Nano Ardule MIDI Controller: 설계 요약 문서

• 작성자: 정해영
• 최초 작성일: 2025년 8월 5일
• 최종 수정일: — Haeyoung Jeong 2025/08/26 08:37

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별도의 조절 장치를 갖고 있지 않은 GM sound module의 활용도를 높이기 위한 Arduino Nano 기반의 MIDI Controller(Nano Ardule)를 제작한다. Ardule은 Arduino + Module의 합성어이며, 프랑스어로 ‘어려운’(arduous)이라는 뜻도 갖고 있다. 2개 프로그램의 layer/split이 가능하며, 음색 설정을 user program/combi 형태로 microSD 카드에 저장하고 로드할 수 있다. 또한 카드에 저장된 type 0 MIDI 파일을 재생하는 기능도 갖고 있다. 이 프로젝트는 GM 명령어를 공부하고 아두이노의 활용법을 익히기 위한 목적도 있다.

• 주 제어부: Arduino Nano 호환 보드 (CH341 드라이버 필요)
• 출력 대상: SAM9703 도터보드 장착 사운드 모듈 (GM 사운드 모듈이라면 제한 없음)
• 저장장치: microSD 카드 (user program, combi, global settings, Type 0 MIDI 파일 저장)
• 디스플레이: 1602 I2C LCD (백라이트 포함, 파일럿 LED 불필요)
• 입력 장치:
  • MIDI IN (외부 키보드 컨트롤러에서 입력)
  • Rotary Encoder 1개 (푸시 버튼 내장)
  • 기타 푸시버튼 6개:
    • PART SELECT
    • SPLIT
    • LOAD (+)
    • SAVE (-)
    • PLAY/PAUSE
    • STOP/EXIT
• 출력 장치:
  • MIDI Activity LED 1개
  • 활성화 파트 표시 LED 3개 (A, B, Drums)
  • MIDI OUT (TX → DIN connector)

• 키보드(CH1 출력) 또는 MIDI 인터페이스의 MIDI OUT → Ardule의 MIDI IN 연결
• Ardule의 MIDI OUT → GM 사운드 모듈의 MIDI IN 연결
• 전원 On 시 PART A LED 점등. 기본 악기는 Part A: GM #0(어쿠스틱 그랜드 피아노), Part B: 스트링 앙상블이고 Part A로만 MIDI IN 신호가 흘러나감
• 로터리 인코더를 돌려서 볼륨 조절
• 인코더 버튼을 누르면 'Program Change' 진입. 인코더를 돌려서 원하는 프로그램을 선택 후 STOP/EXIT 버튼을 눌러 복귀.
  • 변경값은 회전 멈춘 후 0.2초 뒤 전송됨 (LCD에 전송 완료 표시)
  • Program Select 상태에서 PART SELECT 버튼을 울러 A → B → CH10 → A로 순환 가능
• LOAD 버튼 → 저장된 프로그램 로드. 인코더로 선택, STOP/EXIT으로 복귀
• PART A 또는 B만 선택된 상태에서 LOAD → UsrPrg## 목록에서만 선택 가능
• (Single mode) PART SELECT 버튼을 눌러 순환: A → B → D → A… (A+B 시 LED 동시 점등)
  • A = CH 1, B = CH 2, D(Drums) = CH 10
• (Multi mode) Split 버튼을 누르면 순환: A+B(layering) → A/B (splitting) → A+B…
• PLAY/PAUSE + STOP/EXIT 동시 누름 → Transpose 설정 진입

• PART A, B, DRUMS 중 하나만 선택된 상태에서 편집 가능
• 인코더 버튼을 짧게 누르면 편집 모드로 들어감. 반복하여 누르면 다음 파라미터 순환(볼드체는 우선적으로 구현할 것):
  • Program Change
  • Bank Select LSB (CC#32)
  • Reverb (CC#91)
  • Chorus (CC#93)
  • Pan (CC#10)
  • Cutoff Frequency or brightness (CC#74)
  • Resonance (CC#71)
  • Modulation (CC#1)
  • Attack (CC#73) / Release (CC#72)
• 인코더 회전으로 값 변경, STOP/EXIT으로 복귀
• 볼륨은 편집 모드에서는 조정 대상 아님, 그러나 저장 시 함께 기록됨
• 편집 모드에서는 인코더, LOAD(+), SAVE(-), STOP/EXIT 버튼만 작동하는 것이 원칙이며, PART SELECT 버튼을 눌러서 A ↔ B ↔ Cha 10의 동일한 조정 레벨로 이동하는 것은 가능함
• SAVE → UsrPrg00~99 저장. 인코더로 번호 선택, 덮어쓰기 시 확인 메시지 표시
• PART A와 B 설정 후 A+B 활성화 → UsrCmb00~99로 저장 가능
• PART SELECT 버튼 길게 누르기: 모든 노트를 끄고(기본적으로 그렇게 함) 현재 Ardule의 모든 설정을 MIDI OUT으로 일시에 보내고 PART A 선택 상태로 만듦

GM/GS/XG 모듈의 음색(Program Change, Drum Kit 등)을 탐색하고 선택하기 위한 사용자 인터페이스임. 최초 계획 단계에서는 없었으나, ChatGPT와 대화하면서 이를 구체화하기 시작함. 설계 개념은 여기를 참조할 것.

