Abby Blog

Intro

我的目標是這樣的: 將 Raspberry Pi 2B 與 USB MIDI 鍵盤連接，造一台具備 3.5mm 音頻輸出的即插即用電子琴。

主要KPI 是: 低延遲、音頻合成穩定、支援開機自動啟動。

配置

在開始之前，先過一遍弱雞配置：

Raspberry Pi 2B: ARM Cortex-A7 四核 900MHz, 1GB RAM
MIDI 鍵盤: M-Audio Keystation 88 (USB 連接)
音頻輸出: 3.5mm 耳機插孔
作業系統: Raspberry Pi OS 最新版(32bit)

軟體架構

核心組件

FluidSynth: 軟體音頻合成器
ALSA: 底層音頻驅動系統
SoundFont: GM 標準音色庫
aconnect: MIDI 連接管理工具

流程是：MIDI 鍵盤 → ALSA MIDI → FluidSynth → ALSA Audio → 3.5mm 輸出

開發過程與問題解決

架構雖然簡單，但這不是我本來的想法。開始時經歷了幾個階段：

基礎設定問題

問題１: 音頻輸出選項

新版 Raspberry Pi OS 移除了傳統的 3.5mm 選項
解決方案: 使用 amixer cset numid=3 1 強制 3.5mm 輸出

問題２: PulseAudio vs PipeWire

決策: 選擇 PulseAudio（對 Pi 2B 資源消耗較低）

延遲優化問題

問題３: 明顯的按鍵延遲

解決方案: 調整 FluidSynth 音頻緩衝區參數
```
-o audio.period-size=128
-o audio.periods=3
```

問題４: 和弦破音

原因: 音頻增益過高 + 緩衝區太小
解決方案: 降低增益（-g 0.8）並平衡緩衝區大小

自動啟動問題

問題５: systemd service 權限與時序問題

原因: PulseAudio 連接拒絕，和音頻系統初始化時序不一致
我嘗試過下面的方案:
1. systemd system service（失敗）
2. systemd user service（部分成功）

我推測問題原因是 PulseAudio 重啟後連接失敗，根本來說是 PulseAudio 重啟太快，服務未完全就緒。

解決方案: 放棄 PulseAudio，改用 ALSA 直接輸出。

最終方案

成功配置: cron @reboot + ALSA 直接輸出

@reboot sleep 10 && /usr/local/bin/piano-startup.sh >> /home/abby/piano.log 2>&1

技術細節

FluidSynth 最佳參數

fluidsynth -a alsa -m alsa_seq -is -g 0.8 \
  -o audio.period-size=128 \
  -o audio.periods=3 \
  -o audio.alsa.device=hw:0 \
  /usr/share/sounds/sf2/FluidR3_GM.sf2 &

MIDI 連接自動化

# 等待 FluidSynth MIDI 端口就緒
timeout=10
while [ $timeout -gt 0 ]; do
    if aconnect -o | grep -q "FLUID Synth"; then
        break
    fi
    sleep 1
    timeout=$((timeout-1))
done

# 自動連接 MIDI
aconnect 24:0 128:0

音頻設定

# 強制 3.5mm 輸出
amixer cset numid=3 1
amixer set Master 100%

成果

延遲 < 20ms（主觀感受良好）：done。和弦演奏無破音：done。開機即可使用：done。

大成功。

效能 / Performance 方面： FluidSynth 約 15% CPU + 22% RAM，Buffer是 128 samples (2.9ms @ 44.1kHz)

一點點的 Insight

ALSA 比 PulseAudio 更適合嵌入式應用
systemd 不一定是最佳解決方案
PulseAudio 增加了不必要的複雜度

GitHub

https://github.com/abbychau/Raspberry2B-midi-piano

Raspberry Pi 2B MIDI 鍵盤專案：詳細總結與檢討