NANO ESP32 USB MIDI
2024.10.10 / 2024.10.14更新
YouTube でも紹介しています。画像をクリックすると再生できます。
以前、ESP32-S3-DevkitC-1 を使って、USB MIDIキーボードを接続しました。
今回は、Arduino NANO ESP32 を使って USB MIDIキーボードを利用します。
2024.10.14 追記 PlatformIO によるアップロードに関して
下記環境においては正常にビルドおよびアップロード可能です
・Raspberry Pi OS with desktop (bookworm) 64bit版
・PlatformIO Core, version 6.1.16
- framework-arduinoespressif32 @ 3.20017.0 (2.0.17)
- tool-dfuutil-arduino @ 1.11.0
●Arduino Nano ESP32
MCU：NORA-W106 (ESP32-S3)/240MHz/ROM：384KB/RAM：512 KB
PSRAM：8MB/FLASH:16MB
Wi-Fi：2.4GHz帯,IEEE802.11 b/g/n対応
Bluetooth：Bluetooth LE v5.0対応
1x UART x1/SPI x1/I2C x1
Analog：8/Digital：14
各I/Oピンの出力電流：40 mA（ソース）・28 mA（シンク）
USBポート：MCUのUSBインターフェースを利用、Type-Cコネクタ
LED：電源（緑）、SCK（黄）、RGB-LED（7色またはフルカラー）
動作電圧：3.3 V
電源入力（VIN）：6～21 V
●Pinouts
うぷ主は、コマンドライン・インターフェイス派なので、ソースコードのビルドには、PlatformIOを使用しています
Arduino IDE を使用されている方は読み飛ばしてください
Arduino開発環境構築 PlatformIO
ビルドには、Raspberry Pi 3 model B を使用しています
$ cat /proc/cpuinfo | grep model
model name : ARMv7 Processor rev 4 (v7l)
●arduino_nano_esp32.json
$ pio boards 'NANO ESP32'
========================================================================
ID MCU Frequency Flash RAM Name
------------------ ------- --------- ----- ----- ------------------
arduino_nano_esp32 ESP32S3 240MHz 16MB 320KB Arduino Nano ESP32
$ pio init -b arduino_nano_esp32
UnknownBoard: Unknown board ID 'arduino_nano_esp32'
ボード情報が存在しないので、gitHub からダウンロードします
platform-espressif32/boards/arduino_nano_esp32.json
ボード情報の内容を確認します
{
"build": {
"arduino":{
"ldscript": "esp32s3_out.ld",
"partitions": "app3M_fat9M_fact512k_16MB.csv",
"memory_type": "qio_opi"
},
"core": "esp32",
"extra_flags": [
"-DARDUINO_NANO_ESP32",
"-DBOARD_HAS_PIN_REMAP",
"-DBOARD_HAS_PSRAM",
"-DUSB_MANUFACTURER=\\\"Arduino\\\"",
"-DUSB_PRODUCT=\\\"NanoESP32\\\"",
"-DARDUINO_USB_CDC_ON_BOOT=1",
"-DARDUINO_USB_DFU_ON_BOOT=1",
"-DARDUINO_RUNNING_CORE=1",
"-DARDUINO_EVENT_RUNNING_CORE=1"
],
"f_cpu": "240000000L",
"f_flash": "80000000L",
"flash_mode": "qio",
"hwids": [
[
"0x2341",
"0x0070"
]
],
"mcu": "esp32s3",
"variant": "arduino_nano_nora"
},
"connectivity": [
"bluetooth",
"wifi"
],
"debug": {
"openocd_target": "esp32s3.cfg"
},
"frameworks": [
"arduino",
"espidf"
],
"name": "Arduino Nano ESP32",
"upload": {
"flash_size": "16MB",
"maximum_ram_size": 327680,
"maximum_size": 16777216,
"require_upload_port": true,
"speed": 460800,
"protocol": "dfu"
},
"url": "https://docs.arduino.cc/hardware/nano-esp32",
"vendor": "Arduino"
}
指定されているパーティション情報のCSVファイルとピン情報が格納されているディレクトリは下記のようになっています
・"partitions": "app3M_fat9M_fact512k_16MB.csv",
・"variant": "arduino_nano_nora"
$ pio run
..........
