PICのソフトウエアによる発振機能を用いて、ドレミ.. の音を合成し、簡単な音楽演奏を試みます。
- 音の生成
音は物体の機械的振動が空気を媒介して耳で聴取される信号です。音色はその強さを縦軸とし、横軸を時間とした波形で決まります。
音は複数の周波数の音の重ねた音として聞こえます。音の周波数の比がきれい（簡単な）値のとき、きれいな音と聞こえます。音の高さは主となる音の周波数で定まります。音色は波形で定まります。
- 音階
音階はドレミで表現しますが、低いドから次のドになると周波数は倍になります。平均率の音階は、この１オクターブを周波数の比を一定に12等分します。従って、前の音の周波数を１にすると、次の音の周波数は、前の音の約 2^(1/12) = 1.06倍になります。ミとファおよび、シとド以外には半音が入ります。これはピアノ鍵盤の黒鍵に相当します。ド#はドの半音上の音で、これはレ♭の音と同じです。
五線譜のラの音の周波数はちょうど440ヘルツになりますから、次1オクターブ低いラの音までの周波数は次の表のようになります。 A,B,C..はドイツ語の音階表記です。A（ラ)の音はきれいな整数値なので、よく楽器の音あわせに利用されます。
ドイツ音階 A A# B C C# D D# E F F# G G# A ラ ラ# シ ド ド# レ レ# ミ ファ ファ# ソ ソ# ラ 周波数 220.0 233.1 246.9 261.6 277.2 293.7 311.1 329.6 349.2 369.9 391.9 415.3 440.0 周波数比 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1 周期（mS） 4.5 4.3 4.1 3.8 3.6 3.4 3.2 3.0 2.9 2.7 2.6 2.4 2.3 周期（16uS） 284.1 268.1 253.1 238.9 225.5 212.8 200.9 189.6 179.0 169.0 159.5 150.5 142.0
- 音階の合成
音符に従った長さと高さ（周波数）で音を生成すれば曲として聞こえます。特定の周波数 f の音は出すには、1秒間に ｆ 個のパルスを生成し、その信号でスピーカを鳴らします。ただし、音の波形は単純ですから、「良い」音にはなりません。
きれいな楽器の音を出すには、予め楽器の音をディジタル録音し、その音を指定時間再生する方法が一般的です。
場合によっては、その楽器の振動をシミュレーションして音を出す場合もあります。
- 音の合成実験
この実習では、超小型プロセッサを利用して音階を出します。曲のデータは予め4分音符単位の長さで、数字の羅列で音符を表現しておきます。超小型プロセッサはこの数字の列にしたがい、数字の音階に対応する音を生成します。1昔前の携帯電話の「着メロ」に近い音になります。
- 必要な部品
回路配線用パッチボード
PIC：１６F628
音声用アンプ（スピーカ用の電力増幅回路） TW-143D
小型スピーカ
電源：５V
パッチ用線材
- アンプとスピーカ
スピーカは磁力を利用して、円筒部にあるコイルを駆動し、コイルに接続した 薄い「幕」を振動し、音波を生成します。アンプはスピーカを駆動するための電力増幅を行うアナログ回路です。ここでは、簡単なキットによるアンプと小型スピーカを利用します。
- 回路の組み立て
PICのICの文字 １６F628 を読める向きにし、パッチボードに写真のように差し込みます。すべてのピンがパッチボードの穴に入るよう、注意して差し込みます。文字が見えない場合、円形の「くぼみ」が左下に来るよう向きを設定してください。
picの下側で左から５番目のピンとボードの下のー電源バーを接続します（写真青色）。次に、上側の左から５ピンを上の＋電源バーに差し込みます。これは、PICに電源を供給します。
アンプ回路の入力用ピン（写真黄色）を下側一番右のピンに差し込みます。これはPICからの音声信号です。次に、アンプの赤黒コードの赤を、ボード上側の＋電源バーに、黒コードをボード下側の電源バーに接続します。
最後に、電源部（アダプタ）の赤い線を、ボードの＋電源バーに、黒い線をボード下のー電源バーに接続します。これで、配線が終了です。
- 回路の動作
PICに電源が入ると、自動的にプログラムを実行開始します。音階に対応する音声信号は、RB3（下側一番右）ピンから出力されます。この信号を アンプ 回路に入れ、電力増幅（パワーアップ）をします。増幅された信号をスピーカに接続します。