• 모드 진입: A 또는 B part가 선택된 상태에서 엔코더 버튼을 길게 누름
• Family를 먼저 선택(예: Piano)
• Program 선택(GM 기본 PC 번호 0~7)
• Extension 선택(GS variation; Bank LSB 값)

이런 방식으로 하는 것이 단지 3 가지의 숫자를 설정하여 전송하는 것보다는 더 음악적이다. 실제로는 MSB=0, LSB=Variation 값, PC=Program 번호로 변환되어 전송된다.

• SPLIT 버튼 → 중앙 C 기준으로 A/B 영역 나눔. 중앙 C는 B(upper zone)의 시작 위치가 됨.
• 인코더 조작 순서:
  • Split point 선택
  • Lower octave 조절
  • Upper octave 조절
  • Lower volume
  • Upper volume
• SAVE 버튼 → 현재 SPLIT 상태를 UsrCmb로 저장
• STOP/EXIT → 복귀

• PLAY/PAUSE 버튼 → microSD 카드 /SONGS/INDEX.TXT를 읽어서 Type 0 MIDI 파일의 이름을 하나씩 확인
• 파일명: 8.3 (최대 100곡?)
• 인코더로 곡 선택, PLAY/PAUSE로 재생 시작
• 재생 중 PLAY/PAUSE → 일시 정지/재개, STOP → 처음으로 되돌림
• 다음 곡 자동 재생 여부는 Global Settings에서 설정
• 재생 중 키보드 입력은 CH14 (PART A), CH15 (PART B), CH10 (DRUMS)로 리매핑
• STOP 후 다른 버튼 누르면 원래 상태로 복귀. 파트 설정은 복원됨

드럼 패턴 자동 분할·병합 및 8.3 리네이밍

• 저장 위치: EEPROM
• 진입 방법: SPLIT 버튼 누른 상태로 전원 On
• 설정 방법:
  • 인코더 버튼 → 카테고리 전환
  • 인코더 회전 → 값 조절
• 설정 항목 (기본값):
  1. Part A default instrument: [0]
  2. Part B default instrument: [48]
  3. Part A channel: [1] (1~9, 11~16)
  4. Part B channel: [2] (1~9, 11~16)
  5. Alternative Part A channel: [14]
  6. Alternative Part B channel: [15]
  7. 인코더 대기 시간(초): [0.2] (0.1~1.0)
  8. MIDI file 정지 시 리와인드: [Y]
  9. MIDI file 연속 재생: [N]
  10. 곡 간 정지 시간(초): [5] (0~10)
  11. Dump settings to microSD card: [N]

• EXIT 버튼 → 초기 상태로 복귀

74HC595 시프트레지스터 IC를 쓰지 않는 조건으로 설계했기 때문에 아두이노 나노의 모든 핀이 다 쓰이고 있다.

• D0/D1 (RX/TX): MIDI IN/OUT으로 사용할 수 있지만, USB 시리얼 통신과 공유되므로, 점퍼 헤더를 중간에 넣어서 업로드 때에는 연결을 끊고 업로드 후 다시 연결하는 방식으로 사용.
• SPI (D10–D13): microSD 카드에 적합하게 잘 배정됨.
• A4/A5: I²C LCD에 올바르게 사용됨.
• A6: 입력 전용 아날로그 핀이므로 버튼용으로 적절. 반드시 풀업 저항을 연결해야 함. 본 프로젝트에서는 10K 사용.

