Arduinoで音声再生ができるか試してみました。
概要は動画を作ったので、
こちらをご覧下さい。
【ニコ動】
http://www.nicovideo.jp/watch/sm19540105
【その１：きっかけ】
秋月電気で「音声合成ＬＳＩ」というＬＳＩが
売られています。
このＬＳＩは、ＬＳＩのシリアル入力に対して
「ohayou」
という文字を送ると、出力ピンにつないだスピーカーから
「おはよう」
という音声が出てくる、という、すぐれものです。
面白い。
ところでこの「音声合成ＬＳＩ」ですが、
中身はアトメルの「ATmega328」で
Arduino UnoにのっかってるＣＰＵと同じもの、らしい。
つうことは、
Arduino Unoもしゃべるんだろーか？
と思ったわけです。
【その２：Ａｒｄｕｉｎｏの標準関数だけだとしゃべれない】
「Ａｒｄｕｉｎｏにしゃべらせる」ためには、
Ａｒｄｕｉｎｏにアナログ信号を出力させて
それを制御する必要があります。
Arduino Unoはアナログ出力（と呼ばれている）
機能を持っています。
ただし、Arduino Unoのアナログ出力は、
純粋なアナログ出力ではなくて、
ＰＷＭを使った擬似的なアナログ出力です。
analogWrite(pin, value);
valueの所に０～２５５の数字を入れると
ＰＷＭのデューティ比
（出力矩形波のＨｉｇｈになっている時間）
が変わります。
デューティ比を変化させることで音声波形を作り、
それをスピーカーにつなげてしゃべらせよう、
というのが、基本的な考え。
（「音声合成ＬＳＩ」も、このしくみの、はず。）
ところでArduino UnoのanalogWrite()で作れる
出力矩形波の周期は490Hz（固定）です。
人間の可聴範囲は20Hz～20kHzなので
Arduino Unoでは
デューティ比をどのように設定しても
490Hzの「ぷー」という音になってしまう。
ＰＷＭで音声出力を作るためには、
ＰＷＭの周期を可聴範囲より高い周波数(20kHz以上）にする
必要があります。
しかし困ったことに、Ａｒｄｕｉｎｏの標準関数に
ＰＷＭの周期を変更する関数がありません。
つまり、Ａｒｄｕｉｎｏの標準関数では
Arduino Unoにお話させることはできない、
ということになります。
・・・できねえじゃねえか。
しかし事実として（アトメルのATmega328を使っている）
「音声合成ＬＳＩ」がおしゃべりしているので、
ＰＷＭの周期を高速化する方法があるはずだ～～と
調べてみました。
【その３：ＰＷＭの周期を高速化してみた】
ATmega328の仕様云々はさておいて、
簡単にＰＷＭの周期を高速化できることが
わかりました。
結果だけを書きますと、Ａｒｄｕｉｎｏのスケッチに
pinMode( 3,OUTPUT); // *** D03 PWM OUTPUT
TCCR2A = 0b00100011; // *** 高速PWM設定
TCCR2B = 0b00011001;
OCR2A = 255;
// *** 周期
// *** 1count=0.0625us
// *** 0.0625*256 -> 16us
// *** -> 62.5kHz
OCR2B = 0; // *** Duty 0 - 255
と書くだけでＰＷＭの周期を62.5kHzにすることができます。
「OCR2B」に入れる値（０～２５５）がデューティになり、
「OCR2B」を変化させることで任意の音声波形を作ることが
できます。
【その４：Ａｒｄｕｉｎｏをしゃべらせてみた】
上記を使って、Ａｒｄｕｉｎｏに
しゃべらせることができました。
Ａｒｄｕｉｎｏのスケッチ例です。
// ***********************************************
// *** Arduinoをしゃべらせてみた
// ***********************************************
#include <avr/pgmspace.h>
prog_uchar KUGI[] PROGMEM ={
127,
127,
・
・(8kHzサンプリング8bitのＰＣＭデータを入れます)
・
127,
127
};
// ***********************************************
void setup() {
// ***-----------------------------------------***
// *** D03 OUTPUT PWM設定
// ***-----------------------------------------***
pinMode( 3,OUTPUT); // *** D03 PWM OUTPUT
TCCR2A = 0b00100011; // *** 高速PWM設定
TCCR2B = 0b00011001;
OCR2A = 255;
// *** 周期
// *** 1count=0.0625us
// *** 0.0625*256 -> 16us
// *** -> 62.5kHz
OCR2B = 0; // *** Duty 0 - 255
// ***-----------------------------------------***
}
// ***********************************************
void loop() {
// ***-----------------------------------------***
int i;
// ***-----------------------------------------***
for(i=0; i<12000; i++){
// ***-----------------------------------------***
OCR2B = pgm_read_byte_near(&KUGI[i]);
delayMicroseconds(125); // *** 8kHzで再生
// ***-----------------------------------------***
}
// ***-----------------------------------------***
}
// ***********************************************
// *** PROGRAM END
// ***********************************************
