Interfaces para la sincronización de audio e iluminación

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(1)TECNOLOGICO DE MONTERREY _. Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey Campus Ciudad de México División de Ingeniería y Arquitectura. Ingeniería en Mecatrónica Departamento de Jngenicría Mecatrónica. Interfaces para la sincronización de audio e iluminación. Rolwrto Malvido Mijan•s Ángel Rodríguez Hernúndez. Edgar Ornar Ló¡wz. lvl(xico D. F. ma:vo de 2011.

(2) (). ÍNDICE ... 1. Capítulo 1 INTRODUCCIÓN .... .. ... ....... 1. 1.1. Antecedentes ................. .. 1.2. Definición del Problema.. ....... 4. 1.3. Objetivos............. .5. 1.4. Justificación .... .. 1.5. Alcances .............. .. ... ........... ..... .. ..... 6. .7. 1.6 Metodología ....... .. . ... 9. 1.7 Modalidades ..... .. . ..... 10 ..... 11. Capítulo2 MARCO TEÓRICO .............. . 2.1 Modalidad Autónoma. ...... 11. 2.1.1 Introducción. 2.1.2 Estado del Arte ......................................... 12 2.1.3 Diseño ....................... ............. ...... 22 2.1.4 MPL .... .26. 2.1.5 VDIP2 ...................................................... 28 2.2 Modalidad Manual 2 .2 .1 Introducción .... .... 36. 2.2.2 Estado del Arte. ..... 37. 2.2.3 Diseño ............... .. . ... 44. 2.2.4 MIDI. ....................................................... 47 2.2.5 Optoacoplador ............... .... ........... ............. 58 2.2.6 Interfaz ................................................... 61 2.2.7 Actuador ........................ .......................... 64. Capítulo 3 DESARROLLO Y RESULTADOS ............ ..... . . 3.1 Modalidad Autónoma....... .... .... .... .... ..... . ......... 70 . ...... 70. 3.2 Modalidad Manual ........... .. ....... ........................ . ...... 75 3.3 Resultados.. ........... ......... Capítulo 4 CONCLUSIÓN.... .......................... 4.1 Reflexión y Aprendizaje 4.2 Trabajo a Futuro .. Bibliografía ...... . ............ ..... ... ........ 80 ............ ............. 84 ... 84 ...... 87. ................... 89.

(3) Capítulo 1 Introducción al Proyecto. 1.1 Antecedentes. Las metodologías de diseño mecatrónico sugieren identificar oportunidades de mercado, o bien megatendencias, para detectar necesidades y problemáticas. existentes. Con el. objetivo de establecer áreas de oportunidad para satisfacer necesidades según categorías específicas antes de comenzar un proyecto. Bajo la premisa establecida se seleccionó la megatendencia de virtualidad en la vida cotidiana para determinar la semilla o el tronco común del proyecto. Dicha tendencia se apega a nuestro interés debido a que conlleva negocios, desarrollo tecnológico, productos y servicios enfocados al entretenimiento, expresión artística, inteligencia artificial e interfaces inteligentes entre otros campos. Por otra parte, el economista Manfred Max Neef, en su tesis Desarrollo a Escala Humana, define una matriz con 9 necesidades humanas básicas (Desarrollo a Escala Humana,1998). Dentro de éstas destacan las necesidades de creación y ocio para la megatendencia en cuestión. Una vez determinado el campo de oportunidad se tuvo la fortuna de aumentar el alcance de proyecto, al incorporarlo al mundo profesional. Por lo tanto el presente proyecto representa nuestra transición del mundo académico al profesional..

(4) 1. El ingeniero Roberto Malvaez es fundador de la empresa Sin Límites, representante exclusivo en México de las empresas SUNLITE, MADRIX y DMXIS que manejan controladores computarizados para el protocolo DMX (Digital Multiplex), MIDI (Musical lnstrument Digital Interface) y DVI (Digital Visual Interface) (Sin Límites, S.A. de C.V., 2010). Con 35 años de experiencia en audio e iluminación, el ingeniero Malvaez ha participado en conferencias y seminarios internacionales relacionados a la luminotecnia, ha realizado el control y gestión de iluminación para espectáculos, teatro, edificios corporativos, sitios arqueológicos, discotecas, instalaciones y parques de diversiones entre otros campos de aplicación. Tiene un contacto cercano con sus clientes por lo que puede detectar las necesidades actuales dentro del mercado de controladores de iluminación y audio. A través de nuestro asesor inicial Roberto Malvaez se nos presentó la oportunidad de aplicar nuestras habilidades de diseño e innovación para satisfacer una necesidad real en el mundo del entretenimiento. Dentro de las especificaciones de la empresa Sin Límites, se nos presentó el reto de diseñar una interfaz de audio e iluminación que garantice sincronía total de manera automática. Según el ingeniero Malvaez no existe una interfaz de audio e iluminación que no dependa de un software, computadora. u operador.. Existen. alternativas para solucionar el problema de sincronización total, sin embargo el objetivo de la empresa es presentar una nueva alternativa al mercado de interfaces de audio e iluminación. Una interfaz innovadora que logre evitar el mayor número de componentes y sistemas existentes en las soluciones actuales para presentar una alternativa más económica, portátil, fácil de operar, con modalidad automática y manual. La propuesta de.

(5) ·'' valor aumenta cuando integramos nuestro interés por la expresión artística y lo plasmamos en nuestro diseño innovador que no solamente cubre una necesidad, sino que abre el campo de oportunidad al extender las aplicaciones posibles. Para ello se consideró crear una interfaz de audio e iluminación que reconozca tanto formatos de audio mp3 como protocolos de comunicación MIDI. Pat Metheny es un guitarrista de jazz estadounidense contemporáneo que logró mezclar la ingeniería mecatrónica con la música para llevar acabo su obra maestra Orchestrion en el 2008. Con la ayuda de gatillos de solenoides y un equipo de alto desempeño, el artista logró controlar a través de su guitarra eléctrica una orquesta real robótica que hace armonía con sus melodías; tocando pianos, vibráfonos, percusiones, guitarras, baterías, marimbas, bajos, y flautas luminosas entre otros instrumentos más de la inmensa orquesta. Cada señal de la guitarra sirve como instrucción para disparar solenoides que actúan directamente sobre los instrumentos a través de mecanismos simples (Pat Metheny, 2010). Sin embargo, tanto el procesamiento de señales como la transmisión y ejecución de comandos necesita de un software con aplicaciones para el funcionamiento correcto, preciso y controlado de la orquesta robótica. Con la influencia de un gran artista se fue moldeando nuestra aportación a la empresa Sin Límites, incorporando reconocimiento de audio y MIDI para tener aplicaciones que abarquen actividades de entretenimiento como el control de luz y sonido en museos, salones, conciertos, presentaciones, ejecuciones artísticas musicales contemporáneas y demás. La necesidad de la empresa Sin Límites por ofrecer al mercado de luminotecnia una nueva manera de sincronizar escenas de luces con audio se entrelazó.

(6) con nuestra necesidad por innovar y diseñar interfaces que conlleven conocimientos mecatrónicos y soluciones eficientes para el cliente.. 1.2 Definición del Problema. En la actualidad existen productos vía software destinados a controlar y sincronizar sistemas de iluminación con audio, sin embargo es necesario contar con una computadora y un operador para garantizar sincronías audiovisuales. Por otra parte existe una demanda en el mundo artístico, específicamente el musical, de espacios y herramientas que brinden nuevas formas de expresión. Con las dos necesidades planteadas previamente se pretende construir y diseñar una interfaz de audio e iluminación autónoma y otra manual. La modalidad autónoma ofrece el servicio de programar previamente secuencias de luces vía software y coordinar los cambios de dichas secuencias vía hardware, para que se den los cambios de escenas de luces de manera autónoma sin depender de una computadora o un operador especializado. La modalidad manual ofrece una interfaz capaz de reconocer mensajes MIDI provenientes de cualquier instrumento que hable este lenguaje. Con la intensión de brindar un nuevo espacio creativo a los músicos contemporáneos. Esto implica poder controlar cualquier instrumento de percusión mediante un instrumento que genere comandos MIDI, ya sea un teclado, sintetizador, guitarra, saxofón, etc., y generar la secuencia de luces en tiempo real sin tener que programar módulos previamente. Implica.

