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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。


【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
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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
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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
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20.12.05 FM放送受信 TEA5767

 トランジスタ技術 2021年1月号
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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」
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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...)。

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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
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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。
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