900円で作るクオンタイザー/モジュラーシンセ
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900円で作るクオンタイザー/モジュラーシンセ

Arduinoプログラミングに挑戦しつつ、モジュラーシンセサイザーのクオンタイザー(Quantizer)モジュールを自作したので、その備忘録。

背景
コードの書けないシステムエンジニア脱却のために始めたプログラミングの7作品目。先日、ランダムシーケンサーを作成したが、V/octに対応しておらずまともなメロディを出すことができなかった。今回クオンタイザーを作成することで、ランダムシーケンサーでメロディを鳴らそうという企画。

ソフト的には、I2C通信を使ったことないのでその勉強。
ハード的には、フルカラーLEDを使ったことないのでその勉強。
モジュラー的にはV/octをいかに実装するかの勉強を兼ねている。

ACID TECHNO的な音を出したいのでポルタメント機能を実装している。正確にはTB-303のスライド機能のようなもの。
任意のタイミング(外部入力)でスライドON/OFFを制御でき、スライドタイムはツマミで可変。
音程の遷移が大きくても小さくても、常に一定の時間でスライドする。

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制作物のスペック
ユーロラック規格 3U 6HPサイズ
電源:64mA ( at 5V ) / 62mA ( at12V )
出力:CV OUT (0-5V) / TRIG OUT ( 0-5V)
ポルタメント機能あり(ツマミで時間可変、常時ON又は外部制御でON)
インジケータで選択中のスケールが認識可能。
総額:900円

スケール種類(LED発色)は
1.メジャースケール(紫)
2.メジャーペンタトニック(青)
3.メジャーペンタトニック+7th(水色)
4.ハーモニックマイナー(緑)
5.マイナーペンタトニック(黄色)
6.クロマチック(赤)
7.オクターブ(白)

隠しモードとしてゲーミングモードを搭載。ただフルカラーLEDがイルミネーションとして光るだけだ。
「スライドSW ON」かつ「オクターブスケール選択」かつ「SLIDE入力HIGH」で隠しモードに突入する。

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プログラム
クオンタイズ機能の実装にあたり「音階の検索」する機能を盛り込んでいる。
プログラム自身が IF の条件を自動で生成し、入力電圧に適合したスケールを探し出し、出力するというもの。

また、新しい関数としてI2C通信を使用した。
使い勝手はSPI通信と同じだが、配線が少ない分、便利と感じた。今後は大いに活用していきたい。

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ハードウェア
部品の多くはAliexpressから調達。
12bitDACとフルカラーLEDは秋月から購入。

V/octの実装は12bitあれば十分だった。10bitだと音痴に感じたが、12bitなら問題ない。
フルカラーLEDは拡散キャップを購入し忘れた。代替として、パネル(ガラエポ基板)のレジストを削り、中の半透明の基材を露出。その機材で光の拡散を試みたところ、思った以上に綺麗に拡散してくれたのだ。

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回路的には新規要素はない。
部品単価は主なもので
Arduino nano互換 250円
12bit DAC 150円
フルカラーLED 100円
パネル 150円
ロータリーエンコーダ 100円
こんなところだろうか。ざっくり。

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ソースコード
粗末だが公開する。悪い点あれば指摘貰えると嬉しい。
ちなみに、プログラミングを初めて3か月目だ。節目の月、割と頑張ったぞ。

#define  ENCODER_OPTIMIZE_INTERRUPTS //エンコーダノイズ対策
#include <Wire.h>
#include <Encoder.h>


//CV入出力用定数
float CV_IN = 512;//CV_IN*60/1024の値。後にroundで四捨五入する
float old_CV_IN = 512;//
int CV_INr = 512;//CV_INを四捨五入した値
int CV_INh = 10;//閾値の判定結果
int i = 0; //スケール検索用
long old_CV_OUT = 0;

//slide設定用定数
int slide_CV = 0 ; //slide_knobの読取値
int slide_time = 1 ; //タイマー周期を掛けた値が実際のslide time。カウントはこの値まで増え続ける。
int scale = 0;
byte slide = 0;//0=OFF,1=ON
byte slide_sw = 0;//0=EXT,1=ON
int j = 0;

//illumination mode
byte slide_IN = 0;//突入トリガー条件のひとつ
int k = 0;//illumination変調用
int illR = 0;
int illG = 100;
int illB = 200;

//LED用
int now_R = 100;
int now_G = 100;
int now_B = 100;

//ロータリーエンコーダ設定
Encoder myEnc(2, 3);//ロータリーエンコーダライブラリ用
float oldPosition  = -999;//ロータリーエンコーダライブラリ用
float newPosition = -999;