(7) brindarle al músico la oportunidad de manipular escenas de luces, motores o cualquier tipo de acción a partir de su instrumento MIDI.. 1.3 Objetivos. 1.3.1 Objetivo General. Crear interfaces de audio e iluminación capaces de leer archivos de audio y mensajes MIDI para disparar escenas de iluminación previamente programadas en un controlador externo existente, con el objetivo de asegurar la sincronía total entre archivos de audio y sistemas de iluminación vía hardware.. 1.3.2 Objetivos Específicos. o. Lograr que un microcontrolador almacene/lea archivos de audio. o. Lograr que el microcontrolador escriba en el archivo de audio las marcas necesarias para disparar las secuencias de iluminación preestablecidas de manera externa vía software. o. Una vez que los indicadores de disparo (marcas) se encuentren embebidos en el archivo de audio, lograr la conmutación de interruptores de contacto seco para encender o apagar luces a través de un controlador externo.

(8) Construir un prototipo capaz de generar marcas en los archivos de audio mientras se reproducen; utilizando pantallas y/o botones para originar las marcas y reproducción de audio o. Contar con una señal de "line-out" para poder escuchar la reproducción de audio, al igual que la salida general que se comunicará con un controlador externo para generar finalmente comandos DMX que controlen el sistema de luces. u. Lograr que un microcontrolador reciba comandos MIDI, los interprete y tome las decisiones necesarias para controlar cualquier tipo de salida, sean luces o actuadores, para brindar un espacio de creación artística. 1.4 Justificación. El prototipo con la modalidad autónoma de nuestras interfaces se pretende vender a la empresa Sin Límites, ya que existe la necesidad por parte del ingeniero Roberto Malvaez de conseguir un diseño funcional que sincronice la iluminación con audio vía hardware. Esta modalidad se justifica por el simple hecho de tener una demanda actual. Por otra parte, el prototipo con la modalidad manual (MIDI) se justifica con un enfoque más artístico. A continuación explicaremos la influencia que originó la idea de contar con una modalidad manual: Sigur Rós es un grupo de rock islandés contemporáneo que cuenta con elementos musicales minimalistas, ya que son abstractos, sencillos y elegantes con sus.

(9) 7 melodías experimentales. Esta banda representa de manera artística el concepto de innovación, presente en la mayoría de los proyectos del Instituto Tecnológico y de Estudios. Superiores. de. Monterrey. (ITESM);. mezclando. guitarras. eléctricas. retroalimentadas, violes, marimbas, xilófonos, bajo, batería, percusiones, piano miniatura, sintetizadores, guitarras acústicas y banjos, entre muchos otros instrumentos orgánicos que crean sinergia musical cada vez que los armonizar.. Además de crear y ejecutar la música en sus originales conciertos y estudios de grabación, cada vez que los integrantes de Sigur Rós se reúnen, hablan con sus vastos instrumentos creando un lenguaje a través del tono, timbre e intensidad de éstos. Hacia dicho lenguaje ficticio y simbólico se enfoca gran parte del presente proyecto de ingeniería, en el contexto artístico de presentar una comunicación musical diferente, para combinar las herramientas aprendidas en la mecatrónica con gustos personales.. 1.5 Alcances. El prototipo con la modalidad autónoma se pretende vender y con los ingresos generados se pretende acondicionar el prototipo y agregarle modalidades para seguir diseñando y creando interfaces autónomas. Se puede dirigir el prototipo y diseño para la aplicación de audio e iluminación en museos contemporáneos, eventos privados y eventos publicitarios entre la gran gama de aplicaciones posibles..

(10) En cuanto al alcance del prototipo con modalidad manual existen estudios de música y colectivos de artistas en México ansiosos por probar el espacio de creación alterno con el prototipo funcional. Entre ellos destaca el estudio de Luis Gil, encargado de la traducción de películas para Disney, el colectivo de artistas Pedro y el Lobo, que quiere adquirir el prototipo para la publicidad de su esencia y propuesta de valor, y muchos estudios de grabación interesados como Kiwi Studios, Fatman Studios y The 1AM Collective en Vancouver, Canadá. El inventor estadounidense Ray Kursweil ha sido descrito como un genio sin descanso. Es uno de los emprendedores más exitosos del mundo, ya que posiciona en el mercado. productos y servicios con desarrollo tecnológico.. El guitarrista. de jazz. previamente mencionado, Pat Metheny, admira a Kursweil por su visión y manera de justificar los proyectos, indicando las maneras importantes a través de la historia que nuevas herramientas nos han permitido extender nuestro alcance (Kurzweil Technologies, 2008). Nosotros contamos con las herramientas académicas aprendidas en la ingeniería mecatrónica además de las pasiones extracurriculares que hacen sinergia para el desarrollo tecnológico de productos y servicios. Y es nuestra responsabilidad generar un producto que tenga alcances construidos con la retroalimentación del cliente. Es decir, durante el proceso y desarrollo de nuestras interfaces tenemos en mente considerar la participación activa de la empresa Sin Límites y de artistas que aporten ideas para generar productos diseñados por y para el cliente. Tenemos la limitante de reconocer archivos mp3 y mensajes MIDI para controlar interfaces externas que utilizan protocolos DMX para controlar luces. No está en nuestro.

(11) l). alcance manipular directamente los mensajes DMX para controlar de manera directa las luces. Por ende nos limitamos a reconocer archivos de audio y protocolos de instrumentos digitales. y. accionar. transductores. que. envíen. la. señal. a. diferentes. módulos. independientes de nuestro proyecto.. 1.6 Metodología. Diseño de modalidad autónomo:. Garantizar la reproducción de audio a través de una memoria externa que contenga archivos mp3 o. Extraer la información del archivo mp3 desde una memoria externa y poder leer el contenido del archivo con un microcontrolador. '.J. Mediante el comando de pausa del reproductor mp3, ingeniarnos para establecer etiquetas que sirvan como marcas para controlar los cambios secuenciales de luces Verificar que las marcas disparen los cambios secuenciales en un controlador externo. Diseño de modalidad en vivo:. n. Garantizar la comunicación MIDI de un instrumento con un microcontrolador.

(12) 1(). ~>. Activar LEDs que simbolicen la comunicación efectiva del instrumento con el microcontrolador, con el objetivo de demostrar que éste toma acciones bajo las peticiones del instrumento. o. Una vez establecida la comunicación efectiva MIDI, determinar el alcance a futuro con la participación constante de la empresa Sin Límites. l. 7 Modalidades. Suele parecer confuso el término de modalidades, sin embargo es importante dividir el proyecto en modalidades, ya que cada una cuenta con ramas propias que pueden extenderse en los mercados del entretenimiento. Ambas modalidades tienen el mismo tronco común, son interfaces de audio e iluminación que se enfocan al mundo de la creación. y entretenimiento.. Sin embargo para. poder distinguir las. modalidades. describiremos en concreto la esencia de cada modalidad:. Modalidad Autónoma - Representa la necesidad actual de la empresa Sin Límites. Se encarga de reconocer archivos de audio mp3 y editar etiquetas (directamente con la intervención del usuario) que se encargarán de disparar las diferentes escenas de luces almacenadas en interfaces externas ya existentes y comercializadas por la misma empresa..

(13) 11. Modalidad Manual - Representa una extensión de aplicaciones en las interfaces de la empresa Sin Límites, ya que se encarga de reconocer mensajes MIDI, provenientes de instrumentos musicales o programas de edición MIDI, y ejecutarlos..

(14) 12. Capítulo 2 Marco Teórico. 2.1 MODALIDAD AUTÓNOMA 2.1.1 Introducción. La modalidad autónoma es un proyecto con un nicho de mercado ya preestablecido y con las necesidades bien definidas que ayudarán a darle cuerpo a este prototipo y a sus diferentes metodologías de diseño que se podrían desarrollar para el mercado de audio e iluminación y que se ajusta sin ningún problema a las especificaciones del cliente Roberto Malvaez.. En esta modalidad el esqueleto del diseño lleva ciertas normas a seguir, que son necesarias de cubrir para que el dispositivo sea acoplado satisfactoriamente a las interfaces de luz DMX. Así como una señal de "line-out" para poder escuchar la reproducción de audio, y como anexos se contará con una pantalla LCD que muestre la información del archivo de audio en reproducción junto con un teclado de mando para poder interactuar con el dispositivo de manera fácil y eficiente.. El nicho de venta para este proyecto es muy extenso ya que por la versatilidad. que. presenta. el. hecho de. poder manipular (sin. necesidad. de. una.

(15) 13 computadora o una persona especializada) las diferentes escenas de luz y sonido de manera autónoma, sin que exista un desfase entre ellas, nos permite englobar un mercado dirigido a las empresas que se dedican al entretenimiento, como conciertos y presentaciones, así como algunos museos que desean instalar estos dispositivos para que exista una interacción completa con los escenarios que presentan en sus exposiciones de multimedia. La modalidad autónoma representa la mayoría del proyecto presente, es la necesidad real comercial y empresarial la que nos obliga a dedicar la mayor parte posible del ciclo de vida del proyecto a ella.. 2.1.2 Estado del Arte. En el mundo de iluminación autónoma, la empresa Sunlite maneja interfaces USBDMX, las cuáles tienen bastante éxito en el mundo de la luminotecnia. A este rango se le añaden nuevas interfaces Stand Alone DMX, que te permiten interactuar vía Ethernet con la interfaz a partir de un software. El software Easy Stand Alone ha sido diseñado para usuarios que buscan total facilidad de uso, además de que ofrece una amplia gama de ventajas, abriendo puertas a muchas aplicaciones como por ejemplo aplicaciones autónomas que se aplican en shows y edificios, generando así un ambiente de audio e iluminación para el espectador de manera autónoma..

