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YAMAHAのFM音源IC(YM2413)の使い方の基礎

過去に"YAMAHAの音源IC(YMZ294)の使い方の基礎"でPSG(SSG)音源のYMZ294の使い方の基礎を説明しましたが、今回はFM音源の中で一番簡単なYM2413(OPLL)について説明します。

この音源は音色データを内蔵しているので、複雑なパラメータを指定しなくてもすぐに音を鳴らすことができます。

今回もArduino Unoで制御しますが、理解すればmbedでもPICやAVRで直接制御するにせよ同じ方法で使うことができるはずです。
初期処理から基準のA(ラ,440Hz)の音を出力するまでの手順を説明します。

個々のレジスタの情報等の詳細な仕様はアプリケーションマニュアルを参照ください。

http://d4.princess.ne.jp/msx/datas/OPLL/YM2413AP.html

ハードウェア

下の回路図のようにArduinoとYMZ294を接続しています。

Arduino 2:9 - YM2413 D0:D7
Arduino A0 - YM2413 IC
Arduino A1 - YM2413 CS
Arduino A2 - YM2413 WE
Arduino A3 - YM2413 A0

出力はメロディー出力のMOとリズム出力のROと別れてますが、今回はメロディー出力のみ使用します。
出力は小さいので、アンプを別に通すなり、アンプ回路を組むなりしてスピーカーやイヤホン等に接続してください。、

実際に動作させるまでの処理

IOの設定

まず、Arduinoに接続されたピンに対して便宜上名前を付けます。

const byte IC_PIN = A0;
const byte CS_PIN = A1;
const byte WE_PIN = A2;
const byte A0_PIN = A3;
const int DATA_PIN[] = { 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 };

setup()内ですべて出力に設定します。

for (int i = 0; i < 8; i++) {
  pinMode(DATA_PIN[i], OUTPUT);
}
pinMode(CS_PIN, OUTPUT);
pinMode(A0_PIN, OUTPUT);
pinMode(IC_PIN, OUTPUT);
pinMode(WE_PIN, OUTPUT);
レジスタ書き込みファンクション

音源ICの機能は全てレジスタにアクセスすることで制御できます。
これは同じYAMAHA製のFM音源ICも含めて基本的なことなので、この概念を理解すると他の音源ICもレジスタの仕様をチェックするだけで使えるようになります。

CS_PINがLOWの状態でDATA_PINにバイトデータをセットし、CS_PINをHIGHにするとバイトデータがYM2413に送られます。このときA0_PINがLOWの場合はレジスタのアドレス、A0_PINがHIGHの場合はレジスタに入れる値となります。
すぐにCS_PINピンの状態を変えても反応しないことがあるため、アドレス書き込み時には12us程度、データ書き込み時には84us程度ウェイトを入れます。

この方法でレジスタに値をセットするファンクションを定義します。

void set_register(byte addr, byte value)
{
  // addr
  digitalWrite(A0_PIN, LOW);
  digitalWrite(CS_PIN, LOW);
  for (int i = 0; i < 8; i++) {
    digitalWrite(DATA_PIN[i], bitRead(addr, i));
  }
  delayMicroseconds(12);
  digitalWrite(CS_PIN, HIGH);

  // value
  digitalWrite(A0_PIN, HIGH);
  digitalWrite(CS_PIN, LOW);
  for (int i = 0; i < 8; i++) {
    digitalWrite(DATA_PIN[i], bitRead(value, i));
  }
  delayMicroseconds(84);
  digitalWrite(CS_PIN, LOW);
}
YM2413の初期化

動作の初めにYM2413を初期化します。
ICをLOWにし、100us程度間をおいてからICをHIGHにするとすべてのレジスタが0でリセットされます。
また今回はレジスタに書き込む程度の操作しかしないため、WEをLOWにしておきます。

リセット後にすぐにレジストを操作しても動作しないことがあるので、最後に1秒程度のウェイトを入れてますが、もっと短くしても大丈夫です。適当に調整してください。

この方法で初期化するファンクションを定義します。

void reset() {
  digitalWrite(WE_PIN, LOW);
  digitalWrite(IC_PIN, LOW);
  delayMicroseconds(100);
  digitalWrite(IC_PIN, HIGH);
  delay(1000);
}