PACKAGES:
- framework-arduinoespressif32 @ 3.20009.0 (2.0.9)
..........
/home/pi/.platformio/packages/framework-arduinoespressif32/cores/esp32/esp32-hal-gpio.h:29:10: fatal error: pins_arduino.h: No such file or directory
ビルドに使用されているESP32のフレームワーク・バージョンは、3.20009.0 (2.0.9) で、
pins_arduino.h が存在しないことがわかります
$ ls ~/.platformio/packages/framework-arduinoespressif*
/home/pi/.platformio/packages/framework-arduinoespressif32:
CMakeLists.txt boards.txt libraries platform.txt tools
Kconfig.projbuild cores package.json programmers.txt variants
/home/pi/.platformio/packages/framework-arduinoespressif8266:
LICENSE boards.txt keywords.txt platform.txt variants
POLICY.md bootloaders libraries programmers.txt
README.md cores package.json tools
該当するプラットフォームを特定します
$ ls ~/.platformio/platforms/espressif*
/home/pi/.platformio/platforms/espressif32@src-5f117260f75b328038ec9d3fd0e14a68:
LICENSE __pycache__ builder monitor platform.py
README.md boards examples platform.json
/home/pi/.platformio/platforms/espressif8266:
LICENSE __pycache__ builder monitor platform.py
README.md boards examples platform.json
$ cat ~/.platformio/platforms/espressif32@src-5f117260f75b328038ec9d3fd0e14a68/platform.json
"framework-arduinoespressif32": {
"type": "framework",
"optional": true,
"owner": "platformio",
"version": "~3.20009.0"
},
ボード情報を該当するプラットフォーム・ディレクトリに配置します
$ cp arduino_nano_esp32.json ~/.platformio/platforms/espressif32@src-5f117260f75b328038ec9d3fd0e14a68/boards/
パッケージ内の該当するframeworkディレクトリを確認します
$ cat ~/.platformio/packages/framework-arduinoespressif32/package.json
{
"name": "framework-arduinoespressif32",
"version": "3.20009.0",
"description": "Arduino Wiring-based Framework ....
"keywords": [
"framework",
"arduino",
"espressif",
"esp32"
],
"license": "LGPL-2.1-or-later",
"repository": {
"type": "git",
"url": "https://github.com/espressif/arduino-esp32"
}
}
変数情報ファイルを gitHub からダウンロードします
pins_arduino.h
#if defined(BOARD_HAS_PIN_REMAP) && ....
static constexpr uint8_t D0 = 0; // also RX
static constexpr uint8_t D1 = 1; // also TX
static constexpr uint8_t D2 = 2;
static constexpr uint8_t D3 = 3; // also CTS
static constexpr uint8_t D4 = 4; // also DSR
static constexpr uint8_t D5 = 5;
#else
static constexpr uint8_t D0 = 44; // also RX
static constexpr uint8_t D1 = 43; // also TX
static constexpr uint8_t D2 = 5;
static constexpr uint8_t D3 = 6; // also CTS
static constexpr uint8_t D4 = 7; // also DSR
static constexpr uint8_t D5 = 8;
arduino_nano_esp32.json で"-DBOARD_HAS_PIN_REMAP",が定義されているので、上段の部分が解釈されてしまいます。
プログラミングの際は、GPIO番号で指定したほうが無難です。
変数情報ファイルを配置するディレクトリを作成します
$ mkdir -p ~/.platformio/packages/framework-arduinoespressif32/variants/arduino_nano_nora
$ cp pins_arduino.h ~/.platformio/packages/framework-arduinoespressif32/variants/arduino_nano_nora
パーティション・テーブルを gitHub からダウンロードします
app3M_fat9M_fact512k_16MB.csv
パーティション・テーブル情報ファイルを配置します
$ cp app3M_fat9M_fact512k_16MB.csv ~/.platformio/packages/framework-arduinoespressif32/tools/partitions
環境設定ファイルを生成します
$ pio init -b arduino_nano_esp32
Resolving arduino_nano_esp32 dependencies...
