在开源硬件社区中，将复杂的音乐合成能力封装进一个口袋级设备，始终是一个极具挑战性的命题。Minichord 项目由 Benjamin Poilve 发起并维护，其核心目标是在有限功耗和硬件资源下，提供一套完整的可演奏电子乐器解决方案。不同于传统的软件合成器或模块化硬件，Minichord 选择在单颗 ARM Cortex-M7 微控制器上实现从信号采集、音频合成到输出播放的全链路功能。本文将从固件优化的视角切入，逆向分析其硬件交互架构，探究多通道音频合成与实时触控反馈在低功耗 MCU 上的工程化实现路径。
硬件基础：Teensy 4.0 选型与功耗管理架构
Minichord 的核心计算单元选用的是 PJRC 推出的 Teensy 4.0 开发板，其主控芯片为 NXP i.MX RT1062。这颗芯片基于 600 MHz 的 Cortex-M7 内核，配备 1024 KB 片上 Flash 和 512 KB SRAM，相较于传统的 8 位或 32 位单片机，在指令执行效率和内存带宽上具有显著优势。对于需要实时处理多个音频通道的合成器而言，主频和内存容量直接决定了可实现的复音数量与效果器复杂度上限。
功耗管理是 Minichord 设计中最具巧思的环节之一。项目采用了音频插孔作为系统电源开关的策略：只有当用户插入 3.5 mm 耳机插头时，电路才会导通，设备随即启动。这一机制通过一个带开关的音频插座（Switched Audio Jack）实现物理触发，避免了传统机械开关在便携设备中易损坏的问题。更关键的是，为了让电池供电成为主供电模式，组装指南中明确要求对 Teensy 4.0 进行硬件改装 —— 切断 VUSB 追踪线，将 USB 接口仅用于充电而非供电。这种设计确保了设备在未插入耳机时能够进入深度休眠，最大限度延长单次充电的使用时长。电池选型为 503450 规格的 1000 mAh 锂聚合物电池，官方标称续航约为 7 小时，低压报警后仍能维持约 15 分钟的演奏时间。
固件架构：多通道合成引擎与触控响应
Minichord 的固件基于 PlatformIO 和 Arduino 框架构建，使用了 Teensy Audio Library 作为音频处理的核心库。从用户手册中提供的合成框图来看，整个系统被划分为和声（Chord）部分与竖琴（Harp）部分，两者在信号通路上相对独立，但共享最终的混音与效果处理链。和声部分支持 4 个复音通道，对应 4 个独立的振荡器，可通过按钮组合生成三和弦、七和弦等复杂和声结构；竖琴部分则包含 12 个独立的音区，每个分区对应一个音符触发点，支持扫弦和保持演奏技法。
这种 4 + 12 的架构设计意味着固件需要同时管理至少 16 个独立的音频通道。Teensy Audio Library 采用了块处理（Block Processing）模式，通常以 128 样本为一个处理块，在 44.1 kHz 采样率下，每个音频块的时长约为 2.9 毫秒。为了保证音频输出的连续性和实时性，固件必须在每个采样周期内完成所有通道的波形生成、包络计算、滤波处理以及最终的数模转换。任何超过采样周期的延迟都将导致可闻的咔嗒声（Click）或断音，因此中断服务程序（ISR）的执行效率成为优化的关键。
触控响应是竖琴部分的另一项技术挑战。12 个感应分区被设计在一块独立的双层 PCB 上，通过排针与主 PCB 连接。考虑到用户可能以极快速度扫过所有分区，固件需要以足够高的频率轮询传感器状态，并在检测到触摸事件后立即触发对应的音符。从工程实践角度推测，这部分可能采用了 Teensy 内置的 Touch Sensing 功能或外部电容检测芯片，通过阈值比较和去抖动算法来过滤噪声干扰。
工程化参数与可落地清单
基于对硬件规格和固件框架的逆向分析，以下梳理出几个关键的工程化参数，为类似项目提供参考基准。
首先是电池与续航的权衡。1000 mAh 电池配合 7 小时续航，意味着平均工作电流约为 143 mA。这一数值是在典型演奏场景下测得的，包含音频输出、LED 指示和传感器扫描的功耗。如果增加效果器复杂度或提高采样率，续航将相应缩短，因此在固件设计时需要在音质与功耗之间做出权衡。建议在代码中加入电源状态监控，当电池电压低于阈值时自动降低合成引擎的负载或切换到更省电的音频输出模式。
其次是采样率与 CPU 负载的推断。虽然官方文档未明确标称采样率，但 Teensy Audio Library 默认支持 44.1 kHz 和 48 kHz 两种标准采样率。考虑到 Teensy 4.0 的 600 MHz 主频和 512 KB RAM，处理 16 通道合成加效果器链在理论上是可行的，但实际 CPU 占用率可能超过 50%。为避免音频劣化，建议在固件开发阶段使用 ARM CoreSight 调试工具实时监控 CPU 负载，并保留 20% 至 30% 的余量用于处理峰值触控事件和 MIDI 通信。
第三是 MIDI 双端口设计的通信开销。固件启用了 USB_MIDI_AUDIO_SERIAL 编译标志，并配置了双电缆模式（双端口），将和声与竖琴部分的 MIDI 数据分离传输。这种设计允许宿主软件（如 DAW 或合成器插件）分别接收两个声部的信息，实现更精细的路由和录制。值得注意的是，MIDI 通信虽然数据量较小，但 USB 枚举和中断处理仍会占用一定的 CPU 时间。在资源紧张的情况下，可以考虑通过事件队列和批量发送策略来降低中断频率。
结论：低功耗 MCU 上的复杂交互设计路径
Minichord 项目展示了如何在单颗低功耗 MCU 上实现一套完整的音乐交互系统。从 Teensy 4.0 的选型到音频插孔开关的功耗架构，从 16 复音合成引擎到实时触控分区响应，每一个设计决策都体现了对硬件资源与用户体验的精细平衡。对于嵌入式开发者而言，最重要的启示在于：不是所有功能都需要专用的外围芯片或协处理器，通过固件层面的算法优化和架构设计，完全可以在消费级 MCU 上实现专业级的音频处理能力。
后续的固件优化方向可能包括：引入动态电压频率调节（DVFS）以进一步降低待机功耗；实现更精细的包络共享机制以减少内存占用；以及探索基于 Web MIDI 的实时参数调整界面，扩展设备的可玩性和定制深度。
参考资料
- Minichord GitHub Repository. https://github.com/benjaminpoilve/minichord
- Minichord Official Assembly Guide. https://minichord.com/assembly/
- Minichord Official User Manual. https://minichord.com/user_manual/