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MIDI再生:FM音源YMF825+Arduino編
2020.01.18

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ArduinoをSPI接続して、ラズパイからのMIDI出力をttymidiによりUSBシリアル経由でArduinoに流し込み再生します。 ttymidiは、Arduinoが追加のハードウェアを使用することなく、MIDIアプリケーションと通信できるようにします。

■準備するもの

使用する機材が多いので、下記に列挙しておきます。

Raspberry Pi Zero WH GPIOピンヘッダー ハンダ付け済み Wi-Fi & Bluetooth作動確認済(ヒートシンク、SDカード付き


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。
・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 ・動作電圧:5V
細ピンヘッダ 1×9
・極数:9/列数:1 ・ピッチ:2.54mm ・取付穴径:Φ0.80±0.05mm
YMF825 をブレッドボードに挿して使用する場合に必要になります。秋月さんでYMF825を購入するのであれば、一緒に買ってしまいましょう。
当然、はんだ付けが必要になります。
また、YMF825には、3.5mmヘッドフォン出力の他に、SPEAK OUTが2端子あるので、2ピンのピンヘッダもはんだ付けすると、ボードが安定します。

Arduino Nano V3.0
・Ch340G Replace FT232RL ・Operating Voltage(logic level):5V ・8 analog inputs ports:A0~A7 ・14 Digital input / output ports:TX,RX,D2~D13 ・6PWM ports:D3,D5,D6,D9,D10,D11 ・1 pair of TTL level serial transceiver ports RX / TX

ブートローダー付きの製品を選ぶと楽です。Nano でなくてもよいのですが、YMF825と合わせて下記のブレッドボードに収まります。

サンハヤト SAD-101 ニューブレッドボード
・部品やリード線を差すだけで回路が組み立てられる ・使用可能線径:AWG#22~#30(0.3φ~0.8φ) ・絶縁抵抗:1,000MΩ以上(DC500V/1min) ・静電容量:10pF以下(リード径0.6φ、1MHz) ・抵抗値:10mΩ(リード径0.6φ、1kHz) ・電流容量:MAX 3A ・端子部材質:ニッケルメッキ ・ポイント数:408

YMF825BoardとNanoがきれいに収まります。ちょっとお高いですがよい製品です。

変換名人 スマートフォン用 USBケーブル データ転送&充電対応 microB オス - MiniB オス USBMCA/M5A20F

Raspberry Pi Zero WH と Arduino Nano を繋ぐケーブルです。

AGPtEK R08 ポータブル FMラジオ MP3プレーヤー 録音/音楽再生機能付き 32GBマイクロSDカードに対応(ブラック)
本体寸法:約(幅)103×(高さ)62×(奥行)23mm / 本体重量:約118g / バッテリー:3.7V リチウムイオン電池 800 mAh(充電式)(付属します) / 入力端子:φ3.5mm 外部音声入力ジャック / 日本向け受信周波数:76-108 MHz
※スピーカー用に使用しています。LINE-INがあるので便利です。

ステレオ ミニプラグ 17cm
・ステレオ ミニプラグコード (オスオス) ・長さ約:17cm 1個 ・プラグ径3.5mm 3芯タイプ 金メッキ端子 ・コード径約3mm 高品質シリコンゴム やわらかく使い勝手が良いです。
ミニプラグ付きのスピーカーを使うのであれば必要ありません。

その他必要なもの
ジャンパワイヤ(オス~オス) 7本
Raspberry Pi Zero 用電源ケーブル・アダプター
はんだゴテ、はんだ等

■構成図


ラズパイ・ゼロWHとArduino Nanoは、USBケーブルでシリアル接続しています。また、ArduinoとYMF825はSPI接続です。 PCM5101AのDACは普段音楽を聴くためで、MIDI再生には関係ありません。ラズパイとArduinoはUSBシリアル接続ですので、DACと干渉しあうことはありません。 構成図には色々記載されていますが、要は青枠内です。
OSには、Raspbian Stretch を使用していますが、Stretch Lite でもかまいません。
Raspberry Pi の設定は、パソコンからSSH接続にて行っています。