(16) 1-+ En modo autónomo, una vez comenzado un show, se pueden elegir escenas en orden secuencial al presionar botones de anterior y siguiente en la interfaz, vía puertos 1/0 externos o puertos de contacto seco, con los cuales se pueden disparar hasta 255 escenas individuales. En la siguiente figura 1 podemos apreciar la interfaz física de Sunlite junto con el software Easy Stand Alone, que en conjunto logran una armonía de iluminación autónoma.. ... + 1nte rfa se USB - OMX. Eas¡ Stand .41one software. Fuente: http://www.nicolaudie.com/big/brochure.html. Figura 1. Dentro de la gran versatilidad que contiene el software de Sunlite, existe una herramienta para el control LIVE llamada easy console, la cual permite al usuario conectar al software cualquier controlador MIDI y asignarle un número de características. Con esta herramienta es posible controlar la velocidad o el tamaño de una secuencia, brincar de una página a otra, seleccionar un botón en particular y congelar todos los.

(17) ]-i. canales DMX entre otras funciones. Una vez que el show ha sido programado con el software es muy fácil asignar al controlador MIDI facies y botones.. La empresa Sin Límites S.A. de C.V. ha utilizado estas interfaces para lograr grandes shows de iluminación autónomos que permiten apreciar el gran alcance que tiene el uso de los mismos, uno de los trabaJOS más grande hecho por Sin Límites fue el show de luces para la zona arqueológica de Edzna en Campeche, donde el show constaba de juegos de luces que iluminan las pirámides al ritmo de la música, sin embargo para lograr este proyecto es necesario tener una computadora destinada completamente al manejo de la interfa1 de luces así como un operador altamente capacitado ya que cualquier descontrol puede plasmarse en el desfasamiento del sistema autónomo, en la Figura 2 se muestra un poco del trabajo realizado por Sin Límites.. Fuente: http://zorombas.blogspot.com/2009 02 01 archive.html Figura 2.

(18) ](i. Dentro de la familia de Sunlite podemos encontrar la interfaz S.T.I.C.K. {Teclado Inteligente de Control Sunlite sensible al Tacto, por sus siglas en inglés) está perfectamente adecuado para adherirse a las necesidades futuras de la iluminación arquitectónica y tiende a convertirse en un nuevo estándar mundial. Este controlador. DMX completamente autónomo se puede montar directamente en la pared y es la solución perfecta para proyectos de control de iluminación interior. Además de un diseño novedoso, el producto incluye especificaciones asombrosas {1024 canales DMX, panel sensible al tacto, calendario/reloj, control remoto). La interfaz S.T.I.C.K. es completamente programable usando el software Easy Stand Alone. Con un poco de creatividad y manejo de las interfaces DMX y S.T.I.C.K. podemos desarrollar proyectos realmente elaborados con una imagen innovadora y fresca. La interfaz S.T.I.C.K. tiene como enfoque el diseño autónomo en el campo de la domótica, logrando con ello acaparar el mercado de los usuarios comunes que desean iluminar sus casas, departamentos, fuentes y albercas entre muchas opciones.. + Interfase USE - [lt,IX. Fuente: http://www.nicolaudie.com/big/brochure.html Figura 3.

(19) 17. Además de las interfaces que ofrece Sunlite, podemos encontrar a ENNTEC que es una interfaz profesional USB para control de luces DMX desde la computadora.. Fuente: http://www.enttec.com/index.php?main menu. Figura 4. Esta pequeña placa posee entradas y salidas DMX y permite controlar hasta 512 canales diferentes de manera simultánea, logrando con ello un acercamiento a la gran gama de Sunlite. Fue diseñada específicamente para actuaciones en directo que deseen ejecutar espectáculos de luces automatizadas para escenarios. El hardware es fácil de conectar, y el software ofrece gran flexibilidad para controlar modernos artefactos de iluminación inteligente. También puede funcionar como una aplicación independiente, convirtiendo un equipo en una mesa de iluminación muy flexible y rentable. Para un control sencillo sobre el escenario, por otra parte, los artistas que necesitan un mayor nivel de control opcionalmente pueden operar DMX a través de una superficie de control MIDI. En la Figura 3.5 se muestra un concierto de Aerosmith completamente controlado por la interfaz ENTTEC en protocolo DMX a través de una superficie MIDI..

(20) IS. Fuente :http ://1 ived es ign onli ne .com/mas terclass es/n ews/ Aerosm ith, %20Abu%20Dhab i, %2009. jpg Figura 5. Por otra parte, un controlador de luces autónomo que también trabaja sobre la plataforma DMX es Color Kinetics de la empresa Philips. Como pioneros de la revolución en iluminación a partir de LEDs, Philips Color Kinetics se ha utilizado mayormente para iluminar monumentos de todo el mundo. Por ello se vieron en la necesidad de incursionar también en esta basta área de manipulación de luces en modalidad autónoma a partir del protocolo DMX, logrando con ello el desarrollo del sincronizador más pequeño del mundo (Synchronizer). Esta es una solución simple y accesible para el control de varios aparatos de luz. Synchronizer puede controlar hasta 12 direcciones individuales de luces, y siete efectos de iluminación pre-programado con múltiples variaciones..

(21) Fuente: http://www. colorkinet ics. co m/ls/ control le rs/synch ron ize r / Figura 6. Hasta el momento solo se han mencionado interfaces para la iluminación autónoma, que necesitan de una computadora completamente destinada para su funcionamiento, pero por otro lado se tienen consolas que también interpretan las señales del protocolo DMX programadas desde el panel de mando. Este tipo de consolas se utilizan en los centros nocturnos. En la cabina de mando se encuentra un D.J., un especialista en mezclas de audio y un LightJ que se encarga de realizar las mezclas de iluminación en tiempo real sobre las pistas de audio.. Existe en el mercado la consola AVOLITE que permite controlar reguladores, cambiadores de color y luces que se mueven de manera coherente, lógica y simple. Es de fácil uso y tiene una velocidad de operación primordial en el diseño para la manipulación.

(22) ~(). de las salidas de lazo de DMX, contando con reconocimiento MIDI. Dependiendo de los modelos se pueden manejar hasta 2048 canales y memorizar 450 escenas o programas.. Fuente: http://www. avolites. org. u k/ Figura 7. Dentro del estado de arte se tiene contemplada el área de audio, ya que es una parte fundamental en el desarrollo de la interfaz que se propondrá. Las interfaces y consolas de iluminación antes mencionadas siempre van a la par con pistas de audio para poder ofrecer una experiencia multimedia cada vez más amplia en el área de las presentaciones.. En el mercado existe una gran variedad de reproductores de audio los cuales reproducen los formatos mp3 y wav, formatos más utilizados en la reproducción multimedia, por la facilidad de manipulación y edición, se podrían enumerar un sin fin de reproductores que se encuentran en el mercado por lo que solo se mencionará el reproductor de mp3 IPod· de la firma Apple..

(23) 21. Este reproductor tiene una frecuencia de respuesta de 20 Hz a 20,000 Hz, los formatos de audio compatibles son: AAC (8 a 320 Kbps), AAC protegida, HE-AAC, MP3 (8 a 320 Kbps), MP3 VBR, Audible (formatos 2, 3, 4, Audible Enhanced Audio, AAX y AAX+), Apple Lossless, AIFF y WAV.. .. 0. t). Fuente: www .apple.com/. . ./ipodtouch/specs. html. Figura 8. Oferta y metodología de IDEO. Teniendo bien delimitado el usuario final de nuestro producto y estudiando el estado de arte podemos proponer una oferta que combine todas las necesidades de los usuarios de estos productos para generar una propuesta de valor. Tomando como inspiración los dispositivos antes mencionados y estudiados se intentará ofrecer lo siguiente:.

