Ich wollte noch zusammenschreiben, wie es zu meinem Orgel-Midifizierungsprojekt kam und wie das Projekt so gelaufen ist:

Ausgangslage

Die Ausgangslage war eine Heimorgel (Marke Cantor, irgendwann vor 2000 gebaut) mit 2 Manualen (C-c4), Pedal (C-f1), 42 Registerwippen, 2 Schwellpedale und 10 Setzer (je mit LED), die ich sehr günstig gebraucht bekommen hatte. Die Pedale und Manuale sind soweit in einem guten Zustand, die (alte digitale) Klangerzeugung war hingegen nicht mehr so toll, einerseits klanglich andererseits waren schon ein paar Register kaputt (haben teilweise gar nicht funktioniert, teilweise extrem leise, teilweise mit Störgeräuschen).



Nachdem ich beim Öffnen und Reinigen bemerkt hatte, dass die Klangerzeugung schon digital und die Tasten/Schalter daher alle mit direkten Kontakten, angeschlossen über Flachbandkabel (Standardabstand von 2,54mm, die meisten 34-polig (2 Reihen á 17 Pins), manche 12- und 6-polig, falls jemand noch die alten IDE-Kabeln der früheren Festplatten kennt, genau solche Kabel), dachte ich mir, dass das gar nicht so abwegig sei, zu überlegen die Orgel damit zu midifizieren und mit Hauptwerk/GrandOrgue ein zweites Leben zu verpassen. Da das Instrument noch wirklich schön dasteht und auch v. a. die Pedale für eine Gebrauchte noch richtig gut funktionieren, fande ich das eine schöne Idee.

Hier die Rückseite der Registerwippen (sind auf einer Platine montiert und die Ausgänge mit einem Flachbandkabel angeschlossen, welches man einfach absteckt):



Dazu muss ich sagen, ich bin Informatiker, alles was erst einmal "im Computer" und mit Code steuerbar ist, ist meine Welt, ist für mich einfach, alles analoge und auch ICs und Mikrocontroller/Chips ist erstmal gar nicht meines... Also war das schon erst eine Herausforderung, vor welcher ich Respekt hatte. Das meiste geholfen hat hier tatsächlich die KI (hier nicht ChatGPT sondern Claude, aber im Grunde egal...), mit Vorschlägen wie das überhaupt geht, welche Mikrocontroller sich eignen und wie man das in C-Code programmieren könnte (ok, der Teil war für mich wieder einfach), aber vor allem, wie man alles miteinander verkabeln muss und warum. Ich habe auch explizit nach Lösungen gesucht, die kein Löten benötigen und ob so etwas überhaupt existiert und ja, wie sich herausgestellt hat, existiert das sehr wohl und ist auch weit verbreitet (sogenannte Breadboards mit Steckverbindungen, also nix Löten nur Stecken, das schaff ich auch).

Das heißt was war die Idee: Die Manuale/Pedale/Register/Setzer/Schweller mit ihren Kabeln (bzw. einzelnen Drähten) an einem Mikrocontroller anschließen und dann über Programmcode die gedrückten Tasten auslesen und per MIDI an den Computer schicken, der per USB am Mikrocontroller angeschlossen ist.

Plan

Das heißt, ich wollte dann die Machbarkeit überprüfen und grundsätzlich die Funktionsweise (und das MIDI-Spielverhalten) eines Mikrocontrollers testen. Was sich für so etwas normalerweise anbieten würde, wäre ein Arduino, geht auch bestimmt, aber die Empfehlung war dann, einen Teensy zu verwenden (sehr ähnlich im Grunde, der Teensy unterstützt aber schon nativ MIDI und dann ist das Programmieren noch einfacher). Ich benutze einen Teensy 4.1 (den gibt es mit vorgelöteten Pins, da muss man nichts selber löten, den habe ich natürlich genommen).