■YAMAHA YMF825 Board と Arduino Nano の結線 (SPI接続)

YAMAHA YMF825 Board の表と裏です。ピンの脇に刻印があるので、配線は間違えないと思います。



 YMF825Board  -  Arduiono Nano
SS   -  D10:SS (chip select)
MOSI   -  D11:MOSI (serial data output)
MISO   -  D12:MISO (serial data input)
SCK   -  D13:SCK (serial clock)
GND   -  GND:ground
5Vin   -  5V :power
RST_N (reset)  -  D9
Audio Out 
3.3Vin 
SS信号線は、digitalWrite関数で制御できる信号線ならどのピンでも利用できます。
RESET信号は、Lにするとマイコンにリセットがかかる信号です。特にSPI通信に関係のある信号線ではありませんが、YMF825側にリセット端子があるので繋いでおきます。


実際に配線すると、こんな感じになります。中央にあるDACは関係ありません。右側のノートパソコンからSSH接続で設定を行っています。

■前準備
Arduino Nano に転送するソースコードのビルドは、PlatformIO で行います。
Arduino IDE でも構いませんが、使っていないのでよくわかりません。
Arduino開発環境構築 PlatformIO
まずは、ソースコードを配置するディレクトリを作成します。
$ mkdir -p /home/pi/ymf825midi
$ cd /home/pi/ymf825midi
$ platformio init -b nanoatmega328

■ソースコードのダウンロードと編集

YMF825Board Sample Module のダウンロード
https://github.com/yamaha-webmusic/ymf825board/tree/master/sample2/
YMF825をMIDI音源化するためのソフトウェアモジュールです。

/common 内のファイルと、 /arduino 内のファイル全てを、/home/pi/ymf825midi/srcフォルダにダウンロードします。

ymf825board_sample2.ino (機能追加版)

Ref.YMF825BoardをArduinoでMIDI音源化する
ymf825board_sample2.ino には、MIDIデータを受信する処理がないので、このシリアルデータを受信するスケッチファイルをダウンロードして、 /home/pi/ymf825midi/src/ymf825board_sample2.inoを上書きします。

ここで、ラズパイからMIDIデータをシリアル接続で受け取る際のボーレートを追記します。 115200にしてみてもよかったのですが、小心者なので、38400程度にしておきました。
$ vi src/ymf825board_sample2.ino

void setup() {
  // put your setup code here, to run once:
  initSPI();
  initSD1();

  Fmdriver_init();
  MIDI.setHandleNoteOn(noteOn);
  MIDI.setHandleNoteOff(noteOff);
  MIDI.setHandleProgramChange(programChange);
  MIDI.begin(MIDI_CHANNEL_OMNI);

  Serial.begin(38400); ← 追記
}

■ソースコードのビルド

ビルドします。
$ platformio run
...
Compiling .pio/build/nanoatmega328/src/ymf825board_sample2.ino.cpp.o
/home/pi/ymf825midi/src/ymf825board_sample2.ino:1:18: fatal error: MIDI.h: No such file or directory

**************************************************************
* Looking for MIDI.h dependency? Check our library registry!
*
* CLI > platformio lib search "header:MIDI.h"
* Web > https://platformio.org/lib/search?query=header:MIDI.h
**************************************************************

MIDI.hがないと怒られたので、MIDIライブラリーを追加します。
$ platformio lib search "header:MIDI.h"
Found 2 libraries:

MIDI Library
============
#ID: 62
Enables MIDI I/O communications on the Arduino serial ports

Keywords: midi
Compatible frameworks: Arduino
Compatible platforms: Atmel AVR, Atmel SAM, Teensy
Authors: Francois Best
.....