• USB로 전원을 공급하면 Nano의 5V 핀으로 그대로 전달되는데, PC의 USB 포트 허용치(일반적으로 500mA) 이내로 제한된다.
  • 이 상태에서 Vin에서 뜨는 약 4V의 전압은 역누설 때문에 생기는 '유령 전압'이라서 실제로 전류 공급이 불가하다.
• 외부 어댑터의 5V를 쓰려면 아두이노 나노의 5V 핀에 넣으면 된다. 단, 안정적인 5V여야 하며, USB와 동시 연결하면 전원이 충돌하거나 역전류가 발생할 수 있으므로 주의해야 한다.
• 외부 5V 어댑터로 작동하는 경우 어댑터 커넥터 옆의 분배 스타노드에 메인 벌크(470-1000uF 전해)를 두면 전압 안정에 도움이 된다. 각 모듈 근처에는 로컬을 보강하기 위하여 4.7-47uF 전해 + 세라믹 100nF를 연결한다.
• Vin으로 공급되는 전원은 레귤레이터를 거쳐 5V로 전환된다. 따라서 5V보다는 높아야 하며, 온보드 레귤레이터의 전류 제한에 유의해야 한다.
• 일반 LED는 저항 포함 시 5~10mA로도 충분히 밝다. 단순 ON/OFF만 한다면 아두이노 나노 출력핀에서 저항을 직렬로 넣은 뒤 LED를 구동해도 좋다. 많은 예제에서 220Ω을 사용하는데, 실내에서 지시등 목적이라면 470 Ω~1 kΩ(2-4mA)로도 충분히 밝다.
  • ATmega328P 권장 핀당 ≤ ~20 mA (절대최대 40 mA)

[5V 안정화 어댑터 or DC-DC Step-down] → (전원 분배)
                                         ├── Arduino Nano 5V 핀
                                         ├── LCD 모듈
                                         ├── microSD 모듈
                                         └── LED, 센서 등

https://rheingoldheavy.com/bypass-capacitors/

• 74HC595의 Vcc-GND에 리드를 최대한 짧게 하여 100nF 세라믹 커페시터 배치
• 전원 안정화 목적의 커패시터 배치 요령은 위에서 설명하였음

• 인코더 출력(CLK→D2, DT→D3)은 아두이노 나노의 디지털 입력핀에 직접 넣지 않고 74HC14 슈미트 트리거를 통과하여 넣었다. 남는 게이트의 입력핀은 Vcc로 묶는다.

opto-isolator는 PC900을 사용하였다. 아래 회로도에서는 표시하지 않았으나 PC900의 6번핀(+5V)과 그라운드 사이에 바이패스 커패시터를 연결해 놓았다. 스케치 업로드 시에는 RX/TX로 연결되는 회로를 끊어야 PC와 아두이노 나노 사이에 시리얼 통신이 원활하게 진행된다(점퍼 처리).

5핀 DIN MIDI 커넥터에서 실제 신호가 왕복하는 핀은 다음의 두 개이다. 2번 핀은 케이블 쉴드 접지용이고, 1과 3은 쓰지 않는다.

• Pin 4: MIDI Current Source (+5 V 쪽)
• Pin 5: MIDI Current Sink (Signal)

2025년 8월 26일 현재 MIDI in 회로가 제대로 작동하지 않는다. 허, 돌아버리겠다. 이미 DREAM SAM9703 도터보드 작동을 위해 만들어서 잘 작동함을 입증한 회로인데…(증거물) 8월 27일, 만능기판 뒤 패드 사이를 잘 긁어내고 에탄올로 세척하여 문제를 해결하였다!

일부 회로/쉴드(특히 6N138 다알링턴 출력용)에서 220–330 Ω을 쓰는 예가 있지만, PC900은 디지털(오픈콜렉터) 타입이라 그렇게 낮추면 싱크 전류가 과다해져서 동작이 불안정해지거나 스펙을 초과한다고 한다.

• 수신 옵토가 PC900V, 수신 전원 5V(=VRX), 규격에 충실한 MIDI IN 표준 회로일 때 RD=280Ω 권장. 에지를 빠르게 해 rise/fall을 2µs 이하로 맞추기 쉽다고 한다. 그러나 챗GPT는 이 저항이 너무 낮나고 한다.
• 280 Ω로도 “될 수는” 있지만, PC900류에겐 전류 여유가 거의 없음
• 1 kΩ 전후 + 74HC14 구성이 신뢰성과 수명, 호환성 면에서 가장 안전
• 74HC14를 쓰지 않는다면 2.2 kΩ ~ 4.7 kΩ → 전류도 적당, 파형도 충분히 빠름
• 만약 6N138이라면 220–330 Ω이 관행이지만, 그 경우도 전류/발열을 반드시 확인해야 함

MIDI IN 신호 처리 회로 점검 가이드

• PC900V 데이터시트
• A schematic for a MIDI Adapter designed to work with the Sound Blaster joystick
• SAM9703 데이터시트

• CleanWave32 ROM(GMS973201B for SAM9407) 데이터시트cleanwave_32_sound_variations.xlsx - 나의 SAM9703 보드에 장착된 사운드 롬은 GMS963200-B임
• Arduino Nano pinout: 출처 공식 웹사이트의 자료

• Roland GS Variation Table
• MMA MIDI 1.0 Electrical Specification