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FM音源YMF825+micro:bit編
2020.01.24

YouTube 動画でポイントを説明しています。画像をクリックすると再生できます。

今回は、ヤマハのFM音源YMF825ボードとmicro:bitをSPI接続し、SSH経由でノートパソコンのキーボードを鍵盤に見立てて音を鳴らせてみます。 また、音源のアルゴリズムも変更してみます。

ここでの前知識として、下記のYouTube動画と解説をご覧ください。
micro:bitをコマンドラインで使う

■構成図


ラズパイ・ゼロWHとmicro:bitは、USBケーブルでシリアル接続しています。また、micro:bitとYMF825は拡張シールドを介してSPI接続しています。
OSには、Raspbian Stretch を使用しています。Raspberry Pi の操作は、パソコンからSSH接続にて行います。

■micro:bit のピン配置
micro:bit は、I2C、SPIインターフェースを内蔵していますが、I2Sがないのが残念です。

BBC micro:bit
英国BBCの教育向けシングルボードコンピュータです。micro:bitはプログラミング可能な小さなコンピューターで、学習や教育が楽しく簡単に出来るようにデザインされています。

■micro:bit 用拡張シールド
micro:bit単体では、YAMAHAのFM音源YMF825と接続できないので、拡張シールドを用います。 micro:bit は3.3V稼働、FM音源YMF825は5V仕様なので、レベル変換に対応したシールドを使います。 下記のシールドでは、micro:bitにプログラムを転送する際には、micro:bit本体とラズパイをUSB接続する必要があります。 プログラム転送後は、micro:bit側のUSBケーブルを外しても、拡張シールド側の電源供給でmicro:bitも接続機器も稼働します。

Micro:bitマイクロビット センサーシールドV2 3.3V 5Vプログラミング拡張
I2CやSPI通信ピンなど、一般的に使用されているシリアル通信インタフェースを2.54mmピッチのピンまたはメスヘッダに拡張。マイクロ:ビット制御ボードと他の通信デバイス間の通信を可能にします。
センサーに電力を供給するとき、ジャンパーキャップV1とV2を通して供給電圧3.3Vか5Vを選ぶことができます。

■YAMAHA FM音源 YMF825ボード
YMF825は、4オペレータのFM音源、最大16音同時に発音可能、FMの基本波形29種類内蔵、アルゴリズム8種類、SPIによるシリアルインタフェース、スピーカアンプ内蔵、3バンドイコライザ内蔵、16 bitモノラルD/Aコンバータ内蔵で動作電圧5Vです。
ヤマハFM音源LSI YMF825搭載モジュール YMF825Board
ヤマハのFM音源チップYMF825(SD-1)を搭載した音源ボードです。ヤマハ独自のFMシンセサイザを搭載し、数種類のパラメータ指定により豊かなサウンドを再生することが可能です。 ArduinoやRaspberry Pi等のマイコンボードから、SPIを通して直接YMF825のレジスタを制御することで発音させます。スピーカーアンプも搭載しているので、アンプ回路を別途外部に用意する必要がありません。

■YMF825ボードと拡張シールドの結線
YMF825と拡張シールドをSPI接続します。
 YMF825Board  -  micro:bit
SS   -  P16:SS (chip select)
MOSI   -  P15:MOSI (serial data output)
MISO   -  P14:MISO (serial data input)
SCK   -  P13:SCK (serial clock)
GND   -  GND:ground
5Vin   -  5V :power
RST_N (reset)     
Audio Out 
3.3Vin 
micro:bit 側の機能割振りのないデジタル8番ピンをリセットに使用してもよいのですが、接続しなくても問題ないようです。


配線すると、こんな感じになります。シールドのUSB端子は電力供給用です。5Vの電力供給を行うには、シールド側に電源用USBケーブルを挿す必要があります。 また、ここにラズパイからのUSBケーブルを挿しても、micro:bitと通信できません。ラズパイとのシリアル通信にはmicro:bit本体とUSB接続します。
YMF825には、SPEAK OUTの他に、3.5mmヘッドフォン出力があるので、そこにミニジャックを挿しても構いません。
今回は、パソコンからmicro:bit側のプログラムへ逐次データ送信を行うので、micro:bit本体側USBケーブルも挿したままにします。