$ platformio lib install 62
Library Storage: /home/pi/ymf825midi/.pio/libdeps/nanoatmega328
LibraryManager: Installing id=62
Downloading  [####################################]  100%
MIDI Library @ 4.3.1 has been successfully installed!
環境設定ファイルにライブラリー情報を追記します。
$ vi platformio.ini
[env:nanoatmega328]
board = nanoatmega328
framework = arduino
platform = atmelavr
lib_deps =
        62
再度、ビルとして、Arduino に転送します。
$ platformio run -t upload

■ttymidi のインストール

ttymidiは、外部シリアルデバイスがALSA MIDIアプリケーションとやりとりできるようにするGPLライセンスのプログラムです。 ttymidiは、Arduinoが追加のハードウェアを使用することなく、MIDIアプリケーションと通信できるようにします。
Ref.http://www.varal.org/ttymidi/

TTYMIDI on the Raspberry Pi
Raspberry Pi用のTTYMIDIをインストールします。
Ref.http://siliconstuff.blogspot.com/2012/08/ttymidi-on-raspberry-pi.html

まずは、ALSAの開発環境をインストールします。
$ sudo apt-get install libasound2-dev

ttymidi をインストールします。

$ wget http://www.varal.org/ttymidi/ttymidi.tar.gz
$ tar -zxvf ttymidi.tar.gz
$ cd ttymidi/
$ make
gcc src/ttymidi.c -o ttymidi -lasound
src/ttymidi.c:477:1: warning: return type defaults to ‘int’ [-Wimplicit-int]
main(int argc, char** argv)
^~~~
/usr/bin/ld: /tmp/cc0IcPbX.o: シンボル 'pthread_join@@GLIBC_2.4' への未定義参照です
//lib/arm-linux-gnueabihf/libpthread.so.0: error adding symbols: DSO missing from command line
collect2: error: ld returned 1 exit status
Makefile:2: ターゲット 'all' のレシピで失敗しました
make: *** [all] エラー 1

gcc でスレッド用のライブラリを指定します。
$ vi Makefile
gcc src/ttymidi.c -o ttymidi -lasound
  ↓変更
gcc src/ttymidi.c -o ttymidi -lasound -lpthread
$ make
gcc src/ttymidi.c -o ttymidi -lasound -lpthread
src/ttymidi.c:477:1: warning: return type defaults to ‘int’ [-Wimplicit-int]
main(int argc, char** argv)
$ sudo make install
install -m 0755 ttymidi /usr/local/bin
■MIDIファイルの再生

Raspberry Pi Zero WH に接続されているデバイスを確認します。
$ platformio device list
/dev/ttyUSB0
------------
Hardware ID: USB VID:PID=1A86:7523 LOCATION=1-1
Description: USB2.0-Serial

/dev/ttyAMA0
------------
Hardware ID: 20201000.serial
Description: ttyAMA0
現在のボーレートをみてみます。
$ stty < /dev/ttyUSB0
speed 9600 baud; line = 0;
min = 0; time = 0;
-brkint -icrnl -imaxbel
-opost -onlcr
-isig -icanon -iexten -echo -echoe -echok -echoctl -echoke
現在のMIDIポートの入出力を確認します。
$ aconnect -iol
client 0: 'System' [type=カーネル]
    0 'Timer           '
    1 'Announce        '
client 14: 'Midi Through' [type=カーネル]
    0 'Midi Through Port-0'
バックグランドで、ttymidi を動かします。
$ ttymidi -s /dev/ttyUSB0 -b 38400 &

再度、MIDIポートの入出力を確認してみます。
$ aconnect -iol
client 0: 'System' [type=カーネル]
    0 'Timer           '
    1 'Announce        '
client 14: 'Midi Through' [type=カーネル]
    0 'Midi Through Port-0'
client 128: 'ttymidi' [type=ユーザ,pid=1468]
    0 'MIDI out        '
    1 'MIDI in         '
ボーレートも確認してみます。
$ stty < /dev/ttyUSB0
speed 38400 baud; line = 0;
....
ポートを指定して、MIDIファイルを再生しましょう。
$ aplaymidi -p 128:1 Aria.mid