Für Nicht-Informatiker, bzw. -Elektroniker mag dieses Thema jetzt etwas kompliziert klingen, aber im Prinzip ist die Funktionsweise recht einfach: Der Mikrocontroller hat Pins an der Seite, die man entweder mit Spannung belegen kann (im Grunde ist das das analoge Pendant zur digitalen Welt, 0 heißt keine Spannung, 1 heißt 3V (bzw. 5V), kann man ganz einfach visualisieren oder sich vorstellen, wenn man eine kleine LED ansteckt, weil die leuchtet dann oder eben nicht: binär), oder die besagte Spannung in Daten umwandeln (also dass man dann 0 oder 1 auslesen kann; ehrlichgesagt hoffe ich das ist die richtige Ausdrucksweise, wie gesagt bin kein Elektroniker... aber im Grunde kommt es dann im Programm so an und man kann im Code abfragen, ob bei dem Pin gerade eine "1" oder "0" anliegt). Letzteres wird benutzt, um dann die Tasten/Register/Setzer abzufragen, eigentlich sehr einfach, wenn ein Register aktiviert ist oder eine Manual-/Pedal-taste gedrückt, wird der Kontakt im Taster kurzgeschlossen (der Kreis geschlossen) und es kann Strom fließen (wie ein Durchgangstester, also auf oder zu) und das merkt der Mikrocontroller. Fertig. Wenn der Mikrocontroller die ganzen Tasten die ganze Zeit in einer sogenannten Endlosschleife überprüft (also Taste 1 verbunden, ja/nein, Taste 2 verbunden, ja/nein...), habe ich ständig die aktuelle Information, was jemand auf den Manualen spielt. Wer sich jetzt wundert, dass das ja nacheinander abläuft und ob das schnell genug sei, dem sei gesagt: da der Mikrocontroller einen 600 MHz Prozessor hat geht das theoretisch 600 Mio Mal pro Sekunde, also mehr als schnell genug für jeden Orgelspieler (total überdimensioniert, in der Praxis würde > 10.000 mal / Sekunde völlig reichen).

Soweit so einfach. Das würde also heißen, man schließt die ganzen Tasten (bei der Orgel je Manual 61, 30 für das Pedal, 42 für die Registerwippen und 10 für die Setzer) an den Pins des Mikrocontrollers an (ja, das klingt nach viel Fleißarbeit und ist es auch) und kann dann alle Tasten abfragen, sich so einen Programmcode zusammenbauen und dann als MIDI-Gerät am USB anstecken. Das ganze dann noch in GrandOrgue konfigurieren. Fertig.

Naja, fast fertig. Das Problem ist jetzt, dass kein Mikrocontroller (den ich kenne) so viele Pins (61+61+30+42+10, also >= 204) hat. Das heißt, dazu muss man sich dann doch etwas mit ICs beschäftigen, sogenannten Schieberegister. Wen das im Detail interessiert, YouTube beschreibt das sehr gut, man kann nach Schieberegister (oder 74HC165, das ist der typische Typ für ein Lesendes) suchen. Im Grunde ist es ein Chip, der an der Seite 8 Eingangspins hat (und noch Spannungsversorgung und andere Spielereien) und 1 Ausgangspin, der die Daten seriell (einen Pin nach dem anderen: 1, 2, 3, ..., 8) ausliest. Das Ganze wird vom Mikrocontroller gesteuert (das genau zu beschreiben, würde jetzt etwas den Rahmen sprengen, wie gesagt YouTube zeigt das schön) und damit habe ich an einem Pin vom Mikrocontroller jetzt plötzlich 8 Eingänge zum Lesen. Oder noch besser, wenn ich mehrere ICs in Reihe schalte (ja, das geht), kann ich beliebig viele Pins mit einem einzigen Mikrocontroller-Pins auslesen. Ich könnte jetzt alles zusammen (I, II, P, Register, ...) aneinander hängen, aber habe stattdessen "IC-Gruppen" von 8 ICs je "Werk" definiert. Warum 8? Weil 8 * 8 = 64 und damit > 61. Das heißt ich habe eine Gruppe von ICs für Manual I, eines für II, usw. Das vom Pedal ist kleiner (nur 4, weil 4 * 8 > 30) und eine Gruppe liest noch die Register und Setzer aus. Aber wie gesagt, das ist eine Schönheitsoptimierung, man kann im Grunde die Tasten "irgendwie" auslesen und im Programmcode dann richtig zuordnen.