Already up-to-date.
Project has been successfully updated!
Arduino NANO ESP32を接続して、ポートを確認します
$ pio device list
/dev/ttyACM0
------------
Hardware ID: USB VID:PID=2341:0070 SER=4827E2FC4524 LOCATION=1-1.2:1.1
Description: ARDUINO_NANO_NORA - TinyUSB CDC
/dev/ttyAMA0
------------
Hardware ID: 3f201000.serial
Description: ttyAMA0
$ pio run -t upload
embedded:startup.tcl:26: Error: Can't find interface/ftdi/dfu.cfg
USB DFUプロトコル
DFUは、ベンダー及びデバイスに依存しないメカニズムで、USBデバイスのファームウェアアップデートを行う方法等を提供します
arduino_nano_esp32.json 内のアップロード・プロトコルを確認します
"upload": {
"flash_size": "16MB",
"maximum_ram_size": 327680,
"maximum_size": 16777216,
"require_upload_port": true,
"speed": 460800,
"protocol": "dfu"
},
platformio/tool-dfuutil by PlatformIO
$ vi platformio.ini
platform_packages =
platformio/tool-dfuutil@^1.11.0
$ pio run -t upload
embedded:startup.tcl:26: Error: Can't find interface/ftdi/dfu.cfg
in procedure 'script'
at file "embedded:startup.tcl", line 26
*** [upload] Error 1
アップロードに失敗します。
framworkのバージョンが 2.0.14以上であれば、問題は発生しないかもしれません。
対応が面倒そうだったので、Arduino IDE でプログラム・セレクタを書き込みます。
●ESP32 PROGRAM SELECTOR
ESP32 PROGRAM SELECTOR
その後は、任意のプログラムをPlatformIOでビルドした firmware.bin をリネームして microSDカード に書き込んで実行させます。
※補足：Arduino IDEでのビルドに関して
Arduino IDEのメニュー編集
Arduino IDEのパーティション設定メニューでパーティション・テーブルを追加できなかったので、ボード情報ファイルを編集します。
ボード情報ファイルの場所
C:\Users\xxxxxxxx\AppData\Local\Arduino15\packages\arduino
\hardware\esp32\2.0.17\boards.txt
パーティション・メニューのデフォルト設定を変更します
nano_nora.menu.PartitionScheme.default=With FAT partition (default)
↓
nano_nora.menu.PartitionScheme.default=app3M_fat9M_fact512k_16MB
パーティション・テーブルは下記の場所にあります
C:\Users\xxxxxxxx\AppData\Local\Arduino15\packages\arduino
\hardware\esp32\2.0.17\tools\partitions
●ESP32-S3 USB MIDI
USB MIDIキーボードのソースコードは下記をご覧ください
ESP32-S3 USB MIDI
Arduino NANO ESP32 はUSB端子が１つです。
USB MIDIキーボードと NANO ESP32 に5Vを供給するためのコネクタを作成しました。
モバイル・バッテリーからVBUSに5Vを供給するとともにUSB MIDIキーボードとNANO ESP32を繋ぎます、
モバイル・バッテリーから5Vを供給し,TeraTerm で接続します。
microSD に保存した実行形式ファイルの一覧が表示されるので、USB MIDIを選択します
app1/ota_1のフラッシュ領域にプログラムがロードされ、リブートします
app3M_fat9M_fact512k_16MB.csv
# Name, Type, SubType, Offset, Size, Flags
nvs, data, nvs, 0x9000, 0x5000,
otadata, data, ota, 0xe000, 0x2000,
app0, app, ota_0, 0x10000, 0x300000,
app1, app, ota_1, 0x310000, 0x300000,
ffat, data, fat, 0x610000, 0x960000,
factory, app, factory, 0xF70000, 0x80000,
coredump, data, coredump, 0xFF0000, 0x10000,
ビルドして、デバイスモニターを起動します。
USB MIDIキーボードの鍵盤を押すと、ノート番号が表示されます。