スピーカーから音が流れましたら、成功です。

■注意点
Arduino のコードを書き換える際には、ttymidi がシリアルポートを占有しているので、 バックグランドプロセスをKILLしてから、行ってください。

■参考文献

FM音源YMF825を使ってみる[MIDI音源編]
http://www.umek.topaz.ne.jp/mameduino/ymf825midi_tg/

Windows と YMF825を接続する場合には下記も参考になると思います。
MIDIケーブルなしでArduinoとMIDIを送受信する方法
http://spinelify.blog.fc2.com/blog-entry-83.html

【深層学習関連】
20.11.21 深層学習 第1回環境整備
20.12.19 深層学習 第2回マルコフ連鎖・自動歌詞生成
21.01.02 深層学習 第3回コード進行解析

【画像処理関連】

20.05.28 画像処理 第1回トイカメラ
20.06.09 画像処理 第2回カメラモジュール制御
20.06.28 画像処理 第3回リアルタイムクロック
20.07.08 画像処理 第4回電源回路
20.10.27 画像処理 第5回自作デジカメ初号機完成
20.11.10 画像処理 第6回ドーナツデジカメ
【音楽関連】

20.01.05 第1回 abcjs 楽譜作成・演奏スクリプト
20.01.09 I2S通信によるハイレゾ音源再生
20.01.18 MIDI再生:FM音源YMF825+Arduino編
20.01.24 FM音源YMF825+micro:bit編
20.02.13 Piano Hat & Rosegarden
20.06.22 波形処理 第1回 音の波と三角関数
20.07.22 波形処理 第2回 平均律と純正律
20.08.26 波形処理 第3回 黒鍵と白鍵
21.01.02 深層学習 第3回 コード進行解析
21.01.16 波形処理 第4回 コード演奏
【WEBサイト構築関連】

19.10.15 第1回 前準備
19.10.20 第2回 Ubuntu Server インストール
19.10.27 第3回 Ubuntu Server 詳細設定
19.10.28 番外編 無線LAN接続設定
19.11.02 第4回 Apache WEBサーバ設定
19.11.05 第5回 PHP 設定
19.11.10 第6回 MySQL 設定
19.11.11 第7回 DNS (bind) 設定
19.11.16 第8回 メールサーバ(Postfix)設定・前編
19.11.21 第9回 メールサーバ(Postfix)設定・後編
19.11.24 第10回 ファイアウォール(iptables) 設定
19.11.25 第11回 crontab 設定
19.12.01 第12回 運用準備
19.12.03 第13回 Windowsパソコンに開発環境を作る
19.12.05 第14回 WEBサーバー公開
19.12.10 第15回 動的サイト制作
19.12.11 第16回 簡単なアクセスカウンターを作る
20.03.04 TTGO-Camera による定点観測・WEB公開
【開発環境関連】

19.12.19 Raspbian Stretch LITE インストール
19.12.19 ファイル共有 dokany + Win-sshfs
19.12.26 Arduino開発環境構築 PlatformIO
【SNS関連】

20.03.18 テキスト読み上げ gTTS
20.04.24 Twitter-LINE連携によるビジネス活用
20.05.19 テキスト読み上げ AquesTalk pico LSI
【周辺機器関連】

20.01.01 1280x800 HDMI MONITOR
20.01.12 micro:bitをコマンドラインで使う
20.02.04 サーマルプリンタを使う
20.03.27 M5Stackキーボードを利用する
20.06.29 液晶キャラクターディスプレイLCD1602A
20.08.03 Seeeduino XIAO
20.08.09 LGT8F328P - Arduino clone
20.09.18 電流計測モジュール INA219
【その他】