(24) Y). •. Garantizar la reproducción de audio a través de una memoria externa que contenga archivos mp3. •. Lector de memorias USB. •. Extraer la información del archivo mp3 desde una memoria externa y poder leer el contenido del archivo con un microcontrolador. •. Mediante el comando de pausa del reproductor mp3, ingeniarnos para establecer etiquetas ciue sirvan como marcas para controlar los cambios secuenciales de luces. •. Verificar que las marcas disparen los cambios secuenciales en un controlador externo. •. Extender el alcance de las interfaces de audio e iluminación, específicamente que puedan reproducir diferentes escenas de audio e iluminación. •. Generar un nuevo espacio para la implementación de dispositivos autónomos, teniendo en cuenta que brindaremos una herramienta que aun no existe en el mercado Aparato (gadget) para el entretenimiento. •. Nuevo acercamiento a la composición de multimedios. •. Combinación de luz y sonido sincronizado para extender la creación artística. IDEO es una empresa estadounidense dedicada a la. innovación en. cualquier tipo de productos. Cuentan con metodologías de diseño que contemplan etapas para la administración del proyecto. Consideran que es importante tener una etapa de.

(25) ) ' --'. Look, Learn, Ask y Try para garantizar un camino seguro a la innovación de productos. A continuación se presentan las 4 etapas sugeridas por la empresa IDEO:. •. Look- estudiar el estado de arte viendo comportamientos. •. Learn investigación técnica para el desarrollo del producto. •. Ask - entrevistar y preguntar a expertos para cuantificar las funciones y elegir la mejor opción para tener una atractividad de mercado. •. Try- realizar prototipos funcionales, recibir retroalimentación del usuario y ajustar lo que sea necesario para acoplar el producto a las especificaciones y necesidades del consumidor.. Durante el proyecto se manejó esta metodología, a parte de otras que mencionaremos más adelante, sobretodo en la etapa Try ya que se realizaron prototipos funcionales y se ajustaron y modificaron de acuerdo a la retroalimentación de la empresa Sin Límites. Esto simboliza un acoplamiento de las especificaciones y necesidades del consumidor hacia el desarrollo del producto mismo.. 2.1.3 Diseño El siguiente esquema representa el propósito general de la modalidad autónoma, tomando en cuenta los aspectos básicos y elementales para cubrir las necesidades:.

(26) . \ ._ ¡ \. Señal de audio. Caja Negra. Activación de luces. Figura 9. Este esquema nos muestra como una señal de audio pasa por un bloque desconocido (caja negra) y se transforma en movimiento de luces (previamente programadas). En este bosquejo no se especifica de dónde proviene la señal de audio ni qué luces o dispositivos se van a mover. De este esquema se ramificará toda la modalidad para determinar el funcionamiento técnico de la caja negra . El siguiente diagrama refleja una distribución por bloques más específico, del cual partirá la etapa learn de IDEO para la investigación detallada:.

(27) 111l'l11Cll'I.I. S1•11al dt· audio. \licTtH'llll l rolador. Dt·c·11difirn('i,'i11 d1•l arl'hiu, dt• nudio. lllalTil~. dt• marca". l,l'l'lllr.t. Disparo d1· ,.;p11al. l ,ll('(',.;. l. ~. Figura 10.

(28) Este es el esqueleto de nuestro producto en modalidad autónoma, partiendo de lo más esencial y así investigar bloque por bloque para entender que existe independencia entre ellos para facilitar la estructura y futuras correcciones de errores A continuación veremos una matriz que contempla los bloques del producto, representados como funciones, con las posibles soluciones:. Funciones. Solución 1. Solución 2. Solución 3. Protocolo de. MP3. WAV. Compact Flash. VDIP2. Arduino. PIC 16LF877. ATMEGA-8. Decodificador. Arduino. PIC 16LF877. VLS1053K. Actuadores. Interruptores de. Soldadura. PCB. comunicación Dispositivo de lectura Interfaz (Microcontrolador). contacto seco Ensamblaje. Protoboard. Tabla 1.

(29) 27. 2.1.4 MP3. MP3 fue desarrollado por Moving Picture Experts Group (MPEG), usando una compresión de 128kbit/s. En general los archivos MP3 son archivos de música (wav) comprimidos y son los más utilizados ya que ofrecen una gran compresión con buena calidad y facilidad de uso para los programas de audio existentes.. Para obtener un archivo MP3 con calidad CD. primero se debe extraer la información del CD-Audio y pasarla a un disco duro. Esto lo realiza un programa denominado extractor (ripper o ripeador). De esta manera se tiene la información del CDAudio en el disco duro, generalmente en un voluminoso fichero WAV. Debido al gran tamaño de estos ficheros, es necesario comprimirlos, y aquí es donde se necesita un compresor que convierte el fichero WAV a un fichero MP3. Éste contiene prácticamente la misma calidad de sonido, sin embargo se ocupa menos espacio (específicamente 11 veces menos espacio). La tasa de transferencia para los archivos digitales tiene que ser de 128 Kbits/seg con una frecuencia de muestreo de 44.100 KHz.. La siguiente figura 11 muestra una estructura visual de bloques de cada cuadro de un MP3, sin embargo no se estudiará con profundidad ya que en las limitantes de nuestro proyecto se estableció que nosotros no construiremos un algoritmo de decodificación..

(30) Sync. Pro!. bit. Layer. ID. Bitrate Pad. bit. Frequency Mode Copy. Pnv. bit. Mode extenlion. Home. Emphasis. Audio Data. Figura 11. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. Figura 12 La figura 12 muestra los bits del "header" en cada bloque del archivo en formato MP3, a continuación se muestran las definiciones:.

(31) B. MPEG audio version. e o. MPEG 1. E F. G H 1. '. 2. PEG-1, 2, etc_. ]2. r 1, H, 111, etc_. er. Prolection if on, lhen checksum follows header. 11. 1. - bitrale ro, lhis MPEG version and I er. Bítrate index ookup table used to s. 1 1. Padci. 1. ·. 44_ 1kHz, etc_, determinad. rate. bit. Oíl. or off. com. icalton-s. ific t ·. · stereo. dual channel. si. Channel mode (stereo,. Jg ]2. 11 11 1~. sales ro, unfilled írames. Privale bit on or off. allows ro, a 1 1. looku table. e channel. !l. Mode extension[lused onli".l withra · nt stereo, to conJ::::1 - -n channel data). 2. K. onorr:!ill ~ - -na1 (off jf co. 1 of. E 1. s em. L M. sis res. - -nal, on if. · ·nal). as1s bit in lhe. 1 nal record! · , now. obsolete. 12. Figura 13. 2.1.5 VD1P2. El FU-VD1P2 es un módulo de interfaz USB host para un microcontrolador con un puerto serial SPI (Serial Peripheral Interface) que permite controlar diferentes tipos de dispositivos tales como USB, convertidores USB / series, etc. El módulo VD1P2 se monta en el chip VNClL-la, el cual está programado para gestionar la estructura de memoria FAT que permite crear directorios y ficheros mediante un procedimiento sencillo de conjunto de instrucciones. Las especificaciones son las siguientes:.

(32) • Dos conectores USB tipo 'A' para interfaz para dispositivos USB • Jumper para seleccionar el tipo de interfaz UART, paralelo FIFO, o SPI (Serial Peripheral Interface) • Potencia SV • Producción adicional de 3,3 V/ 200 mA • LEO indicador de alimentación y LEO de datos USB • Firmware actualizable a través de USB Flash Disk o interfaz UART. Fuente:WWW.VINCULUM.COM. Figura 14. 2.1.7 ATMEGA-8. Pertenece a la familia de microcontroladores AVR diseñados por la firma Atmel, cuenta con 32 registros de entrada/salida de propósito general de 8 bits. Tanto los registros como la memoria de datos forman un solo espacio de localidades, que se acceden mediante operaciones de carga y de almacenamiento..

(33) _, 1. El microcontrolador en cuestión tiene un pipeline con dos etapas (traer y ejecutar) que le permite utilizar un ciclo de reloj en la mayoría de las instrucciones, lo que lo hace relativamente rápido entre los microcontroladores de 8 bits . Las características más importantes con las que cuenta este microcontrolador son las siguientes :. Memorias de programa y de datos no volátiles. •. 8K bytes de FLASH autoprogramable en sistema. •. Resistencia: 1.000 ciclos de escritura/ borrado. •. Sección de código añadida opcional con bits de bloqueo independientes. •. Programación en sistema con el programa añadido On-Chip. •. Operación de lectura durante la escritura. •. 512 bytes de EEPROM. •. Resistencia: 100.000 ciclos de escritura/ borrado. •. lK bytes de SRAM interna. •. Bloqueo (cerradura) programable para la seguridad del software. Características de los periféricos. •. Dos. Timer/Contadores. comparación. de. 8. bits. con. prescaler. separado. y. modo.