- プログラム
プログラムは、MAINから始まり、入出力ピンの設定、PWMの設定などを行います。54行のMAINLPから繰返し演奏を行います。音符の位置をSNDCNTとしてこれを増しながら、音符を順に演奏します。音符データが 0xed （16進でed）になると、71行のRESTARTに分岐し、曲の頭からリピートします。
各音符は、７６行のSETSNDで演奏します。音符の演奏間隔は１０３行のTIM2で定めています。先頭の MOVLW 命令のデータ 0x40 が音符の長さを定めています。これを小さくすると、演奏が早くなり、大きくすると遅くなります。
演奏データは フラッシュROMに記録されています。プログラム最後のEEPROMからは演奏データが記録されています。１３４行のORG 02100H はROMの番地です。先頭のデータは音符の周波数で、これを変更すると音符の高さが変化してしまいます。１４９行のORG 02120H 以後が曲のデータで、8分音符単位の音符の高さを指定します。最後の 0xed で音符データの終了を指定します。
- 演奏データの変更
- 演奏速度
103行の TIM2の MOVLW 0x４0 の数値0X４0を変更すると、演奏速度が変ります。数字を大きくすると、演奏が遅くなり、小さくすると演奏が早くなります。
- 曲データ
ソースの最後の方で、150行以後 ORG 02120H の次の DE が音符データを定義しています。
0x14はソですから、この行は ソソミファソソミファ．． となります。休符は 0X15 です。曲の最後には 0xed を付けて下さい。
1行にいくつデータを書いてもかまいませんが、データ間には ，（コンマ） が必要です。行の最後は不要です。ｖｉｅｗメニューの EEROM で、この部分のデータを確認できます。
134-137 行のデータは音階に対する周波数データです。変更すると、音符の音の高さが変化してしまいます。
- 演奏速度
- ソース
;********************************************* ; PIC16F628 ; SOUND PLAYER v0.1 ; yokoie 2003.11.26作製 ; 2004.03.11更新 ;クロックは4MHｚ ;PWMを利用、出力はRB3/CCP1（９ピン） ;********************************************* LIST P=16F628, ST=OFF, R=DEC, F=INHX8M INCLUDE P16F628.INC ;Fuse（Config）のデータ ;__CONFIG _INTRC_OSC_NOCLKOUT & _MCLRE_ON & _LVP_OFF & _WDT_OFF & _PWRTE_ON & _BODEN_OFF & _CP_OFF ; 変数レジスタの定義 CNT1 EQU 0x70 ;タイマ用変数 CNT2 EQU 0x71 ;タイマ用変数 CNT3 EQU 0x72 ;タイマ用変数 CNT4 EQU 0x73 ; SNDCNT EQU 0x74 ;音符カウンタ ; メインルーチン ORG 0 ;Reset Start MAIN BSF STATUS,RP0 ;バンク１へ切替 MOVLW 0x03 ;Set PortA to Read Mode MOVWF TRISA MOVLW 0xB0 ;Set PortB to Read Mode MOVWF TRISB ;**** PWM モードの設定 **** MOVLW 0x6f ;PWMのパルス幅を188に MOVWF PR2 ;プリスケーラー設定 BCF STATUS,RP0 ;バンク0に戻す MOVLW 0CH ; MOVWF CCP1CON ;CCP1CONをPWMモードに設定 MOVLW 0x40 MOVWF CCPR1L ;PWMのデューティー設定 ;**** TIMER2 設定 **** MOVLW 0x06 ;TIMER2=ON プリスケーラー=1:1 MOVWF T2CON ;TIMER2をセット ;**** 音符カウンタリセット **** MOVLW 0x20 MOVWF SNDCNT ;演奏開始 MAINLP BCF STATUS, Z ;ゼロフラグクリア MOVF SNDCNT,W ;楽譜の位置 