19.12.13 モバイルバッテリーによる瞬間停電対策
20.02.04 電子組版 upLaTeX
20.04.10 電卓を制御して数字を表示する
20.05.06 箱庭回路 蓄電&昇圧回路
20.09.04 箱庭回路 センサーライト
20.09.29 シガーライターIC s090c
20.10.13 自動給水装置 LM393+NE555
20.12.05 FM放送受信 TEA5767

 トランジスタ技術 2021年1月号
特集: アナログ回路はノイズと闘う ~システムの性能を維持して安定な動作を実現するために~
Interface 2021年1月号
☆特集 Jetson/ラズパイ/PCで自習 Python画像処理100 ☆特別付録:コンピュータ手帳2021
日経Linux 2021年 1月号
★超保存版・冊子付録   Ubuntu完全対応 Linuxコマンド逆引き大辞典   264項目 ★付録DVD 特集連動2本入り「Ubuntu 20.10 日本語Remix」「Ubuntu Server20.10」
ラズパイマガジン2020年12月号
温度、距離、におい、圧力など、さまざまな種類のセンサー350種類を一挙に紹介します。特性や価格を示した一覧表を用意したので、用途に合った適切な製品を選べます。そのうちの34種類のセンサーは、仕組みから配線図まで図解で分かりやすく解説します。
15Stepで踏破 自然言語処理アプリケーション開発入門
エンジニアの実務に役立つ知識に絞り、独自に15の学習ステップを体系化しました。 数値計算にNumPy、形態素解析にMeCab、機械学習にscikit-learn、ディープラーニングに Keras等を使い、Pythonのコードを記述し動かしていきます。
プログラミング・ビットコイン ―ゼロからビットコインをプログラムする方法

Linuxサーバーがゼロから作れる本
このLinuxを使いこなす上で一番手っ取り早いのが自分でLinuxサーバーを構築してみることです。 WindowsやMacのパソコンしか使ったことが無い人でも理解できるよう、 しくみや手順の解説を丁寧にまとめ上げた、ゼロからのサーバー入門ガイドです。

Raspberry Pi 3 Model B V1.2 (日本製) 国内正規代理店品
【仕様概要】CPU:ARM 1.2GHz 4コア、GPU:2コア 3D・動画支援、RAM:1GB、ネットワーク:LAN/Wi-Fi/Bluetooth、インターフェース:USB/HDMI/オーディオ/GPIO(UART/I2C/I2S/SPI...)。