(34) ,. "). ·'•. Un Timer/Contador de 16 bits con prescaler separado, modo comparación y modo de captura. •. Comparador analógico On-Chip. •. Timer watchdog programable con oscilador separado On-Chip .. •. Interface serie SPI maestro/esclavo. •. USART serie programable. •. Contador en tiempo real con oscilador separado. •. ADC de 8 canales en los encapsulados TQFP y MLF. •. 6 canales de 10 bits de precisión. •. 2 canales de 8 bits de precisión .. •. ADC de 6 canales en el encapsulado PDIP. •. 4 canales de 10 bits de precisión .. •. 2 canales de 8 bits de precisión .. •. 3 canales de PWM .. Características especiales del microcontrolador. Reset de Power-on y detección de Brown-out programable Oscilador RC interno calibrado Fuentes de interrupción externas e internas 5 modos de descanso: ldle, reducción de ruido ADC, Power-save, Power-down y Standby.

(35) , ,. '' 23 líneas de 1/0 programables PDIP de 28 pines, TQFP y MLF de 32 pines. Niveles de Voltaje. • 4.5 - 5.SV. Niveles de velocidad. •. O - 16 MHz (ATmega8) .. Consumo de energía a 4MHz, 3V, 25~(. • Activo: 3.6 mA • Modo idle: 1.0 mA • Modo power-down: 0.5 µA. 2.1.8 VLS1053K EL VLS1053K es un decodificador de audio. Está compuesto internamente por dos partes, un procesador DSP y un decodificador digital-analógico (DAC) estéreo. El VLS1053K recibe el flujo de datos MP3 por un bus serie esclavo que es decodificado por el.

(36) procesador DSP, estos datos pasan luego por el decodificador digital-analógico de 18 bits y un pequeño amplificador que proporciona una salida analógica a la que se puede conectar directamente unos pequeños auriculares sin amplificación adicional. Estas dos partes, el DSP y el DAC, tienen la alimentación independiente, denominadas Vcc digital y Vcc analógica respectivamente, para evitar interferencias en el DAC. En la Figura 3.10 puede verse el funcionamiento interno del chip.. ¡,¡. _:,-. [ = r E~. ~ ----. ,- ....... (.,. _ .. '.,.. . -. i. .. ¡'. 1. __ _j. ------··-C-. 1-. -. 11 -; ¡· ---. f:. ''----·-·-~~. L~.--~·,1. 1.. ·~:. Fuente: http://www. vlsi. fi/vls 1053k/vls 1053k.shtm 1. Figura 15. En cuanto a sus características, el VLS1053K decodifica MPEG !ayer 3 de MPEG-1, MPEG-2 y MPEG-2.5, a todas las tasas de muestreo y de bit tanto en mono como en estéreo. Soporta tasa de bit variable (VBR), utiliza un DAC estéreo de alta calidad y es capaz de soportar auriculares de 30 O de carga sin amplificación adicional. Como ya se ha.

(37) dicho trabaja con una tensión de 2,8V a 3,6V y utiliza un cristal oscilador de 12-13MHz (con multiplicador) o 24-26MHz.. Las partes anteriormente descritas son las herramientas que se utilizarán para el desarrollo de la interfaz autónoma que se describió al principio de este documento, teniendo en cuenta que conforme se vaya construyendo y programando algunas de nuestras piezas serán sustituidas o mejoradas, ya que existen muchas variables que aún no conocemos.. Se decidió utilizar el VLS1053K ya que al hacer el análisis de costo-tiempo se vio que este encapsulado nos ahorra mucho tiempo en programación y ensamblaje, puesto que el crear un algoritmo de programación para lograr la lectura de un archivo en formato MP3, desencapsularlo y crear marcas nos llevaría más de 1 semestre. Además, este encapsulado ya contiene todos los detalles que necesitamos en el área de reconocimiento de los archivos MP3.. El dispositivo VD1P2 se eligió para el desarrollo de este proyecto pues cuenta con una interfaz de reconocimiento de dispositivos USB y a su vez contiene un algoritmo que desencapsula los archivos MP3 logrando así una mancuerna excepcional con el VLS1053K. Por otro lado el uso del microcontrolador ATMEGA-8 se eligió gracias a su gran flexibilidad en la programación (lenguaje C) y los puertos que nos ofrece. Además.

(38) para esta primera etapa del proyecto la memoria con la que cuenta el microcontrolador es suficiente. Ahora bien, ¿cómo funcionará el dispositivo?. Existirán 2 modos de operación del sistema, el primero será la creación de las etiquetas (tags) sobre el archivo MP3, una vez seleccionadas las pistas que uno desea manipular en la interfaz, se tendrán que descargar vía USB. El dispositivo VD1P2 se encarga de leer los archivos MP3 y los envía al dispositivo VLS1053K, en el cual los archivos MP3 se decodifican para mostrar la información que contienen (metadatos), posteriormente esta información será leída por el microcontrolador ATMEGA-8 por uno de sus puertos seriales. Una vez que la información se encuentra en el microcontrolador se utilizará el leguaje de programación C para crear las etiquetas (tags) para posteriormente guardarlas en la memoria microcontrolador.. La segunda modalidad de operación será la lectura de las etiquetas, se comienza la reproducción del archivo MP3, el microcontrolador revisa su memoria y dependiendo de lo que está recibiendo lo comparará con la canción y el tiempo. Si encuentra las etiquetas mandará una señal a uno de sus puertos de salida, el cual activará contactos secos que enviarán la señal a la interfaz de iluminación logrando así el cometido de nuestro prototipo.. Cabe destacar que no existe en el mercado ninguna interfaz a nivel hardware que no exija una computadora destinada al control de audio e iluminación..

(39) Existe un costo elevado de los equipos empleados ya que una computadora que sólo tenga lo necesario para la intercomunicación con la interfaz de iluminación oscila entre $8000 M.N.. a $15000 M.N. y dependiendo la interfaz de iluminación que se utilice se. tiene una oscilación de $400 dólares hasta $3000 dólares. Nuestro prototipo tiene un valor que oscila entre los $5000 M.N. hasta los $8000 M.N. dependiendo de los aditamentos que sean necesarios.. 2.2 MODALIDAD MANUAL. 2.2.1 Introducción. La modalidad manual se podría considerar como un proyecto alterno a la modalidad autónoma. Se siguieron diferentes metodologías de diseño para las dos modalidades, ya que la autónoma representa una necesidad real del mercado de audio e iluminación y el diseño que proponemos se ajusta totalmente a las especificaciones del cliente Roberto Malvaez. Sin embargo la modalidad manual surge de una necesidad interna del equipo por tener mayores alcances en la manipulación de luces. Sabemos que la modalidad manual nos ofrece un espacio para controlar luces de manera directa, y si logramos involucrar la intensión de expresión artística podemos generar una modalidad que complemente a la otra. En la modalidad manual se tiene un campo abierto de oportunidades, por lo que basaremos nuestro esqueleto del diseño en la metodología de nuestro interés. Así.

(40) como varios diseñadores, arquitectos, inventores y científicos imitan a la naturaleza en la creación y desarrollo de productos, nosotros imitaremos la esencia de un árbol para organizar la información del marco teórico y el desarrollo de la modalidad en general. En el primer capítulo se analizó un poco la definición y justificación del proyecto, partiendo de la megatendencia de virtualidad en la vida cotidiana. Una vez que posicionamos nuestro proyecto en donde la gente tiende a moverse en nuestro espacio y tiempo se tiene que definir el perfil del usuario, es decir, el blanco de nuestro proyecto (target). Como está en nuestro interés mezclar el arte con la mecatrónica, queremos canalizar nuestro conocimiento al área de la música, específicamente enfocar nuestro producto a todos los músicos interesados en adquirir nuevas formas y espacios de expresión.. Músicos interesados en nuevos sonidos, nuevos canales para expresarse. artísticamente y tecnología aplicada para la interpretación musical. Una vez delimitado el músico y sabiendo lo que busca debemos ofrecerle una propuesta de valor para poder competir. Para ello es conveniente estudiar un poco el estado de arte.. 2.2.2 Estado del Arte Eric Singer es un ingeniero, músico, artista y programador estadounidense. Fundador de LEMUR, un grupo de artistas, expertos en robótica, músicos y diseñadores, construye instrumentos musicales robóticas exóticos para los músicos que buscan nuevas maneras de interpretar, expresar y entender a la música. En la figura 16a vemos un shaker electromecánico construido con materiales orgánicos, mientras que en la figura 16b.

(41) vemos un xilófono robótica. (Lemur, 2010) Su dedicación radica en la creación de nuevos instrumentos, para generar nuevos sonidos.. 16a. 16b. Fuente: http://www. lemurbots .org/instruments. htm 1 Figura 16 El guitarrista ya mencionado Pat Metheny contrató a Singer para llevar acabo su proyecto Orchestrion, el cual representa un acercamiento alterno a la creación musical. El proyecto Orchestrion mezcla la tecnología con la música para poder brindarle al músico un nuevo canal de comunicación. Se extienden los alcances físicos del artista al poder controlar múltiples instrumentos con uno sólo. En principio el guitarrista manda una serie de instrucciones a un controlador que dispara solenoides que actúan directamente en cualquier instrumento de percusión, cuerda y viento. Contemplando filtros analógicos, la señal de la guitarra eléctrica se filtra utilizando el protocolo de música.