このファンクションをsetup()内で実行します

  reset();
F-Numberを指定して出力

音の出力はF-Numberという値を使用します。

音程とF-Numberの対応表はアプリケーションマニュアルに書いてあります。

レジスタ0x10(+チャンネル番号)にF-Numberの下位8ビットを指定します。
レジスタ0x20(+チャンネル番号)に音階(オクターブ)とF-Numberの上位1ビットを指定します。

チャンネルとF-Numberを設定するファンクションを定義
レジスタ0x20(+チャンネル番号)に音のオン/オフ(key)も指定するするのですが、今回はkey=1(オン)を固定で設定します

void SetFNumber(int ch, int oct, int f_number) {
  // F-Numberの下位8ビット
  set_register(0x10 + ch, f_number & 0xff);
  // key=1, oct, F-Numberの上位1ビット
  set_register(0x20 + ch, (1 << 4) | (oct << 1) | (f_number >> 8));
}
音色と音量

レジスタ0x30(+チャンネル番号)の上位4ビットは音色、下位4ビットは音量になっています。

チャンネルと音色と音量を設定するファンクションを定義

void SetInstVol(int ch, int inst, int vol) {
  set_register(0x30 + ch, (inst << 4) | vol);
}
演奏

チャンネル0の音色を3(ピアノ)、音量を15にします。
チャンネル0に440HzのA(ラ)の音程のF-Number(288)とオクターブ4をセットします。
1秒後にチャンネル0の演奏を止めます。
この時0x20(+チャンネル番号)に0を入れます。こうすることによりkeyのビットも0になるので、演奏も止まります。
この処理は1回だけ実行するつもりだったので、setup()内の最後に追加しました。

  SetInstVol(0, 3, 16);
  SetFNumber(0, 4, 288);
  delay(1000);
  set_register(0x20, 0);

これで起動後、1秒間だけ音が出力されるはずです。

今回はおまけでloop()無いでドレミファソラシドを演奏するサンプルも書きました。

void loop() {
  delay(1000);
  SetFNumber(0, 4, 172);
  delay(500);
  SetFNumber(0, 4, 192);
  delay(500);
  SetFNumber(0, 4, 216);
  delay(500);
  SetFNumber(0, 4, 229);
  delay(500);
  SetFNumber(0, 4, 257);
  delay(500);
  SetFNumber(0, 4, 288);
  delay(500);
  SetFNumber(0, 4, 323);
  delay(500);
  SetFNumber(0, 4, 343);
  delay(1000);
  set_register(0x20, 0);
}

最後にソース全文を掲載するので、参考にどうぞ。

// Output Pins
const byte IC_PIN = A0;
const byte CS_PIN = A1;
const byte WE_PIN = A2;
const byte A0_PIN = A3;
const int DATA_PIN[] = { 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 };

void setup() {

  for (int i = 0; i < 8; i++) {
    pinMode(DATA_PIN[i], OUTPUT);
  }
  pinMode(CS_PIN, OUTPUT);
  pinMode(A0_PIN, OUTPUT);
  pinMode(IC_PIN, OUTPUT);
  pinMode(WE_PIN, OUTPUT);
  
  reset();
  
  SetInstVol(0, 3, 16);
  SetFNumber(0, 4, 288);
  delay(1000);
  set_register(0x20, 0);

}

void loop() {
  delay(1000);
  SetFNumber(0, 4, 172);
  delay(500);
  SetFNumber(0, 4, 192);
  delay(500);
  SetFNumber(0, 4, 216);
  delay(500);
  SetFNumber(0, 4, 229);
  delay(500);
  SetFNumber(0, 4, 257);
  delay(500);
  SetFNumber(0, 4, 288);
  delay(500);
  SetFNumber(0, 4, 323);
  delay(500);
  SetFNumber(0, 4, 343);
  delay(1000);
  set_register(0x20, 0);
}

// 初期化
void reset() {
  digitalWrite(WE_PIN, LOW);
  digitalWrite(IC_PIN, LOW);
  delayMicroseconds(100);
  digitalWrite(IC_PIN, HIGH);
  delay(1000);
}