//--------------------scale list---------------------------------
//0=major
const static word DAC_LSB_maj[61] PROGMEM = {
 0,  137,  205,  341,  478,  546,  683,  819,  956,  1024, 1161, 1297, 1365, 1502, 1638, 1775, 1843, 1980, 2116, 2185, 2321, 2458, 2594, 2662, 2799, 2935, 3004, 3140, 3277, 3413, 3482, 3618, 3755, 3823, 3959, 4095
};

const static word CVIN_th_maj[62] PROGMEM = {
 0,  15, 44, 73, 102,  131,  160,  189,  218,  247,  276,  305,  334,  363,  392,  421,  450,  479,  508,  537,  566,  595,  624,  653,  682,  711,  740,  769,  798,  827,  856,  885,  914,  943,  972,  1001, 1024
};

//1=major_pentatonic
const static word DAC_LSB_mp[61] PROGMEM = {
 0,  205,  341,  478,  683,  819,  1024, 1161, 1297, 1502, 1638, 1843, 1980, 2116, 2321, 2458, 2662, 2799, 2935, 3140, 3277, 3482, 3618, 3755, 3959, 4095
};

const static word CVIN_th_mp[62] PROGMEM = {
 0, 20,  61, 102,  143,  184,  225,  266,  307,  348,  389,  430,  471,  512,  553,  594,  635,  676,  717,  758,  799,  840,  881,  922,  963,  1004, 1024
};

//2=major_pentatonic+7
const static word DAC_LSB_mp7[61] PROGMEM = {
 0,  137,  205,  341,  478,  683,  819,  956,  1024, 1161, 1297, 1502, 1638, 1775, 1843, 1980, 2116, 2321, 2458, 2594, 2662, 2799, 2935, 3140, 3277, 3413, 3482, 3618, 3755, 3959, 4095
};

const static word CVIN_th_mp7[62] PROGMEM = {
 0, 17,  51, 85, 119,  153,  187,  221,  255,  289,  323,  357,  391,  425,  459,  493,  527,  561,  595,  629,  663,  697,  731,  765,  799,  833,  867,  901,  935,  969,  1003, 1024
};

//3=harmonic_minor
const static word DAC_LSB_hm[61] PROGMEM = {
 68,  137,  205,  341,  410,  546,  683,  887,  956,  1024, 1161, 1229, 1365, 1502, 1707, 1775, 1843, 1980, 2048, 2185, 2321, 2526, 2594, 2662, 2799, 2867, 3004, 3140, 3345, 3413, 3482, 3618, 3686, 3823, 3959
};

const static word CVIN_th_hm[62] PROGMEM = {
 0, 15,  45, 75, 105,  135,  165,  195,  225,  255,  285,  315,  345,  375,  405,  435,  465,  495,  525,  555,  585,  615,  645,  675,  705,  735,  765,  795,  825,  855,  885,  915,  945,  975,  1005, 1024
};

//4=monor_pentatonic
const static word DAC_LSB_minp[61] PROGMEM = {
 205,  341,  410,  683,  751,  1024, 1161, 1229, 1502, 1570, 1843, 1980, 2048, 2321, 2389, 2662, 2799, 2867, 3140, 3209, 3482, 3618, 3686, 3959, 4028
};

const static word CVIN_th_minp[62] PROGMEM = {
 0, 21, 64, 107,  150,  193,  236,  279,  322,  365,  408,  451,  494,  537,  580,  623,  666,  709,  752,  795,  838,  881,  924,  967,  1010, 1024
};


//5=chromatic
const static word DAC_LSB_chr[61] PROGMEM = {
 0,  68, 137,  205,  273,  341,  410,  478,  546,  614,  683,  751,  819,  887,  956,  1024, 1092, 1161, 1229, 1297, 1365, 1434, 1502, 1570, 1638, 1707, 1775, 1843, 1911, 1980, 2048, 2116, 2185, 2253, 2321, 2389, 2458, 2526, 2594, 2662, 2731, 2799, 2867, 2935, 3004, 3072, 3140, 3209, 3277, 3345, 3413, 3482, 3550, 3618, 3686, 3755, 3823, 3891, 3959, 4028, 4095
};

const static word CVIN_th_chr[62] PROGMEM = {
 0, 9,  26, 43, 60, 77, 94, 111,  128,  145,  162,  179,  196,  213,  230,  247,  264,  281,  298,  315,  332,  349,  366,  383,  400,  417,  434,  451,  468,  485,  502,  519,  536,  553,  570,  587,  604,  621,  638,  655,  672,  689,  706,  723,  740,  757,  774,  791,  808,  825,  842,  859,  876,  893,  910,  927,  944,  961,  978,  995,  1012, 1024
};