(42) -lO. MIDI y se controla la intensidad de corriente que alimenta a los solenoides para garantizar un sistema dinámico. Todo es controlado a través de una computadora y se necesita una etapa de filtrado robusta para tener un rango de frecuencia de 20 Hz a 20kHz, el cual corresponde al rango frecuencial del oído humano. (Pat Metheny, 2010) Este artista, al igual que muchos otros innovadores en la música, representa el estado de arte de la modalidad. manual,. ya. que. utiliza. la. comunicación. MIDI. para. activar. diversos. transductores. Nosotros específicamente no contamos con una aplicación MIDI, ya que la empresa se interesó por observar la funcionalidad de la comunicación MIDI para después junto con nosotros crear posibles aplicaciones reales que loeren innovar la iluminación musical. No necesariamente nos tenemos que limitar a pensar en aplicaciones de iluminación, ya que el sistema sugerido en la modalidad manual pretende considerar cualquier tipo de transductor a su salida. Por ende nuestro proyecto lo podemos llevar a cualquier artista interesado en innovar sonidos o maneras de expresarse, como el conjunto de Blue Man Group: Los artistas de Blue Man Group ofrecen espectáculos teatrales y conciertos musicales que combinan la comedia, música y multimedia para producir una forma única de entretenimiento (Blue Man Group 2008) Utilizan la sincronía de audio, luz y video para expresarse y construyen sus propios instrumentos con cualquier tipo de material para demostrar que hay música escondida en donde menos te lo esperas. En la figura 17 vemos a los integrantes de Blue Man Group con su instrumento musical hecho de material PVC..

(43) --i 1. Fuente: http://www.blueman.com/about/whatis Figura 17. Al igual que estos artistas, el grupo islandés ya mencionado Sigur Ros se interesa en captar los sonidos de cualquier fuente sonora. Construyeron junto con sus colaboradores una marimba hecha de piedras, específicamente de lajas. El proceso de construcción es interesante, ya que golpeando las lajas se van seleccionando dependiendo de la tonalidad y timbre que producen. De la misma manera construyeron instrumentos hechos de plantas ruibario. En la figura 18 se logra ver la distribución de las diferentes lajas y los integrantes de Sigur Ros creando sonidos con la naturaleza..

(44) -1-2. Fuente: Sigur Ros Heima DVD Figura 18. Phillip Glass es un compositor estadounidense egresado de la prestigiosa escuela de arte Julliard School. Es muy reconocido en el mundo musical cinematográfico, ya que tiene un estilo de música repetitiva que la catalogan como minimalista. Logró representar en la película Koyaanisqatsi la dinámica que presenta la naturaleza, con ríos en movimiento, nubes cambiando de forma, gente en la ciudad caminando en forma rutinaria, etc. A través de sus escalas repetitivas y melódicas logra plasmar este dinamismo y energía. Pero lo relevante de este artista radica en los instrumentos que utiliza. Con su más reciente proyecto Orión, Glass intenta combinar diferentes estilos musicales provenientes de Grecia, Australia, Canadá, China, India, África y Brasil, entre otros, con instrumentos exóticos como el sitar, kora, nyanyer, pipa y didgeridoo. (Philip Glass 2010) El instrumento que resalta para nuestro interés es una percusión cilíndrica con superficie rugosa que se gira con cierta velocidad y se hace vibrar un arco de madera a la vez para producir tonos muy parecidos al de un sintetizador. Es un instrumento orgánico.

(45) como los vistos con Sigur Ros y Blue Man Group que representa la tendencia de los músicos experimentales.. Oferta y metodología de IDEO. Teniendo bien delimitado el usuario final de nuestro producto y estudiando el estado de arte podemos proponer una oferta que combina las necesidades de los músicos experimentales para generar una propuesta de valor. Tomando como inspiración a los artistas estudiados se intentará ofrecer a los músicos mexicanos lo siguiente:. •. Sonido orgánico. •. Explotar la creatividad del músico. •. Extender el. alcance. del. músico,. específicamente que. pueda. tocar varios. instrumentos a la vez •. Nuevo espacio para la expresión musical, teniendo en cuenta que brindaremos una herramienta y no un instrumento musical. •. Aparato (gadget) para el entretenimiento. •. Nuevo acercamiento a la composición musical. •. Combinación de luz y sonido sincronizado para extender la creación artística.

(46) -+-+ Para poder traducir las funciones establecidas a un producto original se seguirá una metodología de diseño planteada por la empresa IDEO, la cual contempla cuatro etapas de desarrollo:. •. Look- estudiar el estado de arte viendo comportamientos. •. Learn- investigación técnica para el desarrollo del producto. •. Ask - entrevistar y preguntar a expertos para cuantificar las funciones y elegir la mejor opción para tener una atractividad de mercado. •. Try- realizar prototipos funcionales, recibir retroalimentación del usuario y ajustar lo que sea necesario para acoplar el producto a las especificaciones y necesidades del consumidor.. Acoplando el esquema de un árbol caducifolio podemos dividir toda la modalidad en bloques para seguir la famosa técnica de dividir y conquistar. Que sea caducifolio representa la dinámica del proyecto al realizar prototipos, sacarlos al mercado tentativo y hacer reingeniería para rediseñar y ajustar lo que no le gustó al usuario. Teniendo en mente la metodología que sugiere retroalimentación del usuario final, podemos diseñar nuestra modalidad manual con la certeza de que puede cambiar cada bloque. Sin embargo es importante visualizar las etapas del proyecto aunque éste cambie..

(47) 2.2.3 Diseño. El siguiente esquema representa el propósito general de la modalidad en vivo, tomando en cuenta los aspectos básicos y elementales para cubrir las necesidades:. • ,· ,,. ,:. ..¡. . -- . '.. Señal MIDI. Caja Negra. ,, ,". •. -. ~. ·" -*. ·•. .. Activación de Actuadores. Figura 19. Este esquema nos muestra como una señal MIDI pasa por un bloque desconocido (caja negra) y se transforma en movimiento de actuadores. En este bosquejo no se especifica de dónde proviene la señal MIDI ni qué actuadores se van a mover. De este esquema se ramificará toda la modalidad para determinar el funcionamiento técnico de la caja negra. El siguiente diagrama refleja una distribución por bloques más específico, del cual partirá la etapa learn de IDEO para la investigación detallada:.

(48) 1. Sei'i,d!\TIDI. ( lpt 0;1 i,-l;id,1r. í. .l.. \1 Íl'l'<H·on t rol:td,1r. 1. L____------cal~---~. EIPc·t rúniC'a dt> [. ---------------.~. r. poll'IH'Í;l. .$'[ t1;1don•,-. .. L--------,----~ Lll('l'S. ....,. 1. $pc·a11is11w. • 1. E11,-a111hlaJl'. Figura 20 Este es el esqueleto de nuestro producto en modalidad manual, partiendo de lo más esencial y así investigar bloque por bloque para entender que existe independencia entre ellos para facilitar la estructura y futuras correcciones de errores. A continuación veremos una matriz que contempla los bloques del producto, representados como funciones, con las posibles soluciones:.

(49) -P Funciones. Solución 1. Protocolo de. MIDI. Solución 2. Solución 3. Solución 4. comunicación Protección. Optoacoplador. Re levador. Interfaz. Arduino. MD24. MidiTron. PWM. Control difuso. Control. ( M icrocontolado r) Circuito de control. Analógico Electrónica de. Tecnología TTL. Potencia Actuadores. Solenoides. Tecnología. Amplificadores. CMOS. operacionales. Motores DC. Motores AC. Motores a Paso. Mecanismos. , Ensamblaje. Sistema de. Sistema de. pivote, resorte y. pivote sin. palanca.. resorte. Mariposas,. Soldadura. .... Placas con. ;·~i. tornillos y. tornillos y. ·~. tuercas. tuercas. tJ ji. Pegamento. ·1. li 11 ''.:( i. r.,-.'. ¡. Jj. Tabla 2. ,1. t ~-. '. __,_. _.