// F-Number指定
void SetFNumber(int ch, int oct, int f_number) {
  set_register(0x10 + ch, f_number & 0xff);
  set_register(0x20 + ch, 16 | (oct << 1) | (f_number >> 8));
}

// 音色と音量指定
void SetInstVol(int ch, int inst, int vol) {
  set_register(0x30 + ch, (inst << 4) | vol);
}

// レジスタセット
void set_register(byte addr, byte value)
{
  // addr
  digitalWrite(A0_PIN, LOW);
  digitalWrite(CS_PIN, LOW);
  for (int i = 0; i < 8; i++) {
    digitalWrite(DATA_PIN[i], bitRead(addr, i));
  }
  delayMicroseconds(12);
  digitalWrite(CS_PIN, HIGH);

  // value
  digitalWrite(A0_PIN, HIGH);
  digitalWrite(CS_PIN, LOW);
  for (int i = 0; i < 8; i++) {
    digitalWrite(DATA_PIN[i], bitRead(value, i));
  }
  delayMicroseconds(84);
  digitalWrite(CS_PIN, LOW);
}

【永久保証付き】Arduino Uno

【永久保証付き】Arduino Uno

電子工作でのFM音源ICの個人評価

現在は電子工作でFM音源を扱う場合は、mbedやFPGAでエミュレートして再現したものや、YMF825BoardのようなSPI接続で簡単に扱えるものまでありますが、YAMAHAFM音源ICについて性能ではなく、電子工作での扱いやすさの観点から評価しました。

扱いやすい順で書いていきます。

YM2413 (OPLL)

2オペレータ、モノラル出力。
9チャンネル同時発音、もしくは6チャンネル+リズム音源5チャンネル同時発音。

18pinのDIPDACも内蔵されているため、小さく配線も少なくて済み手軽に扱える。

1音色しかエディトできないが、初めから他に15音色が内蔵されている。
この自由度の低さから普通に使う分にはあまり評価されないが、複雑なパラメータを設定しなくてもすぐに手軽に音が出せる。

FM音源の中では圧倒的に手軽に音が出せるので、ついYM2413ばかりで遊んでしまう。

YM3438 (OPN2C)

YM2612のCMOS
機能やレジスタ構成は全く同じ。
リファレンス周波数がYM2612が入手性の悪い7.6MHzに対して、YM3438は8MHzなので入手しやすい

4オペレータ、同時発音数6音ステレオ。
リズム音源は無い。
1チャンネルをDACとして使用可能。

YM2413より少し大きいが24pinのDIPDACも内蔵されているため、配線も少なくて済み手軽に扱える。

YM2612 (OPN2)

機能的にはYM3438と全く同じ。
上記、リファレンス周波数の入手性の点でこちらを使うならYM3438を選んでしまう。
8MHzにすると微妙に音程がかわるが使えることは使える。(YM2151のケースと同じ)

YMF288-M (OPN3-L)

4オペレータ・同時発音数6音ステレオのFM音源部、およびSSG3音モノラル、リズム音源を内蔵している。

YM260BからADPCMが削除されている音源だが、ADPCMが必要なければSSGの各チャンネルとFM音源がミキシングされてI2Sで出力されるため、扱いがかなり楽。

28ピンのSOPパッケージ

DACは別に必要だがI2S接続なので、汎用DACに接続できる。
DACとアンプが搭載されたDAC基板にそのまま接続できるので、場合によってはOPN2より手軽に音を出すことができる。

YMF288-SはQFP44パッケージなので、YMF288-Mの方が良い。

YM2151 (OPM)

4オペレータ、同時発音数8音

24ピンのSOPパッケージだが、別にDAC(YM3012)が必要なため、ちょっと面倒。

リファレンス周波数は3.58MHzだが、電子工作では入手性の問題や、X68000に倣って4MHzで扱うことが多い。
ネット上に電子工作での話題が一番多いので情報は入手しやすい。

YM2203 (OPN)

4オペレータ・同時発音数3音モノラルのFM音源部、およびSSG3音モノラル。

40ピンのDIPパッケージ
電子工作では使わないであろうI/Oポートは実際に配線することはおそらくないため、実際はピン数の割には扱いやすい

FM音源DAC(YM3014)を通して出力し、さらにSSGは各チャンネル別々に出力されるので、それをミキシングする回路を作る必要もあるため、面倒。

YM2608 (OPNA)