//6=octave
const static word DAC_LSB_oct[61] PROGMEM = {
 0,  819,  1638, 2458, 3277, 4095
};

const static word CVIN_th_oct[62] PROGMEM = {
 0, 102, 307,  512,  717,  922,  1024
};

void setup() {
 pinMode(9, OUTPUT); //Color_LED_R
 pinMode(10, OUTPUT); //Color_LED_G
 pinMode(11, OUTPUT); //Color_LED_B
 pinMode(5, OUTPUT); //gate_out
 pinMode(6, INPUT); //slide_in
 pinMode(7, INPUT_PULLUP); //slide_sw

 //開発用通信設定
 Serial.begin(9600);

 //DAC I2C通信
 Wire.begin();
}


void loop() {
 old_CV_IN = CV_IN;

 //-----------ロータリーエンコーダ読み取り----------------
 newPosition = myEnc.read();
 if ( (newPosition - 3) / 4  > oldPosition / 4) { //ロータリーエンコーダの分解能4で割る
   oldPosition = newPosition;
   scale = scale - 1;
 }

 else if ( (newPosition + 3) / 4  < oldPosition / 4 ) { //ロータリーエンコーダの分解能4で割る
   oldPosition = newPosition;
   scale = scale + 1;
 }

 if ( scale < 0) {
   scale = 6;
 }
 else if ( scale >= 7 ) {
   scale = 0;
 }

 //-------------------LED表示----------------------
 switch (scale) {
   case 0://紫
     LED(200, 0, 200);
     now_R = 200;      now_G = 0;      now_B = 200;
     break;

   case 1://青
     LED(0, 0, 255);
     now_R = 0;      now_G = 0;      now_B = 255;
     break;

   case 2://水色
     LED(0, 255, 255);
     now_R = 0;      now_G = 255;      now_B = 255;
     break;

   case 3://緑
     LED(0, 255, 0);
     now_R = 0;      now_G = 255;      now_B = 0;
     break;

   case 4://黄色
     LED(255, 120, 0);
     now_R = 255;      now_G = 125;      now_B = 0;
     break;

   case 5://赤
     LED(255, 0, 0);
     now_R = 255;      now_G = 0;      now_B = 0;
     break;

   case 6://白
     LED(255, 140, 110);
     now_R = 255;      now_G = 140;      now_B = 110;
     break;
 }

 //--------------slide設定--------------------------------------
 slide_sw = digitalRead(7);
 slide_CV = analogRead(0);
 slide_time = pow(slide_CV / 50, 2) + 1; //感度調整

 if (slide_sw == 0 ) {//slide_swがOFFならば、スライドは外部入力に依存
   slide = digitalRead(6);
 }
 else if (slide_sw != 0 ) {//slide_swがONならば、常時スライドON
   slide = 1;
 }

 //----------------CV入出力設定--------------------------------------
 CV_IN = analogRead(7);

 if ( abs(old_CV_IN - CV_IN ) > 10 ) {//ノイズ対策。CVに大きな変化があったら、音程を変える。

   j = 0;//slide reset

   for ( i = 0; i <= 61 ; i++ ) {
     switch (scale) {

       case 0://0=major
         if ( CV_IN >= (pgm_read_word(&(CVIN_th_maj[i]))) && CV_IN < (pgm_read_word(&(CVIN_th_maj[i + 1])))) {
           CV_INh = i;
           DAC(pgm_read_word(&(DAC_LSB_maj[CV_INh])));
           goto DAC_done;
         }
         break;

       case 1://1=major_pentatonic
         if ( CV_IN >= (pgm_read_word(&(CVIN_th_mp[i]))) && CV_IN < (pgm_read_word(&(CVIN_th_mp[i + 1])))) {
           CV_INh = i;
           DAC(pgm_read_word(&(DAC_LSB_mp[CV_INh])));
           goto DAC_done;
         }
         break;

       case 2://2=major_pentatonic+7
         if ( CV_IN >= (pgm_read_word(&(CVIN_th_mp7[i]))) && CV_IN < (pgm_read_word(&(CVIN_th_mp7[i + 1])))) {
           CV_INh = i;
           DAC(pgm_read_word(&(DAC_LSB_mp7[CV_INh])));
           goto DAC_done;
         }
         break;