Woher wusste ich überhaupt, wie die Kabeln der "Werke" verdrahtet sind? Naja, das wusste ich nicht, das musste ich ausprobieren. Wer schonmal ein schickes Fatar-Manual im nichteingebauten Zustand in der Hand hatte, hat gemerkt, die haben auch so Flachbandkabeln, allerdings nicht so viele Pins wie meine Orgel. Das liegt daran, dass sie eine Schaltungs-Matrix verwenden, wie sie übrigens auch bei einer Computertastatur verwendet wird. Warum? Naja, damit man keine 61 Drähte hat sondern 16, also 8 * 8 (64 und damit < 61) (wenn mich nicht alles täuscht, hat die Fatar auch 8*8). Das wusste ich wie gesagt nicht, weil nur viele Pins bei den Kabeln rauskommen, aber wenn jetzt Tasten gedrückt werden, muss man ja noch testen, welche jeweiligen Pins zusammengeschaltet werden. Für die Schaltungs-Matrix gibt es auf YouTube auch schöne Erklärungen, aber bei mir waren es wie gesagt 61 einzelne Drähte (zwei 34er Flachbandkabel je Manual, eines für das Pedal) und ich musste die alle erstmal "irgendwie" am Mikrocontroller anschließen, die Verbindungen messen, das heißt mit einem Hilfsprogrammcode schauen, welche Pins verbunden werden, wenn ich die Tasten drücke (natürlich nacheinander vom C an aufwärts, damit man sieht, was was ist). Damit hat sich rausgestellt, welche die Masse-Pins sind. Ganz einfach: damit die Tasten verbunden werden, müssen ja zwei Drähte zusammengeschlossen werden. Jetzt könnte man je zwei Drähte pro Taste haben, aber dann hat man auf einmal 61 * 2, also 122 pro Werk oder viel besser man hat eine geteilte Masseverbindungen, welche sich alle teilen (oder wie in meinem Fall waren es 2, auch egal) und das Ganze kann der Mikrocontroller dann auslesen.

So, damit hatte sich raus gestellt, dass meine Orgel einzelne Pins je Taste verwendet (daher auch die 2 34-er Kabel pro Manual, weil mit einer 8*8-Matrix hätte ja eines locker gereicht). Einerseits ist das gut, weil einfacher im Programmcode, andererseits schlecht weil damit viel mehr Kabel zum Anstecken (61+2 statt 16).

Hier noch ein 34-er Flachbandkabel, bzw. -stecker, welcher mit den sogenannten Dupont-Verbindungskabeln angesteckt ist:



Umsetzung

Der Rest war dann nur noch Steckarbeit mit Hilfe dieser Breadboards. Hier mal ein Bild:



Ja, das sieht wüst aus wegen der vielen Jumper-Kabel, ist aber viel weniger schlimm, als es aussieht, ist im Grunde immer das gleiche Prinzip nur ganz oft wiederholt aufgrund der vielen Tasten. Das in der Mitte ist der Teensy, der auch mit USB angeschlossen ist; auf den weißen Boards oben und unten stecken die ICs drin. Tatsächlich lässt sich das deutlich verbessern, wenn man etwas professionellere Boards zum Löten oder gar angefertigte Platinen verwendet -- was auch die ideale Lösung wäre, etwas mit vorgefertigten Flachband-Steckern, in denen man das Ganze wie bei den gekauften Fatar-MIDI-Controllern nur anstecken muss. Die Widerstände am Rand werden von den ICs gebraucht, damit das "0", also "kein Tastendruck" richtig gedeutet wird (sonst gibt es so Störungen, wen das interessiert, wie gesagt YouTube, das war auch der Punkt, welcher mich etwas genervt hat, genau deshalb bin ich Informatiker und kein Elektroniker geworden, in der binären Welt gibt es solche Störartefakte nicht...).