4オペレータ・同時発音数6音ステレオのFM音源部、およびSSG3音モノラル、更にADPCM音源を1チャンネルと、リズム音源を内蔵。
YM2203の上位互換

64ピンSDIPパッケージ
ピン数が多い上、2.54mmでもなく1.27mmでもないSDIPパッケージのため、この時点で扱いにくい。
FM音源DAC(YM3016)を通して出力。
SSGは各チャンネルがミキシングされる点でYM2203より楽だが、FM音源とSSGは別々に出力されるので、結局ミキシングする回路を作る必要はある。

FM音源目的でYM2203やYM2608を使うくらいならYMF288-Mが良い。

ヤマハFM音源LSI YMF825搭載モジュール YMF825Board

ヤマハFM音源LSI YMF825搭載モジュール YMF825Board

SHARP PC-G850VSへスピーカを取り付けました。(PC-G850Vでも可)

SHARPのPC-G850VSへスピーカを取り付けました。

別基板で作って拡張ピンに接続するのが本来の方法だと思うのですが、今回は内蔵したくて、直接ピンにスピーカを接続しました。

また、拡張ピンの内側に直接接続して内蔵させる方法も良くありますが、どうやらBZ+,BZ-端子があり、そこに繋げると良いみたいなので、こちらの方法で試してみました。

f:id:uosoft:20181008232456j:plainf:id:uosoft:20181008232505j:plain

 試しにBASICで"BEEP 1"を実行すると、無事に音が鳴りました。

同じ方法がG850Vでも行えるようです。

簡単な改造なのでぜひ試してみてください。

PC-9801シリーズに最適なコンパクトなモニタを買いました

PC98では中古で購入した15インチのモニタを使っていたのですが、アスペクト比が4:3なので縦長に表示されちょっと不満でした。

PC98の解像度は640x400で16:10です。これはVGAの640x480と違いスクウェア型のモニタに表示すると2割ほど縦に引き延ばされてしまいます。アスペクト比固定モードがあるモニタだと上下に余分な領域ができますが、上手く表示できると思います。

ワイドモニタはアスペクト比が10:9が多く、その上20インチ以上が主流なので、コンパクトなものがなかなか見つかりません。さらに24kHz対応となるとなかなか見つかりません。

そこでちょうど良い機種がありました。センチュリーのLCD-10000VH5です。

これは10.1インチの解像度が1280x800で縦横ともちょうどPC98の640x400の倍になり、アスペクト比も同じ16:10になります。

公式にはどこに間書いてませんが、24kHzにも対応しています。

正方形もちゃんと正方形になり、標準の大きさの全角文字も縦横同じ長さになりました。

f:id:uosoft:20180927235415j:plainf:id:uosoft:20180927235223j:plain
        左が4:3のモニタ、右が16:10のLCD-10000VH5

200ラインモード表示では今まで不自然に引き延ばされて偶数ラインの黒ラインが目立ち不自然だったのが軽減され見やすくなりました。

これでイメージ通りに表示されるようになり、非常に満足のできる結果となりました。

 

激安ハイレゾ対応DAP Zishan z3 のローパスフィルタ変更

以前"激安ハイレゾDAP Zishan z3 を買いました"で紹介したZishan z3ですが、この時に使用したオペアンプMUSES02を他で使いたくてOPA1622にしたところやっぱり低音が弱く感じました。他のオペアンプでもやはり同じような印象を受けます。

そこで、どこかで記事か書き込みを見て前からしたいと思ってたローパスフィルタ変更を試してみました。

始めはローパスフィルタにOP275が使用されています。これを以前DIPパッケージと間違えて注文したSOPパッケージのMUSES8920があったので交換してみました。

ローパスフィルタはバッテリーの下の基板中央右側にあります。

はんだ付けが下手ですが、下の画像を参考にしてください

f:id:uosoft:20180924231037j:plain

MUSES8920しか試していないので、これが良いかわかりませんが、OP275と比較してしっかり低音が出て、全体的に解像度が上がり音も太くなったように感じます。

激安なのにさらに音質が良くなってしまいました。音質だけなら音の傾向は違いますが、DP-S1に匹敵すると思います。(DP-S1Aには負けます)

