôle électronique d'un orgue de barbarie

Décodage par registre à décalage

Registre

Latch

C8C7C6C5C4C3C2C1

Note 5 ON

Transfert

• Le registre est le reflet des sorties

Dernier décalage

05/04/2014 46Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Page 47: Contrôle électronique d'un orgue de barbarie

Décodage par registre à décalage

Registre

Latch

C8C7C6C5C4C3C2C1

Note 5 ON

Transfert

• Le registre est le reflet des sorties

Transfert vers les sorties

05/04/2014 47Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Page 48: Contrôle électronique d'un orgue de barbarie

Décodage par registre à décalage

Registre

Latch

C8C7C6C5C4C3C2C1

Note à jouer

Transfert

• Le registre est le reflet des sorties

Et verrouillage

05/04/2014 48Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Page 49: Contrôle électronique d'un orgue de barbarie

Décodage par registre à décalage

Registre

Latch

C8C7C6C5C4C3C2C1

Note 3 ON

Transfert

• Le registre est le reflet des sorties

Réception d'une nouvelle note à commander

05/04/2014 49Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Page 50: Contrôle électronique d'un orgue de barbarie

Décodage par registre à décalage

Registre

Latch

C8C7C6C5C4C3C2C1

Note 3 ON

Transfert

• Le registre est le reflet des sorties

On charge la valeur

05/04/2014 50Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Page 51: Contrôle électronique d'un orgue de barbarie

Décodage par registre à décalage

Registre

Latch

C8C7C6C5C4C3C2C1

Note 3 ON

Transfert

• Le registre est le reflet des sorties

On décale

05/04/2014 51Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Page 52: Contrôle électronique d'un orgue de barbarie

Décodage par registre à décalage

Registre

Latch

C8C7C6C5C4C3C2C1

Note 3 ON

Transfert

• Le registre est le reflet des sorties

Dernier décalage

05/04/2014 52Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Page 53: Contrôle électronique d'un orgue de barbarie

Décodage par registre à décalage

Registre

Latch

C8C7C6C5C4C3C2C1

Note 3 ON

Transfert

• Le registre est le reflet des sorties

Transfert

05/04/2014 53Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Page 54: Contrôle électronique d'un orgue de barbarie

Décodage par registre à décalage

Registre

Latch

C8C7C6C5C4C3C2C1

Note à jouer

Transfert

• Le registre est le reflet des sorties

Verrouillage

05/04/2014 54Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Page 55: Contrôle électronique d'un orgue de barbarie

Décodage par registre à décalage

Registre

Latch

C8C7C6C5C4C3C2C1

Note à jouer

Transfert

• Le registre est le reflet des sorties

Et ainsi de suite…

Et pour arrêter une note on décale un "0", tout simplement !

05/04/2014 55Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Page 56: Contrôle électronique d'un orgue de barbarie

Décodage par registre à décalage

• Le registre est le reflet des sorties– Un composant registre et latch pour 8 sorties

Chainables par groupes de 8 sorties

Registre

Latch

C8C7C6C5C4C3C2C1

05/04/2014 56Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Page 57: Contrôle électronique d'un orgue de barbarie

05/04/2014 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard 57

Les électro-aimants

Page 58: Contrôle électronique d'un orgue de barbarie

Commande des électro-aimants(1)

• Réseaux d'amplificateurs (ULN2x0x)

05/04/2014 58Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

= 8 x

Page 59: Contrôle électronique d'un orgue de barbarie

Commande des électro-aimants(2)

• Les limites de l'ULN2803ASelon Datasheet :

• Tension max en sortie : 50 V• Courant max pour une sortie : 500 mA• Puissance pour une sortie : 1W• Puissance totale : 2.5 W

En pratique :

• Tenir compte du nombre de notes simultanées • Raisonner en puissance

Exemple : Relais 50 Ohms alimentés en 12 Volts I = 10.8/50 = 216 mA. (VCEsat = 1.2 V). P = 0.26WDonc : 8 sorties (2 W) possibles simultanément !

05/04/2014 59Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Page 60: Contrôle électronique d'un orgue de barbarie

Résumé décodage et commande

• Exemple de schéma électrique :

Carte(s) de commande

+ 12 V

Données musique

Note 1

Note 2

Note n

Cde 1Cde 2

Cde n

05/04/2014 60Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Page 61: Contrôle électronique d'un orgue de barbarie

Les électro-aimants (1)

• C'est LE point dur !• Différentes appellations :

– Electro-aimants, solénoïdes, aimant électrique, relais à noyau plongeur, etc…

• Possibilités :– Productions commerciales appropriés

Prix– Adapter des électro-aimants existants

Modifier la bobine (résistance) Installer un ressort

– Les réaliser soi-même Economies substantielles vs temps passé

05/04/2014 61Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Page 62: Contrôle électronique d'un orgue de barbarie

Les électro-aimants (2)

05/04/2014 62Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Pression de l'air

Force du ressort

Force du relais

Contre-noyau

Bobine (solénoïde)

Noyau

F =

Page 63: Contrôle électronique d'un orgue de barbarie

Choix d'un électro-aimant (1)

• Force pour un déplacement ("telle force à telle distance")

• Tension d'alimentation/résistance de bobine• Temps de cycle (Duty-cycle)