(50) La matriz anterior contempla las distintas alternativas para los bloques presentados. Se presentan soluciones tentativas, las cuales se obtuvieron de una investigación previa que contempla mucho el conocimiento inherente al proyecto. Para poder justificar la elección adecuada se debe de investigar las diferentes soluciones y tomar en cuenta lo que busca el usuario.. 2.2.4 MIDI MIDI (Musical lnstrument Digital Interface) es un lenguaje de comunicación digital, o bien, un protocolo de comunicación digital estandarizado. Su función es crear una red de instrumentos electrónicos musicales (hardware y softwar'.:'), controladores y computadoras entre otros dispositivos relacionados al mundo musical.(Miles, D. 2007) MIDI es capaz de transmitir y capturar datos de control que reflejan la interpretación de un músico. Para evitar la introducción de sensores a nuestro sistema, el protocolo MIDI nos brinda información de control que sustituye cualquier retroalimentación. No es necesario realizar mediciones de corriente o voltaje para controlar los actuadores, ya que MIDI entrega información suficiente de los eventos del músico. Es común pensar que MIDI transmite audio y puede crear sonidos, sin embargo es fundamental entender que el protocolo MIDI simplemente es un lenguaje digital que controla dispositivos o programas para crear, reproducir o alterar sonidos. Es decir, le indica a un sampler o banco de sonidos cuándo reproducirlos y cómo. La siguiente imagen muestra la configuración común de MIDI (SAE lnstitute 2005):.

(51) •. ~. (. •• ' i'.i. .-. c:::::J • 1----~. 1. .:,.:l "" · :··_, ' l ~· ._' ~. l. 1 ' - :,,,,. :11\. SAE lnstitute 2005. figura 21. l.. El músico lleva acabo una interpretación (performance) en el teclado MIDI. 2.. La interpretación se trasmite a la computadora y se captura en un secuenciador. 3.. Simultáneamente se transmite la información del secuenciador a un módulo de sonido que genera los archivos de audio para poder escuchar la actuación del músico. 4.. Una vez que se graba la interpretación del músico, ésta se puede editar y reproducir cuantas veces se desee. 2.2.4.1 Dispositivos MIDI. Para tener una transmisión MIDI efectiva se deben tener claros los siguientes conceptos:.

(52) •. Controlador MIDI. Se utiliza para generar datos MIDI. En nuestro esquema general del proyecto no se considera un controlador en específico. Se diseñará nuestro sistema para aceptar mensajes MIDI provenientes de cualquier generador de señales MIDI. Las siguientes imágenes muestran ejemplos típicos de controladores MIDI:. 1. '! \\\\\\\\\\\\\\\\\~ 11 , ". •. SAE lnstitute 2005 Figura 22. Como vemos, los mensajes MIDI pueden ser generados por teclados, baterías, flautas, pads, guitarras, violines y percusiones entre otros controladores.. •. Generador de sonidos. Es responsable de traducir los mensajes MIDI recibidos en audio..

(53) ~I. Módulo de sonido Se utilizan filtros y memoria ROM interna para reproducir audio:. •. . SAE lnstitute 2005 Figura 23 Sintetizador. Genera sonidos con bloques electrónicos puros, como osciladores, generadores de tono y filtros:. SAE lnstitute 2005 Figura 24.

(54) Sampler. Genera un muestreo digital de señales para reproducirlas tal cual fueron grabadas. Se basa en grabaciones del usuario, parecido a un módulo de sonido sin embargo se utiliza memoria RAM.. SAE lnstitute 2005 Figura 25 •. Interfaces MIDI. Permite. la. comunicación. del. controlador. con. contemplando puertos MIDI de entrada y puertos USB como salida .. •. .... "t.. -. SAE lnstitute 2005 Figura 26. •. .. 1. la. computadora,.

(55) •. Secuenciador. Ya sea en hardware o software, captura la actuación de un músico. Organiza la grabación en diferentes tracks, permite la edición y reproducción de la grabación:. ~:¡ - ·-1 ~·. . -·. 1. ~. F1. ~. -. ----. SAE lnstitute 2005 Figura 27. 2.2.4.2 MIDI Hardware. @. SAE lnstitute 2005 Figura 28.

(56) Solamente se utilizan 3 pines:. •. Pin 2 - Tierra (OV). •. Pin 4 -Voltaje (+5V). •. Pin5-Seña1MID1. La transmisión de la señal MIDI tiene las siguientes características:. •. 31.25 kbits/sec. •. serial. •. asíncrona. •. unidireccional. Existen 3 puertos MIDI por los cuales la señal puede ser enviada, recibida o copiada:. 1. v,r, r,,. ,·, !. o. o ¡. SAE lnstitute 2005 Figura 29. J.

(57) El puerto THRU genera una copia exacta del puerto IN para poder conectar varios instrumentos a la vez y repetir la señal de entrada.. 2.2.4.3 Protocolo MIDI Los datos MIDI se transmiten en grupos de 8 bits (byte). Existen 2 tipos de bytes en el protocolo presente:. Status byte. •. Siempre empiezan con un uno binario en su bit más significativo. •. Todos los mensajes MIDI comienzan con un status byte. •. Identifican el tipo de mensaje que se va a transmitir. Data byte •. Siempre empiezan con un cero binario en su bit más significativo. •. Contienen los datos del tipo de mensaje MIDI transmitido. SAE lnstitute 2005 Figura 30.

(58) Debido a que estamos siguiendo un modelo del tipo árbol, se presentará a continuación un diagrama que contiene los diferentes tipos de mensajes MIDI existentes. Es de suma importancia entender los mensajes, ya que éstos se utilizarán para mover los actuadores.. [SystéritMessagesj. L. . . <sy~17rn:~icJ~) . Charnel Vo1cc Messrige. Channel 'i.1ode Messriges. j. ¡ s;stem. System. Sysl;;rn. 1Co~rnon Messoges. Real-time l\1essage. ExclUH,IC. r•.. 1 .,. Message.. ,; ·.\1. '. : '. 1 .,.,,.. 1· ", ·,. -~. '-. ., :. 1 • 1. SAE lnstitute 2005 Figura 31. Channel Messages. Son mensajes que viajan por un canal específico. MIDI cuenta con 16 canales, los cuales pueden contener sonidos independientes. Existen 2 diferentes tipos de "channel messages", voice message y mode message..

(59) Voice Message Son los mensajes de nuestro interés, ya que reflejan la ejecución de un músico, mostrando qué nota se tocó, cómo se tocó (qué tan rápido o qué tan fuerte) y cambios en tiempo real de volumen y paneo. La siguiente tabla muestra el status byte de los distintos mensajes de voz:. • \. , ·' _.. ( .. L 1: :. ,' ¡ ... ; • . .. 1: . ..:~. '. \. '. \. ... ,. .. \':. . !' ¡ _ -·:1_-. r•·.. <-::. ¡. SAE lnstitute 2005 Figura 32. Específicamente nos interesan mensajes que indiquen qué nota se tocó, para saber qué actuador mover, y la velocidad de la nota (es decir, la fuerza con la que fue tocada). Estos dos parámetros se reflejan en los mensajes de Note Off, Note On y Key Pressure.. Los mensajes de Control Change, Program Change y Pitch Bend están. relacionados al cambio de efectos y sonidos generados por un módulo de sonido, por lo tanto no nos interesan, ya que no vamos a utilizar sonidos en nuestra aplicación, simplemente se utilizará el protocolo MIDI para controlar actuadores..

(60) Note On. Nos indica qué nota se tocó contemplando valores de 0-127. (el valor O corresponde a la nota Do que se encuentra 5 octavas por debajo del Do central, mientras que el Do central toma el valor de 60) El mensaje Note On también nos indica el ataque o la fuerza de la nota, con valores de 0-127 para la velocidad. Por lo tanto el mensaje entero que indica qué nota se tocó y cómo se puede representar con 3 bytes:. (1 (). ,: -:· e. 1..·. SAE lnstitute 2005 Figura 33. Note Off. Nos indica qué nota se dejó de tocar, considerando el tiempo que trascurre antes de que deje de sonar la nota (release):.

(61) , •! !. ,_I ·: ~. ',11;¡. ! • l'. 1,:,. il1·iL·,_1·_,1•. 11 ,. 1. t Híit'. ,/. /. Fuente: www.indiana.edu Figura 34. Por lo tanto el data byte de Note Off contempla la nota que se dejó de tocar y el valor del release time, normalmente se utiliza el valor de 64.. Esta es la información necesaria para lograr nuestro objetivo de interpretar con. un. microcontrolador la. señal. MIDI. proveniente de cualquier controlador o. computadora. Veamos qué se le debe de hacer a la señal antes de introducirla al microcontrolador.. 2.2.5 Optoacoplamiento. Hemos aprendido en el transcurso de la carrera, con proyectos integradores, que los circuitos se deben proteger ante los cambios inesperados de voltaje. Debido a que nuestro sistema contiene circuitos independientes, es preferible aislarlos. Necesitamos aislar.

