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USB MIDIキーボード → VS1053再生
2025.11.24


ESP32-S3のUSBホスト機能を利用して、USB MIDIコントローラからの打鍵情報に基づき音を鳴らせてみます


前回11月20日の記事で紹介したNANO ESP32 統合環境を活用して、USB MIDIキーボードとVS1053 MIDIモジュールを使って音を鳴らしてみます。
NANO ESP32 統合環境

●KORG nanoKEY2
USB MIDIコントローラには、KORG nanoKEY2 を使いました

コントローラー 25鍵ベロシティ対応キーボード
PITCH UPボタン、PITCH DOWNボタン、OCTAVE UPボタン、OCTAVE DOWNボタン、MODボタン、SUSTAINボタン
オクターブ・レンジ -4 ~ +4
ベロシティ・カーブ 4種類
対応ソフトウェア MIDI入力に対応するホスト・アプリケーション
接続端子 USB端子(mini B)
電源 USBバス電源方式
消費電流 100mA以下
外形寸法 325(W) x 83(D) x 16(H) mm
質量 244g

●VS1053 Codec + MicroSD Breakout - MP3/WAV/MIDI/OGG Play + Record - v4
nanoKEY2の鍵盤を押した際のMIDIコードをVS1053に送信して音を確認します

VS1053 Codec + MicroSD Breakout

下記はArduino UNOとの配線例です。今回は、Arduino Nano ESP32互換ボードを使用しています。


VS1053のモジュール化

ブレッドボード仕様の基板にヘッダーピンをはんだ付けして、VS1053をジャンパーピンで接続しています。

裏面に配線しています。


KORG nanoKEY2のUSB端子はminiBです。 miniB-TypeA USBケーブルを繋いでいるので、さらにType-A → Type-C変換ケーブルを作りました。


VS1053のオーディオ出力をMP3ラジオのLINE-INに接続し、アンプ付きスピーカーとして利用します、
USB MIDIキーボードとVS1053をNANO ESP32に繋ぎ、 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 
3.3V  -  VCC       
GND  -  GND       
    GND - GPIO-0       
Serial1 TX(5)  -  RX       
A0  -  RST       
    3.3V - GPIO-1      
     AGND -  speaker(G) 
     LOUT -  speaker(L) 
     ROUT -  speaker(R) 

VS1053から受信するデータはないので、RXはVS1053のリセット制御に利用しています

●開発環境
ソースコードのビルドには、開発環境に PlatformIOを使用しています。
Arduino開発環境構築 PlatformIO
ボードの初期設定を行います
$ pio init -b arduino_nano_esp32
v
初期設定に追記します
$ vi platformio.ini
[env:arduino_nano_esp32]
platform = espressif32
board = arduino_nano_esp32
framework = arduino

board_build.partitions = default_16MB.csv
build_flags =
	-DBOARD_HAS_PSRAM
	-mfix-esp32-psram-cache-issue
	-DCORE_DEBUG_LEVEL=4
board_build.arduino.memory_type = qio_opi
board_build.f_flash = 80000000L
board_build.flash_mode = dio
monitor_speed = 115200
upload_port = /dev/ttyACM0

Configuration for esp32s3 N16R8

●プログラミング
下記に示すUSE MIDIおよびVS1053ライブラリを組合せて、ご自身の動作環境に合わせて編集するとよいと思います。

ESP32-S3 USB MIDI

touchgadget/esp32-usb-host-demos
必要となるのは以下の3つのソースファイルです。
・usbhmidi.ino
・show_desc.hpp
・usbhhelp.hpp
usbhmidi.inoのESP_LOGI()を書き換え、Telnet経由でTeraTermに表示するように加工すると便利です。

Adafruit VS1053 Libraryo

adafruit/Adafruit_VS1053_Library
必要となるのは以下のソースコードです。
・examples/player_miditest/player_miditest.ino

コード変更のポイント

Arduino NANO ESP32 に実装されている ESP32-S3 の Serial1、Serial2 には、任意のGPIOを割り当てることができます。 RXはSerial0に逃がして、QWIICケーブルのRXは、VS1053_RESETとして利用します。

#define VS1053_RESET A0
  ・・・・・

void setup() {
  ・・・・・
  VS1053_MIDI.begin(31250);
    ↓
  Serial2.begin(31250, SERIAL_8N1, SERIAL0_RX, SERIAL2_TX);
  pinMode(SERIAL2_RX, OUTPUT);
  digitalWrite(SERIAL2_RX, LOW);
  delay(10);
  digitalWrite(SERIAL2_RX, HIGH);
  delay(10);

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

$ pio run -t upload
$ pio device monitor -p /dev/ttyAMA0 -b 115200
ビルドして、デバイスモニターを起動します。
モバイル・バッテリーから5Vを供給しマイコンを起動します。


起動すると、不明なデバイスとしてKORG nanoKEY2 が認識されているようです。


nanoKEY2の鍵盤を押すと、MIDIコードを解析して、VS1053にMIDIコードを送信、スピーカーで音を確認しています。 また、TeraTermにノート番号が表示させるとともに、Teratermのログ機能で保存しています。 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・タイムが極端に短い場合は、鍵盤を同時に押したものとみなし、デルタ・タイムをゼロに補正しています。 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。
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。

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