音声データをPROGMEMであらかじめArduinoのFlashに
書き込んでいます。
めちゃくちゃ簡単なプログラムですが、
Ｄ０３ピンとＧＮＤにスピーカーをつなげると
Arduinoがしゃべり出します。
問題は・・・
音声データをあらかじめＲＯＭに書き込んでおく方法では
ＲＯＭが３２ｋＢしかないので原理的に
３２ｋ×１２５μｓ＝４秒
以上しゃべることができない・・・ことです。
【その５：ＳＤカードをつなげてみた】
長時間再生するためにはＲＯＭを大きくしてやれば
いいわけです。
てなわけで、
ＳＤカードをつなげてしまいました。
４００円の２ＧＢのＳＤカードで
再生時間が（原理的には）７０時間にできます。
Ａｒｄｕｉｎｏのスケッチはこんな感じ。
// ***********************************************
// *** Arduino SD Card 音楽プレーヤー
// ***-----------------------------------------***
// *** 13 : SCK
// *** 12 : MISO(SD-DO)
// *** 11 : MOSI(SD-DI)
// *** 8 : CS
// *** 3 : AUDO OUT (PWM)
// *** 4 : SW(INPUT)
// ***-----------------------------------------***
// *** SPIライブラリを使用
// *** ８ｋＨｚ版
// ***********************************************
#include <SPI.h>
#include <SD_Card_hayashi.h> // *** お手製
// ***********************************************
// *** グローバル変数（ＳＤカード）
// ***********************************************
byte SDR[512]; // *** SDカード読込みバッファ
// ***********************************************
// *** SETUP
// ***********************************************
void setup(){
// ***-----------------------------------------***
int cnt;
// ***-----------------------------------------***
pinMode( CS_PIN,OUTPUT); // *** SD-CS
SPI.begin();
SPI.setBitOrder(MSBFIRST);
SPI.setClockDivider(SPI_CLOCK_DIV4);
SPI.setDataMode(SPI_MODE3);
// ***-----------------------------------------***
// *** D03 OUTPUT PWM設定
// ***-----------------------------------------***
pinMode( 3,OUTPUT); // *** D03 PWM OUTPUT
TCCR2A = 0b00100011; // *** 高速PWM設定
TCCR2B = 0b00011001;
OCR2A = 255;
// *** 周期
// *** 1count=0.0625us
// *** 0.0625*256 -> 16us
// *** -> 62.5kHz
OCR2B = 0; // *** Duty 0 - 255
// ***-----------------------------------------***
// *** SDMicroカードのSPIモード移行と初期化
// ***-----------------------------------------***
SD_INIT();
// ***-----------------------------------------***
// *** SDMicroの1ブロックを512バイトに設定
// ***-----------------------------------------***
CMD16();
}
// ***********************************************
// *** LOOP
// ***********************************************
void loop(){
// ***-----------------------------------------***
int i;
int k;
int cnt;
// ***-----------------------------------------***
// *** SD READ
// ***-----------------------------------------***
for(k=0; k<70; k++ ){
for(i=0; i<256; i=i+2 ){
// ***-----------------------------------------***
cnt = CMD17PWM(0x00,k,i);
// ***-----------------------------------------***
}
}
// ***-----------------------------------------***
}
// ***********************************************
// *** PROGRAM END
// ***********************************************
ＳＤカードの読み書きルーチンは省略しちゃいましたので
雰囲気だけですが、こんな感じのスケッチです。
「なんちゃって」ですが
Ａｒｄｕｉｎｏが音楽プレーヤーになりました。
・・・といっても、
・ モノラル
・ ８ｋＨｚサンプリング
・ ８ｂｉｔ
なので音質は電話機並みです(笑)。
うれしさはホドホド、な無駄骨。が、しかし、
電子工作開発ネタとしてはたいへん楽しかったです。