※usbhmidi.inoのESP_LOGI()を書き換え、Telnet経由でTeraTermに表示するようにしています。
次に、VS1053ボードを使って、音を出してみます。
●VS1053 Codec + MicroSD Breakout - MP3/WAV/MIDI/OGG Play + Record - v4
VS1053 Codec + MicroSD Breakout
シリアル接続によりMIDIデータをNANO ESP32からVS1053に送信します。
| NANO ESP32 | - | VS1053 | - | SPEAKER |
| 5V | - | VCC | | |
| GND | - | GND | | |
| GND | - | GPIO-0 | | |
| TX1 | - | RX | | |
| D3 | - | RST | | |
| | | 3.3V - GPIO-1 | | |
| | | AGND | - | speaker(G) |
| | | LOUT | - | speaker(L) |
| | | ROUT | - | speaker(R) |
ブレッドボード1枚に収まるようにVS1053を立体的に配置しています。
VS1053のサンプルプログラムをダウンロードします。
●examples/player_miditest/player_miditest.ino
adafruit/Adafruit_VS1053_Library
コード変更のポイント
Arduino NANO ESP32のシリアルポート番号を明示的に記載します。
#define VS1053_MIDI Serial1
・・・・・
void setup() {
・・・・・
VS1053_MIDI.begin(31250);
↓
VS1053_MIDI.begin(31250, SERIAL_8N1, 44, 43);
「ESP32-S3 USB MIDI」で解説している usbhmidi.ino と組み合わせます。
static void midi_transfer_cb(usb_transfer_t *transfer)
{
if (Device_Handle == transfer->device_handle) {
int in_xfer = transfer->bEndpointAddress & USB_B_ENDPOINT_ADDRESS_EP_DIR_MASK;
if ((transfer->status == 0) && in_xfer) {
uint8_t *const p = transfer->data_buffer;
for (int i = 0; i < transfer->actual_num_bytes; i += 4) {
if ((p[i] + p[i+1] + p[i+2] + p[i+3]) == 0) break;
switch ( p[i+1] & 0xF0 ) {
case 0x90: midiNoteOn (p[i+1] & 0x0F, p[i+2], p[i+3]); break;
case 0x80: midiNoteOff(p[i+1] & 0x0F, p[i+2], p[i+3]); break;
default: break;
}
}
esp_err_t err = usb_host_transfer_submit(transfer);
}
}
}
p[i+1] & 0xF0：MIDIコマンドの下位4ビットが示すCHANNEL番号を無効にしています
p[i+1] & 0x0F：MIDIコマンドの下位4ビットが示すCHANNEL番号を抽出しています
VS1053のオーディオ出力を左上のラジオのLINE-INに繋いでいます。
●応用例
TeraTermに打鍵情報を表示するとともにログ保存を行っています。
鍵盤の状態のほかに音の間隔（デルタ・タイム）も算出しています。 デルタ・タイムがゼロの箇所は同時に複数の鍵盤を押しています。
記録したメロディーのお気に入り箇所を抜き出し、先頭部分のMIDIコードを用いて再現できるので便利です。
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Raspberry Pi（ラズベリー パイ）は、ARMプロセッサを搭載したシングルボードコンピュータ。イギリスのラズベリーパイ財団によって開発されている。
Arduinoで学ぶ組込みシステム入門(第2版)
●Arduinoを使って組込みシステム開発を理解する
・ハードウェアやソフトウェアなどの基礎知識/
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1.システム構築をインフラから始めるには/
2.ネットワークを構築する/
3.サーバーを構築する/
4.Webサーバーソフトをインストールする/
5.HTTPの動きを確認する/
6.プライベートサブネットを構築する/
7.NATを構築する/
8.DBを用いたブログシステムの構築/
9.TCP/IPによる通信の仕組みを理解する
C言語は第二の母国語: 独学学生時代から企業内IT職人時代に培った、独立のための技術とノウハウ 平田豊著
学生時代から独学でプログラミングをはじめ、企業内でデバイスドライバを開発し、そして独立後もたくさんのアプリケーション開発や技術書制作に携わってきた著者。その筆者が大事に使い続ける「C言語」の“昔と今”について、気づいたことや役立つ知識、使ってきたツールなどについて、これまで記してきたことを整理してまとめました。
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