Arduino Nano
ATmega328搭載/ 動作電圧: 5V/ 入力電源電圧(推奨):7~12V/ デジタル入出力ピン: 14本/ PWMチャンネル: 6本/ アナログ入力チャンネル: 8本/ 直流電流(1ピン当り最大): 40 mA/ 直流電流(3.3Vピン、1ピン当り最大): 50 mA/ Flashメモリ: 32 KB (ATmega328) 内2KBはブートローダーで使用/ SRAM: 2 KB (ATmega328)/ EEPROM: 1 KB (ATmega328)/ Clock Speed: 16 MHz
逆引き PIC電子工作 やりたいこと事典
機能が豊富で、速度・アナログ制御・省電力性・コストの面でもアドバンテージをもつPICマイコン。そんなPICマイコンの使い方を、目的別にやりたいことから引ける、逆引きタイプのガイドブックです。
C言語による PICプログラミング大全
2002年に初版、2009年に第2版を発売した名著『C言語によるPICプログラミング入門』 が大幅リニューアルし「大全」として生まれ変わりました。 本書では、機能豊富なPIC16F1シリーズを使いこなすために、統合開発環境を MPLAB X IDEに、CコンパイラはMicrochip Technology社純正のXC8に、それぞれ変更しました。 C言語でPICマイコンのプログラミングを始めたい方から、最新のPICマイコンの機能をとことん使い倒したい方まで、必ず役に立つ1冊です。
PICと楽しむRaspberry Pi活用ガイドブック
「PICマイコン+Raspberry Pi3B」という組み合わせで、高機能な電子工作を簡単に実現し、電子工作を各段に高度化する方法について解説していきます。
ESP32&Arduino 電子工作 プログラミング入門
電子工作ファンに人気のマイコンArduino、そしてWiFiとBluetooth内蔵でネットワーク接続しやすいESP32。それらのマイコンでプログラムを組む際に使うのが「Arduino言語」です。
超特急Web接続!ESPマイコン・プログラム全集
IoT技術の回路とプログラムを解説しました. トランジスタ技術2016年9月号と2017年3月号の特集に 最新の情報を加筆して一冊に仕上げました. 回路とプログラムのサンプル資料として最適です. ラズベリー・パイやIchigoJamを連動させた例も紹介しています
M5Stack用カード型キーボードユニット
M5Stackにフル機能のQWERTY配列キーボードを実装できるユニットです。複数のボタンの組み合わせ(Sym + Key、Shift + Key、Fn + Key)や豊富なキーの値を出力することが可能です。
Ubuntu サーバー徹底構築
サーバー用UbuntuでLinuxサーバーを構築しよう! 導入からLinuxやコマンドの基本、各種サーバー構築、バックアップやストレージ管理まで! サーバー用Linuxディストリビューションとして定評のあるUbuntu Serverの中でも、 10年長期サポート版であるUbuntu Server 18.04 LTSに対応!
[改訂第3版]Linuxコマンドポケットリファレンス
本書はLinux操作に必要なコマンドを収録したポケットリファレンスです。機能別にコマンドを分類し、各コマンドページでは書式/使用例などをコンパクトにまとめています。またアルファベット順索引も用意しており、名前しかわからなくてもすぐに目的のコマンドを探すことができます。今回の改訂では仮想化、データベース、クラウド時代に対応したネットワークコマンドなどを追加しています。おもなLinuxディストリビューションのCentOS、Fedora、Debian GNU/Linux、Ubuntuに対応し、初心者から上級者まで必携の1冊です。
できるPRO Apache Webサーバー 改訂版 Version 2.4/2.2/2.0対応
番のApache独学書を改訂しました! CentOS、Ubuntu、Windows、Mac OS Xに対応しています。できるPROシリーズは、実際の画面や詳細なイラスト、概念図などで構成。 はじめての方でも理解しやすくなっています。 インストール、アクセス制限、CGI、モジュール拡張、ログ管理など、基本的なことから実践的なことまでていねいに解説しています。
[改訂第3版]PHPポケットリファレンス
PHPを利用したいすべての方必携の「PHPポケットリファレンス」最新版がついに登場! PHP 5/4による開発の際によく利用される機能を集約し、必要な知識を目的別、逆引きでまとめました。PHP5.3以降を対象とし、PHP4からある機能はPHP4でも利用できることがわかるようになっています。またオブジェクト指向型のAPI解説を大幅に強化。開発の現場には1冊置いておきたい書籍です。
MySQL ポケットリファレンス
MySQLはさまざまなWebサービスの中核を担うデータベースです。本書はMySQLの基礎的な内容を中心に、日常的によく使うちょっとしたコマンドや、外部管理ツールとの連携など、MySQLの管理/運用にあたって便利な情報を素早く探し出すことができます。MySQL自体の操作、MySQL特有のコマンド、MySQL専用管理ツール、PHPからの操作など、MySQLを実際に使っているユーザーに役立つ内容となっています。
Postfix詳解―MTAの理解とメールサーバの構築・運用
電子メールの配送システムの中核を担うプログラム「MTA」(Message Transfer Agent)のひとつが、「Postfix」です。 この全容を記した本です。 すところなく解説していきます。
DNSがよくわかる教科書
本書では、DNSの仕組みから、ドメイン名のルール、主なリソースレコードの内容、コマンドによる動作確認、DNSの運用ノウハウ、DNSSECの基礎知識まで、順を追ってやさしく解説します。

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