       case 3://3=harmonic_minor
         if ( CV_IN >= (pgm_read_word(&(CVIN_th_hm[i]))) && CV_IN < (pgm_read_word(&(CVIN_th_hm[i + 1])))) {
           CV_INh = i;
           DAC(pgm_read_word(&(DAC_LSB_hm[CV_INh])));
           goto DAC_done;
         }
         break;

       case 4://4=monor_pentatonic
         if ( CV_IN >= (pgm_read_word(&(CVIN_th_minp[i]))) && CV_IN < (pgm_read_word(&(CVIN_th_minp[i + 1])))) {
           CV_INh = i;
           DAC(pgm_read_word(&(DAC_LSB_minp[CV_INh])));
           goto DAC_done;
         }
         break;

       case 5://5=chromatic
         if ( CV_IN >= (pgm_read_word(&(CVIN_th_chr[i]))) && CV_IN < (pgm_read_word(&(CVIN_th_chr[i + 1])))) {
           CV_INh = i;
           DAC(pgm_read_word(&(DAC_LSB_chr[CV_INh])));
           goto DAC_done;
         }
         break;

       case 6://6=octave
         if ( CV_IN >= (pgm_read_word(&(CVIN_th_oct[i]))) && CV_IN < (pgm_read_word(&(CVIN_th_oct[i + 1])))) {
           CV_INh = i;
           DAC(pgm_read_word(&(DAC_LSB_oct[CV_INh])));
           goto DAC_done;
         }
         break;

     }
   }
 }
DAC_done:

 //option:gaming mode (for only illumination)
 slide_IN = digitalRead(6);
 if ( scale == 6 && slide_sw == 1 && slide_IN == 1) {
   k++;
   if ( k >= 384) {
     k = 0;
   }

   if ( k < 128 ) {
     illR = 0;
   }
   else if (k >= 128 && k < 256) {
     illR = (k - 128) * 2;
   }
   else if (k >= 256) {
     illR = 255 - ( k - 256 ) * 2;
   }

   if ( k < 128 ) {
     illG = k * 2;
   }
   else if (k >= 128 && k < 256) {
     illG = 255 - (k - 128) * 2 ;
   }
   else if (k >= 256) {
     illG = 0;
   }

   if ( k < 128 ) {
     illB = 255 - k * 2;
   }

   else if (k >= 128 && k < 256) {
     illB = 0;
   }
   else if (k >= 256) {
     illB = ( k - 256 ) * 2;
   }

   LED(illR, illG, illB);
   delay(slide_CV + 2);

 }

 //開発用
 Serial.print(slide_CV);
 Serial.print(",");
 Serial.print(CV_IN);
 Serial.println("");

}


void DAC(long CV_OUT) { //CV出力_12bit_0-4095
 digitalWrite(5, HIGH);//gate出力ON

 //-----------slide OFF時のCV出力------------------
 if ( slide == 0 || slide_time <= 3) {
   Wire.beginTransmission(0x60);
   Wire.write((CV_OUT >> 8) & 0x0F);
   Wire.write(CV_OUT);
   Wire.endTransmission();
   LED(0, 0, 0);
   delay(5);
   digitalWrite(5, LOW);

 }

 //-----------slide ON時のCV出力------------------
 else if ( slide == 1 && slide_time > 3 ) {

   if ( old_CV_OUT <= CV_OUT) {//低→高へのスライド
     while ( j <= slide_time) {
       Wire.beginTransmission(0x60);
       Wire.write((old_CV_OUT + (CV_OUT - old_CV_OUT) * j / slide_time >> 8) & 0x0F);
       Wire.write(old_CV_OUT + (CV_OUT - old_CV_OUT) * j / slide_time);
       Wire.endTransmission();
       delay(5);
       j++;
       LED(min(j + 50, now_R), min(j + 50, now_G), min(j + 50, now_B));
     }
   }

   else if (old_CV_OUT > CV_OUT) {//高→低へのスライド
     while ( j <= slide_time) {
       Wire.beginTransmission(0x60);
       Wire.write((old_CV_OUT - (old_CV_OUT - CV_OUT) * j / slide_time >> 8) & 0x0F);
       Wire.write(old_CV_OUT - (old_CV_OUT - CV_OUT) * j / slide_time);
       Wire.endTransmission();
       delay(5);
       j++;
       LED(min(j + 50, now_R), min(j + 50, now_G), min(j + 50, now_B));
     }
   }

   old_CV_OUT = CV_OUT;
 }
 digitalWrite(5, LOW) ;//gate出力OFF
}

void LED(byte R, byte G, byte B) {
 analogWrite(9, R);
 analogWrite(10, G);
 analogWrite(11, B);
}
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モジュラーシンセを始めた人。仕事はレガシーなエンジニア。