Zishan z3は本当に面白いDAPです。

 

PHB EM023 私的レビュー

購入意欲が下がったといいつつ、毎月1個のペースでイヤホンを買ってしまってます。

今回はPHB EM023を紹介します。

KZ ZS6と同じようにCampfire AudioのANDROMEDAに似せたデザインです。

KZ ZS6と同じく2DD+2BA構成で、音の印象はKZ ZS10に近く、低音よりのドンシャリ傾向でボーカルが少し遠いように感じました。端子はmmcxです。

KZ ZS10より音が良く分離していて解像度も高く、KZ ZS10をリファインしたような印象です。

今回はANDROMEDAに寄せたくて緑を選んだのですが、KZ ZS6より緑が深くベント穴から除く金属のメッシュが金色で映えます。デザイン的には非常に気に入りました。

TFZのイヤホンと比較するとやはりグレードが一段劣るような感じですので、普段使いにはなりませんが、デザイン的にコレクションとしては非常に気に入りました。

 

MSXで遊ぶ! z88dk(C言語)でゲームを作ってみました

ふとMSXで自作ゲームを作りたいと思い、開発環境を整えて作ってみました。

BASICではつまらないと思い、C言語のクロス開発環境を色々試してみた結果、z88dkにしました。他の環境はそれぞれ独特の癖があったりしましたが、z88dkはANSI Cに準拠した形で書いていけば一番素直に動く印象でした。

どこかで2次元配列は使えないようなことを書いてあるサイトを見ましたが、現在のバージョンでは問題無く使えます。プログラム中で4次元配列まで使いましたが、特に問題はありませんでした。

z88dk

 ダウンロードサイト

http://nightly.z88dk.org/

こちらから最新版をダウンロードしました。

環境変数PATHへz88dkのルートフォルダ以下のbinフォルダを追加してください

環境変数ZCCCFGへz88dkのルートフォルダ以下のLib\Configフォルダを追加してください

コンパイルはbinフォルダ中にあるzccコマンドでできます。

zccコマンドのパラメータ-subtype=msxdosでmsx-dos実行用comファイルで出力され、-subtype=romでROMイメージのromファイルが出力されます。

他の環境変数まで書き換えるのが嫌なので、以下のようなバッチファイルを作り、コンパイルを実行してました。

MSX-DOS実行用comファイル作成
(ソースファイル名:test.c, 出力ファイル名 test.com)
set PATH=<z88dkのルートフォルダ>\bin
set ZCCCFG=<z88dkのルートフォルダ>\Lib\Config
zcc +msx -DNODELAY -lm -subtype=msxdos test.c -o test.com
ROMイメージ用romファイル作成
(ソースファイル名:test.c, 出力ファイル名 test.rom)
set PATH=<z88dkのルートフォルダ>\bin
set ZCCCFG=<z88dkのルートフォルダ>\Lib\Config
zcc +msx -DNODELAY -lm -create-app -subtype=rom test.c -o test.rom

パラメータの細かい意味は調べてませんが、以上のような組み合わせでコンパイルできました。

実際にゲームを作ってみました

 TI-Nspire でパズルゲームでもグラフ電卓用に作ったパズルゲームをMSX用に作ってみました。

このパズルゲームは自分のチュートリアルの意味で新しい環境で開発する際の題材にしているので、実はGB版があったりと様々な環境で作ってます。

f:id:uosoft:20180818235648j:plain f:id:uosoft:20180818235702j:plain

せっかくなので、フロッピー版とROM版を作りました。

フロッピー版はMSX-DOSのディスクへnu.comを入れて、autoexec.batで自動実行するようにしました。

ROM版は

MSXで遊ぶ! Mega Flash ROMで作り方を紹介したフラッシュROMを停止スイッチ無しで作ってそこに入れました。

OPFで出力されたROMファイルを書き込むことができます。

f:id:uosoft:20180818235904j:plain

無事に出力されたROMファイルを書き込むことができました。

ラベルまで作るといい感じになります。

f:id:uosoft:20180820001330j:plain

 

COMファイルはともかく、ROMファイルで出力されたものも結構素直に動作しました。

パラメータを変えるだけでROMファイルまで簡単に出力できるのは他の環境では中々ないので、z88dkはお勧めできます。