简易呼吸控制器自制记录

背景
网络上有售卖成品呼吸控制器，但价格昂贵。在技术角度上，个人认为溢价严重。因此本人使用个人认为非常简单的方法自制了一个呼吸控制器，现分享制作过程。这也是本人在航母上的处女作。

硬件准备

Arduino Leonardo开发板或 Arduino Pro Micro开发板或 兼容板，主控为atmega32u4；兼容板的价格为30元左右
气压传感器模块，0~40kPa，带水管(传感器外侧直径约为3mm，水管内侧直径约为2mm)；8元左右
手、线材、工具、邮费等

软件准备

从Arduino官网下载Arduino IDE软件，安装并启动软件
用USB数据线连接开发板与PC，选中“工具”-“端口”中的唯一项，若菜单为空，可能驱动未成功刷新，可重启电脑再试试
打开“工具”-“管理库”，搜索“MIDIUSB”库并安装
下载本人编写的程序，并在软件中打开
打开“工具”-“开发板”，选择“Arduino Leonardo”
按Ctrl+U或点击标有→的圆形按钮，以编译、上传代码，正常情况下软件会显示“上传成功”的说明

连接与配置

电路连接：本人设计了一种连线极少的方案，易于自制。具体连线为：气压传感器模块的“GND”、“SCK”（时钟引脚）、“OUT”（数据引脚）、“VCC”分别与开发板的“GND”、“15”、“14”、“VCC”相连。中间的两个引脚可以在程序中修改。对焊接技术要求很低。
塑料水管：直接插在气压传感器上即可。注意气压传感器是密闭的，如果想要通气、导走冷凝水和口水，则需要在水管上开口。
MIDI配置：根据需要，配置程序中的MIDI通道号（程序中为0）和CC控制器号（程序中为11）。

可以参考下图中我的连接方式：

图1：硬件连接与配置。蓝色板：Pro Micro兼容板；红色板：气压传感器模块。

程序调试

点击“工具”-“串口监视器”（或软件右侧的“放大镜”图标），每行是“loop”函数输出的三个数，具体代表：气压传感器的测试数值，MIDI信号发送值（相当于量化）对应的等效气压传感器数值，以MIDI信号发送的数值。使用时应关注第一和第三个数。
点击“工具”-“串口绘图器”，可以看到蓝、红、绿三条曲线，分别对应串口监视器中的三列数。使用时应关注前两个数。
打开串口绘图器，同时对水管使用不同力度吹气，观察蓝色曲线即原始传感器数值的变化，检查气压传感器是否有问题。可以看到，气压传感器非常灵敏！
打开串口监视器，观察不吹气、最大力度吹气时，输出的第一个数，然后分别设置为AD_MIN和AD_MAX。这两个数之间的气压将线性映射到MIDI信号的0~127，超出的部分将分别截断为0或127。程序不含较麻烦的力度曲线，若有必要，可使用DAW自带的力度曲线功能。对于我的传感器，如果水管密封，大力度吹气时数值能够达到10000以上；如果在水管上开了口，大力度吹气时数值只能达到2000左右。具体数值应自行调整，使得映射范围合适。

图2：串口监视器的数值输出
再重新打开串口绘图器，观察不同力度吹气时，红线（量化后）与蓝线（原始数据）的区别。可以看到，由于MIDI信号0~127的整数限制，数据精度有所降低，但仍然可以灵敏反应吹气力度。对于过低或过高的气压蓝线，红线被“削平”。因此，需要合理设置映射范围AD_MIN和AD_MAX，在范围尽量大的同时使得自己吹起来不累。

图3：串口绘图器中的数据曲线
实际使用时，可在所有含有“Serial”的行的开头添加注释符“//”，并重新上传到开发板，以屏蔽调试信息。简单起见，不制作配置上位机。若有需要，自行修改代码重新上传即可。

说明

兼容板不是盗版或山寨板，因为这并不违反Arduino开源协议，同时Arduino官方也明文说明了：不将开发板称作Arduino，也不在开发板上印制Arduino的商标，就是合法的。对应地，商家通常使用“duino”称呼这类兼容开发板。
本人没有批量制造的计划。除了个人时间和精力原因外，更重要的原因是USB授权问题：USB协会要求公司申请独立的Vender ID(VID)，并对产品使用独立的Product ID(PID)，因为每组VID和PID对应独立的驱动程序，这很类似于Native Instrument的标准库。对于个人，购买的Arduino开发板才是产品，因此使用Arduino的VID和PID没有问题，但售卖基于Arduino的产品则不一样。个人猜测商品呼吸控制器可能有很大成本在这VID上面。
基于普通串口的方案必须需要使用虚拟MIDI通道软件，而常用的loopMIDI只对个人非商业免费；USB转MIDI串口芯片的外围电路复杂，还需要额外的微控制器；BLE MIDI不需要USB VID和PID，但不兼容PC的桌面程序。因此这些方案并不十分合适。

写了这么多，有兴趣的话，就开始制作自己的控制器吧~