Der restliche Programmierteil war dann (für mich) wieder einfacher. Die Tasten kommen an den Flachbandkabeln "irgendwie" raus, das heißt es ist nicht unbedingt Pin 1 das tiefe C, Pin 2 das Cis, usw. sondern halt nicht ganz vorhersehbar. Man könnte das Testen und dann in Reihenfolge richtig umstecken, aber das wäre viel zu viel Aufwand und daher wird das im Code erledigt, also welcher Pin welche Taste (und damit welcher MIDI-Code) ist. Das war dann viel schneller: alle Tasten der Reihe nach durchgedrückt, im Mikrocontroller geschaut, "wo es rauskommt" und das dann richtig zugeordnet (Code lässt sich für mich schneller sortieren als die vielen Kabel umgesteckt sind).

Und wie geht das mit den LEDs der Setzer? Im Grunde sehr ähnlich. Ich habe am Teensy noch genug Pins frei, dass man die alle direkt ansteuern könnte, aber das geht auch genauso über solche Schieberegister, das sind dann welche vom Typ 74HC595, im Grunde das gleiche nur "andersrum", d.h. 1 Pin-Eingang kann 8 Pin-Ausgänge steuern. Und damit kann man mit 2 ICs alle 10 LEDs ansteuern. In GrandOrgue/Hauptwerk kann man die MIDI-Signale als Output für die Setzer (oder auch für Register, wenn es Register-LEDs wären) definieren. Man könnte natürlich das ganze noch lustiger gestalten und die gesamte Setzer-Steuerung im Mikrocontroller-Code realisieren (dann schickt der Controller gleich die vor-gesetzten Register bei einem Setzerdruck), aber nachdem das GO/HW direkt kann, kann man sich das sparen...

Und ja, tatsächlich das war's. Der Mikrocontroller wird automatisch in GO erkannt, sobald man die Manuale und natürlich einzelnen Register zuweist, kann man spielen.

Einkaufsliste

- Teensy 4.1 Mikrocontroller (idealerweise mit vorgelöteten Headern (Pins))
- Breadboards
- Dupont-Verbindungskabel (versch. Längen, je male-male, male-female, female-female)
- Steckerleisten 2,54mm (braucht man nicht, macht aber das Einstecken in die Flachbandkabel leichter)
- Widerstände (von 10kOhm bis ~ 50kOhm, je 8 pro 74HC165)
- Schieberegister 74HC165 (Anzahl je nach Eingängen)
- Schieberegister 74HC595 (Anzahl je nach LEDs)
- Geduld und Zeit

Und noch was: wenn man diesen Post jetzt liest (und kein Elektroniker ist), möchte man jetzt denken das sei ein Ding der Unmöglichkeit, aber heutzutage -- KI sei Dank -- ist das wirklich für jeden machbar, wenn man die nötige Geduld mitbringt. Wirklich, wie gesagt, vor ein paar Wochen hatte ich von diesen Chips und Prozessoren auch keine Ahnung und hätte nie gedacht, dass das klappt, aber die KI erklärt das alles geduldig und fertigt auch die Pläne an und erklärt das einem so oft und mit so einem Detailgrad, wie man möchte. Damit möchte ich die Leute wirklich ermutigen, selbst so etwas mal zu wagen, vielleicht auch wenn man ein altes (evtl. kaputtes) Instrument zur Verfügung hat.

Und wer tatsächlich bis hierher gelesen hat, vielen Dank für's Lesen. Euch allen ein gesegnetes Osterfest!

und nochmal ein riesengroßes WAU...

Was mich allerdings wirklich wundert,
dass die Orgel digitale Klangerzeugung hat - aber keine midi-Anschlüsse ?

für Freunde des bewegten Bildes empfehle ich:

Zitat von AS@Norden im Beitrag #2

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dass die Orgel digitale Klangerzeugung hat - aber keine midi-Anschlüsse ?

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