05/04/2014 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard 63

Page 64: Contrôle électronique d'un orgue de barbarie

Choix d'un électro-aimant (2)

• Force pour un déplacement ("telle force à telle distance")

• Tension d'alimentation/résistance de bobine• Temps de cycle (Duty-cycle)

05/04/2014 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard 64

20 gf

2 mm

Page 65: Contrôle électronique d'un orgue de barbarie

Choix d'un électro-aimant (3)

• Par expérience :– Force : 20 gF à 2 mm– Tension d'alimentation : 12 Volts– Résistance : au moins 50 Ohms. Préférable : 100 Ohms et +

Consommation

• Le prix ??– Entre 5 et 10 €

• Fournisseurs– Conrad, Radio Spare, Selectronic, Gotronic…

05/04/2014 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard 65

Page 66: Contrôle électronique d'un orgue de barbarie

Exemples de réalisations amateurs

• GPTO (http://gpto6.blog4ever.org/bobinage-relais)

• PP (http://orgue-de-barbarie.pagesperso-orange.fr/carton_elec.htm)

05/04/2014 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard 66

50 Ohms8 mm x 22 mm0.15 N (15.3 gF) @ 2.5 mm

Et bien d'autres…

Page 67: Contrôle électronique d'un orgue de barbarie

Une valve électro-pneumatique• Dérivée du type Hope Jones (proto PP)

– Ouverture électrique / fermeture pneumatique– Pas de ressort– Tout petit : base de 16x16 mm

05/04/2014 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard 67

Page 68: Contrôle électronique d'un orgue de barbarie

Une valve électro-pneumatique• Dérivée du type Hope Jones (proto PP)

– Ouverture électrique / fermeture pneumatique– Pas de ressort– Tout petit : base de 16x16 mm

05/04/2014 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard 68

Page 69: Contrôle électronique d'un orgue de barbarie

Exemples de systèmes complets de commande électronique

05/04/2014 Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard 69

Page 70: Contrôle électronique d'un orgue de barbarie

Exemple 1 : Système midi pur (1)

• Modules "Orgautomatech" (Christian Blanchard)– Stockage sur carte SD – Plusieurs milliers de titres/carte, sélection sur mini-écran LCD– Contrôle de vitesse grossier (?)

• Principe : – Un lecteur envoie des messages midi à une ou plusieurs cartes de

décodage– Carte minimale : 16 sorties. Jusqu'à 64 sorties sur une carte– Cartes chainables (Midi-thru)

05/04/2014 70Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Page 71: Contrôle électronique d'un orgue de barbarie

Système midi pur (2)

• Config pour un orgue 27-29 notes :

Un lecteur (89€) + une carte 32 sorties (62€)

05/04/2014 71Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Page 72: Contrôle électronique d'un orgue de barbarie

Exemple 2 : PPCaP (1)

• Stockage individualisé et contrôle de vitesse fin– Carte à puce, 2 titres par carte, 32 notes contrôlées.

• A construire soi-même– Avoir un minimum de connaissances en électronique !

• Schémas et programmes gratuits• Base "open hardware" arduino

– Eventuellement réutilisable pour tout autre chose

• Prix de revient (orgue 27-29 notes)– Environ 50€ + cartes à puce (environ 1€/pièce)

• Principe – Format midi compacté (macro-évènements) sur cartes à mémoire

05/04/2014 72Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Page 73: Contrôle électronique d'un orgue de barbarie

PPCaP (2)• Un "shield" sur une carte arduino

Lecteur et programmateur / USB• Un soft sur PC

Programmation/gestion des cartes

+05/04/2014 73Retour de Manivelles – Sarlat – Pierre Pénard

Page 74: Contrôle électronique d'un orgue de barbarie

PPCaP (3)• Un "shield" sur une carte arduino

Lecteur et programmateur / USB• Un soft sur PC

Programmation/gestion des cartes

Principe identique aux cartons :

Un objet =

un morceau de musique

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• Merci !• Questions ?• Démo

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Quelques références (en vrac…)

• Midi manufacturers association : http://www.midi.org/

• Simon Lehmayr (lecteur midi) : http://www.lehmayr.de/e_mrmidi.htm

• Johan Liljencrants (réponse valves) : http://www.fonema.se/valvetime/valvetime.html

• Pascal Leray (orgues liturgiques) : http://pascal.leray.free.fr/projet/projet_don_orgue.html• GPTO (fabrication relais): http://gpto6.blog4ever.org/bobinage-relais

• PP (calculs relais) : http://orgue-de-barbarie.pagesperso-orange.fr/electrique.htm

• Arduino (site officiel) : http://www.arduino.cc/

• Distributeur de cartes arduino : http://www.semageek.com/

• Modules midi Orgautomatech : http://www.orgautomatech.com/• Construire ses modules midi : http://www.sonelec-musique.com/electronique_realisations_interfaces_midi.html

• PhD Colin Pykett/Robert Hope Jones : http://www.pykett.org.uk/HJ_OrganActions1889-1903.pdf

• Composants électroniques(1) : http://www.gotronic.fr/

• Composants électroniques(2) : http://www.conrad.fr/ce/

• Composants électroniques(3) : http://www.rs-particuliers.com/• ….

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