(62) nuestra entrada MIDI con nuestro microcontrolador, para eliminar la conexión eléctrica óhmica. de. los subsistemas.. Se decidió. utilizar un optoaislador ya. que. nuestro. microcontrolador presenta niveles de voltaje diferentes al controlador MIDI. Se tiene como alternativa utilizar relevadores para aislar los circuitos, sin embargo son más robustos y presentan características electromecánicas que pueden presentar retardos de señal. Un optoaislador es un circuito integrado que presenta mayor velocidad, menor tamaño y mayor confiabilidad. Veamos los principios de funcionamiento:. Se combinan dos dispositivos diferentes, un transmisor óptico (LEO) y un receptor óptico (phototransistor o diac). Los dispositivos están separados por una barrera transparente que permite el paso de luz, mas no el paso de corriente. La siguiente figura resume visualmente el concepto:. A. J K. B. Electus Distribution (2001). Los parámetros esenciales para elegir un optoaislador son los siguientes:. •. Tipo de dispositivo.

(63) (i 1. •. Fuente de luz. •. Tipo de sensor. •. Velocidad. •. Ancho de banda. Se podría hacer un estudio detallado para tener la mejor elección del optoaislador, sin embargo estamos a favor del sistema "Open Source" que crea una comunidad virtual para compartir información. Después de entrar a la comunidad de Arduino, investigamos diferentes proyectos con aplicaciones MIDI, los cuales sugieren utilizar los siguientes optoaisladores:. TYPE. ISOLATIOtl INPUT LED : (V1, ) h{mo,). CTRmin ( h). BANDWIDTH. V ;'.ro,). OU'PUT. _ _[__ ______ _. (kHz). 4N25. 5300Vrms. 7V. 20% (1OmA.). 300. 4N28. . 5300Vrms. 7V. 10% (10mA). 300. 6N 138. 2500Vrms. 7V. 300° (UmAJ. 20. MOC3020 .. 5DmA. -------------------+-. MOC3D21. 7500Ypk. ---. • Vofl - 40DV (Trig.. -···-----•··-. SOmA. 1 .,. --. --------. 30mA). ·•--------. , Vofl - 4DOV (lr:g. 15rnA). Electus Distribution (2001) Figura 35. Se decidió seguir el consejo de la comunidad virtual, ya que las aplicaciones MIDI tuvieron éxito en los proyectos presentados utilizando los optoaislaores presentes.

(64) en la previa tabla. Utilizaremos los optoaisladores del tipo 4N25 o 4N28, ya que su ancho de banda permite que la señal MIDI (31.25kbits/s) se transmita sin problema alguno. Teniendo. la. señal. MIDI. aislada,. podemos. estudiar. el. tipo. de. microcontrolador que se utilizará.. 2.2.6 Interfaz. Debido. a. que. estamos. a. favor. de. las. comunidades. virtuales,. específic2rnente el sistema de "Open Sourceº, se decidió considerar fuertemente a Arduino. Arduino es un proyecto abierto, tanto de software como de hardware, que tiene la finalidad de tener abierto al público tanto las librerías como el diseño electrónico de diversas aplicaciones, para la utilización personal o comercial sin costo alguno. Arduino se enfoca primordialmente a los artistas y diseñadores, ofreciendo microcontroladores que detectan el ambiente con sensores y convierten las entradas para cambiar el entorno al controlar luces, motores y otros actuadores. Arduino se basa en el microcontrolador ATMEGA168, 328 y 1280, contando con su propio lenguaje de programación muy similar a C, ya que utiliza el lenguaje Wiring y un desarrollo de ambiente basado en Processing. Al ser un proyecto abierto, las personas dentro de la comunidad virtual han diseñado plataformas de hardware y librerías de software capaces de interactuar con el microcontrolador de manera sencilla. El hardware que más se apega a nuestro interés es el siguiente:.

(65) Arduino Uno. Fuente: http://arduino.cc/en/ Figura 36. Es la versión más actualizada de Arduino con conexión USB, contando con í4 entradas o salidas digitales, de las cuales 6 se pueden utilizar como salidas PWM. Cuenta con 6 entradas analógicas, un cristal oscilador de 16MHz y un costo aproximado de $30 dólares. La siguiente tabla resume las funciones básicas del microcontrolador utilizado en Arduino Uno:. Fuente: http://arduino.cc/en/ Figura 37.

(66) (1-1. MD24. MD24 es una interfaz MIDI preprogramada, la cual acepta mensajes MIDI y los convierte a señales PWM directamente. Se pueden configurar ciertos parámetros en la interfaz, como las características de la señal PWM y la respuesta de la señal MIDI. Tiene un costo aproximado de $45 dólares, un poco más caro que la plataforma Arduino.. Fuente: http://www.highlyliquid.com Figura 38. La principal ventaja de esta interfaz es la conversión directa de la señal MIDI a PWM con +-SV, sin la necesidad de programarla. Sin embargo, tiene la desventaja de ser poco flexible al no poder extender la programación para un mayor control de la señal. Dependiendo de la aplicación específica, la interfaz MD24 puede ser de gran utilidad, ya que cuenta con 24 salidas lógicas independientes, compatibilidad con servomotores y un control directo de las notas MIDI {Highly Liquid 2010)..

(67) 2.2. 7 Actuadores Específicamente la empresa Sin Límites no ha decidido la aplicación específica MIDI. Quiere tener una interfaz que logre comunicar actuadores, pueden ser relevadores, con los mensajes MIDI provenientes de cualquier sistema que hable este lenguaje. Debido a que no contamos con aplicaciones posibles, dejamos abiertas las posibilidades pero tenemos en mente una posible aplicación futura qt.;e involucre solenoides. A continuación se explicará una posible aplicación MIDI, donde se cuenten con solenoides que generen sonidos en diferentes instrumentos musicales de percusión. Nuestra señal MIDI proveniente de cualquier instrumento musical se tratará de reconocer con el hardware de Open Source Arduino. Este hardware representa la sección de procesamiento en nuestro sistema manual, el cual recibe una entrada MIDI, la interpreta y responde con una acción que refleja parámetros específicos de la señal de entrada. Para convertir la señal de salida que nos brinda Arduino, ya sea PWM o simplemente digital, necesitamos seleccionar el actuador más adecuado para nuestra necesidad. La señal MIDI se puede transformar en un movimiento que genere sonidos de un instrumento de percusión. Para ello tenemos la opción de utilizar solenoides, motores de corriente directa o bien motores de corriente alterna. Todos los actuadores mencionados convierten la energía eléctrica de alimentación en energía mecánica, ya sea en movimiento circular o lineal. Sin embargo este movimiento tiene que tener una respuesta en tiempo lo suficientemente rápida para no detectar retrasos de la señal MIDI original y así obtener un sistema con mucha dinámica. La experiencia obtenida a lo largo.

(68) (1(1. de la carrera en los laboratorios de control automático y control de motores nos ha enseñado que un solenoide tiene mayor respuesta en tiempo que un motor DC o AC, ya que tiene menos elementos mecánicos y funciona idealmente como un electroimán. Para justificar con mayor profundidad la selección de solenoides para nuestro proyecto, el mismo Pat Metheny en su proyecto Orchestrion ya mencionado, utilizó solenoides para tener un mayor control dinámico sobre los instrumentos. El control de un solenoide se puede realizar con señales PWM, sin la necesidad de introducir sensores en el sistema para recibir una retroalimentación y tener un control tradicional analógico. Los solenoides convierten la energía eléctrica en energía mecánica lineal, con un movimiento corto finito, a diferencia de los motores que convierten la energía eléctrica en un movimiento rotacional continuo. Sin embargo, para tener un modelo dinámico necesitamos conocer los principios de la teoría magnética presente en los solenoides. Conociendo los principios básicos de un solenoide podemos seleccionar el control necesario para generar el dinamismo deseado.. Fuerza Magnetomotriz (FMM). La fuerza magnetomotriz es la fuerza necesaria para generar un flujo magnético entre dos puntos de un circuito. Tiene la siguiente equivalencia (Robots Freehostia 2003):. r. s .1.

(69) (17. N= Número de vueltas en una bobina I= Intensidad de corriente (A) F= Fuerza magnetomotriz (Av). Tenemos la siguiente relación:. (I). · magnet1co , · (W bl = t1 UJO. R= reluctancia del circuito (Av/Wb). Podemos adentrarnos más a la teoría de circuitos, pero es importante detectar lo que es más relevante para nuestro proyecto. Como queremos traducir la señal MIDI a un movimiento de solenoides, hemos visto que MIDI contempla parámetros como. fuerza y velocidad aplicadas en cierta nota. Esta información la tenemos que traducir al movimiento final del solenoide, por lo que necesitamos variar la fuerza de éste para lograr traducir los parámetros MIDI y lograr el dinamismo planteado previamente. La fuerza de un solenoide depende de los siguientes parámetros:. .... ..:.