CALL BANK1 MOVWF EEADR ;アドレスをEEADRへセット BSF EECON1,RD ;楽譜読み出し開始 MOVF EEDATA,W ;Wレジスタにデータ取り出し CALL BANK0 XORLW 0xed ;0xedなら曲が終了 BTFSC STATUS, Z ; CALL RESTRT ;先頭に戻る CALL BANK1 MOVF EEDATA,W ;Wレジスタにデータ取り出し CALL BANK0 CALL SETSND ;音を出す INCF SNDCNT GOTO MAINLP RESTRT MOVLW 0x20 ;音符データの先頭に戻す MOVWF SNDCNT GOTO MAINLP ;再開 ;PWM周期設定 SETSND ;MOVF E_ADRS,W ;周波数データのアドレス指定 CALL BANK1 MOVWF EEADR ;アドレスをEEADRへセット BSF EECON1,RD ;読み出し設定 MOVF EEDATA,W ;Wレジスタにデータ取り出し CALL BANK1 MOVWF PR2 ;PWMの周期を設定 CALL BANK0 CALL TIM2 ;音符の長さだけ持続 RETURN STPSND BCF T2CON, 2 ;0出力 CALL TIM2 ;タイマー2 BSF T2CON, 2 ;1出力 RETURN ; タイマサブルーチン TIM1 MOVLW 0xff ;255 MOVWF CNT1 ; TIMLP1 CALL TIM2 DECFSZ CNT1,F ; GOTO TIMLP1 ; RETURN ; ;音符の時間待つ TIM2 MOVLW 0x40 ;音符の長さを設定 MOVWF CNT2 ;CNT2<=0x40 TIMLP2 CALL TIM3 ; DECFSZ CNT2,F ; GOTO TIMLP2 ; RETURN ; TIM3 MOVLW 0xff ;255 MOVWF CNT3 ; TIMLP3 CALL TIM4 DECFSZ CNT3,F ; GOTO TIMLP3 ; RETURN ; TIM4 MOVLW 0x01 ; MOVWF CNT4 ; TIMLP4 DECFSZ CNT4,F ; GOTO TIMLP4 ; RETURN ; ;バンク切り替え関数 BANK0 BCF STATUS, RP0 ;バンク0へ BCF STATUS, RP1 RETURN BANK1 BSF STATUS, RP0 ;バンク1へ BCF STATUS, RP1 RETURN ;EEPROM DATA ORG 02100H ;周波数データ DE 0, 0xeC, 0xDF, 0xd2, 0xc6, 0xbb, 0xb0, 0xa6, 0x9d, 0x94, 0x8c, DE 0x84, 0x7c, 0x73, 0x6e, 0x68 DE 0x62, 0x5c, 0x57, 0x52, 0x4d, 0 ;ここから楽譜を入力 ;データ番地と音階対応表 ; 0x01:ド 0x02:ド＃ 0x03:レ 0x04:レ＃ 0x05:ミ ; 0x06:ファ 0x07:ファ＃ 0x08:ソ 0x09:ソ＃ 0x0a:ラ ; 0x0b:ラ＃ 0x0c:シ 0x0d:ド↑ 0x0e:ド＃↑ 0x0f:レ↑ ; 0x10:レ＃↑ 0x11:ミ↑ 0x12:ファ↑ 0x13:ファ＃↑ 0x14:ソ↑ ; 0x15:休符 ;曲の最後に0xedを入力してください。 ORG 02120H DE 0x14, 0x14, 0x11, 0x12, 0x14, 0x14, 0x11, 0x12 DE 0x14, 0x08, 0x0a, 0x0c, 0x0d, 0x0f, 0x11, 0x12 DE 0x11, 0x11, 0x0d, 0x0f, 0x11, 0x15, 0x05, 0x06 DE 0x08, 0x0a, 0x08, 0x06, 0x08, 0x05, 0x06, 0x08 DE 0x06, 0x06, 0x0a, 0x08, 0x06, 0x06, 0x05, 0x03 DE 0x05, 0x03, 0x01, 0x03, 0x05, 0x06, 0x08, 0x0a DE 0x06, 0x06, 0x0a, 0x08, 0x0a, 0x0a, 0x0c, 0x0d DE 0x08, 0x0a, 0x0c, 0x0d, 0x0f, 0x11, 0x12, 0x14 DE 0xed END