■サンプルプログラムの使い方

下記の2つのプログラムをダウンロードします。
main.py
ymf825.py

micro:bit へ転送します。
$ ufs put main.py
$ ufs put ymf825.py

minicom を起動して、micro:bitをリセットします。
$ minicom -b 115200 -o -D /dev/ttyACM0

ラズパイとmicro:bitとのシリアル通信のコードはこんな感じです。
コード変換の部分はもうちょっとスマートな書き方があるかもしれません。
while True:
  if uart.any():
    s = uart.read()
    key = chr(ord(s))
    if key == 'q':
      break
    elif key >= '0' and key <= '7':
      ymf.setAlgorithm(int(key))
      uart.write('Algorithm=' + key + '\r\n')
    elif key in notes:
      note = notes[key][0]
      ymf.keyon(0, 0, note)
      uart.write('note=' + notes[key][1] + '\r\n')
      sleep(200)
      ymf.keyoff(0);
      sleep(10);
    else:
      continue
minicom 上でキーボードを叩いてみましょう。 このプログラムでは、ノートパソコンのキーボードをピアノの鍵盤にみたてて、キーを押すと音が鳴るようにしています。 [Shift]キーを押しながら、キーを押すと1オクターブ上の音が鳴ります。

def keyon(self, toneIndex, channel, note):
  freqNum=self.noteFnum[note%12]
  block=int(note/12)
  freqNumH=((0x0380 & freqNum)>>4)|block
  freqNumL=0x7f&freqNum

  mosiChar( 0x0B, channel)
  mosiChar( 0x0C, 0x54)
  mosiChar( 0x0D, freqNumH)
  mosiChar( 0x0E, freqNumL)
  keyTone=0x40|(toneIndex&0x0f)  # 0x40:KeyOn
  mosiChar( 0x0F, keyTone)
また、YMF825は4オペレータのFM音源と8種類のアルゴリズムを実装しています。 0~7までの数字キーを押すと、下記の番号に対応して、アルゴリズムを変更できます。
※実際にはアルゴリズムは4つのオペレータと深く絡んでいるので、各オペレータの情報も修正しないとよい音質は得られません。

def setAlgorithm(self,num):
  self.tone_data[2] = 0x40|num
  mosiChar( 0x08, 0xf6 )
  sleep(1)
  mosiChar( 0x08, 0x00 )
  mosi( 0x07, self.tone_data, 35 )
このプログラムでは実装していませんが、YMF825には29種類の波形が内蔵されているので、波形を変更するのも面白いかもしれません。
ソースコードでいうと、下記の部分です。 YAMAHA YMF825 の Tone Paramater 資料と、FM音源の専門書を参考に、自分だけの音を作ってみてはいかがでしょうか。
tone_data = [
  0x81,                               # 80H + Tone Number
  0x01,                               # BO (Basic Octave)
  0x43,                               # LFO,ALG
  0x00,0x67,0xFF,0x9D,0x00,0x10,0x40, # Operator1 Setting
  0x21,0x33,0xE2,0xA3,0x00,0x50,0x00, # Operator2 Setting
  0x10,0x41,0xD3,0x88,0x01,0x10,0x00, # Operator3 Setting
  0x21,0x62,0xD4,0x02,0x01,0x10,0x00, # Operator4 Setting
  0x80,0x03,0x81,0x80]                # Footer


ここで、重要な事に気付いてしまいました!
micro:bit を拡張シールドに装着すると、可愛くない!
見た目の美しさが半減、いや7割減です!
これなら、ブレッドボードに Arduino Nano を挿して使ったほうが整然としていて美しい。

■参考資料
yamaha-webmusic/ymf825board System Setting
yamaha-webmusic/ymf825board Tone Parameter
Fabble

Arduino と micro:bit の性能比較
Arduino Nanomicro:bit
CPU: Atmel Atmega328P
8bit@16MHz
nRF51822(ARM Cortex M0)
32bit@16MHz
Flash Memory: 32KB 256KB※
RAM: 2KB 16KB
GPIO: Digital=14
Analog=8
GPIO=19
LED: 1個 25個
加速度センサー: × MMA8653FC
磁気センサー: × MAG3110
スイッチ: × タクトスイッチ2個
USB: mini-type micro-type
無線: × BLE
電圧: +5VDC +3.3VDC
言語: Arduino言語 JavaScript/MicroPython
サイズ: 18mm×42mm 52mm×42mm
※MicroPythonファイルシステムで 利用可能な容量は約 30KBです。
Ref. BBC micro:bit MicroPython ドキュメンテーション
※micro:bitの温度センサーは室温ではなく、micro:bitの基板に搭載されているICチップの温度です。

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