今回は、８ビットのPIC16F18313に搭載されているNumerically Controlled Oscillator (NCO)とCCPモジュールを使いオルゴールの音色を模した１オクターブ分の音階を作ります。
1 NCOとPWMを使い音を変化させる
NOCで発生させた音の音量を、CCP (Capture/Compare/PWM)モジュールPWM機能を使用し変化させます。PWMは、出力方形波波形のデューティサイクルを調整し実質的な出力平均電圧を、0-100%可変することができるモジュールですが、今回も、PWM分解能を128カウント、PWM周期は 250KHzに設定しました。
PWN出力のデューティーサイクルを徐々に小さくすれば、実物のオルゴールのように出力音は、徐々に小さくなります。
音を小さくする程度は、30ms で 15/16 になるようプログラムしています。
NCOで発生させた音階の周波数を持つ方形波で、PWM の出力をON/OFFすれば電子オルゴールの音色の完成です。
以下のモジュールを使用します。
- TMR0
- PWMの減衰を決めるため、1 ms 毎のタイミングパルスを出力するよう設定します。このほかタイミングパルスは、PushSWのチャタリング防止や演奏時間を決めるのにも使用されます。
- TMR2
- CCP1と連携しPWMを構成します、さらにNCOに 250KHzパルスを出力するのもこのタイマーの役割です。
- CCP1
- 時間と共にDutyの小さくなるPWM波形をDSMに供給します。PWM分解能は、7ビット (128ステップ) で、PWM周期は250KHzです。
- CLC1
- NCOは直接TMR2出力を取り込むことができないので、CLC1を経由させてTMR2の250KHzパルスをNCOクロック入力に接続します。
- NCO
- 音の周波数を決める発信器です。
- DSM
- PWM出力波形を、NCOからの方形波でON/OFFしPICから出力します。
2 使用回路
前回記事と同じ回路です。部品数が少ないので、ブレッドボードに回路を組みました。方形波出力のため、コンデンサーを介したスピーカーでも十分な音量で鳴ります。
3 プログラム概要
このプログラムでは、20bit長 (最大値 : 2^20)のアキュムレータ（NCO1ACC)に20bitの一定の値（NCO1INC)を、一定間隔 ( 250 KHz )で加算します。
NCOのクロック
Timer2で Fosc/4を 1/32して、250KHzが作られます。この信号をNCOのクロック入力にするのですが、Timer2と NCOを直接接続することができないので、CLC1を経由して接続します。
音の高さを決める定数
希望する出力周波数を得る加算値は、NCOのOverflowが 2回で一周期なので、以下の式で表されます。
Increment Value = Freq. x 2 x 2^20250,000
つまり、
各音に対応する加算値を上の式で計算し配列 inc_tbl[ ] にしてプログラムに書き込みます。計算結果は以下のようでした。
Do, Re, Mi, Fa, So, Ra, Si, Do 0x892,0x99F,0xACD,0xB71,0xCD8,0xE6A,0x102E,0x1125
音の出力処理
波形を発生させるために、加算値レジスターのNCO1INC (NCO1INCU, NCO1INCH, NCO1INCL の3 bytes) に値を保存します。各音の演奏時間 500msのディレーの後に、次の音の加算値に書き換えます。
CCP1では、TMR2と連携して、時間と共にDutyの小さくなるPWM波形をDSMに供給します。PWM分解能は、7ビット (128ステップ) で、PWM周期は258KHzです。
最初は、128ステップ、100%デュティー、の出力ですが、30ms毎に15/16に減少させ、採取的にはゼロ出力になります。
CCP1で作った徐々にその平均電圧の低くなる 250KHzのパルス出力を、NCOで発生させた音階周波数のデュティ 50%の方形波で ON/OFF します。
１オクターブ分の演奏が終了すると、SWの監視をし、SWが押されると再び演奏を始めます。
4 プログラムリスト
下にプログラムのリストを掲載します。
/*************************************
* File: ドレミ演奏
* ドレミ連続演奏 SWで繰り返し
* NCO で 音階の方形波を作る
* ccp1 Dutyを徐々に下げて音を小さくする
* PIC16F18313
* Created on 2021-12-29
**************************************/
// 音が減衰する程度 指定値(ms)で1/16減少
#define EnvConst 50
#include <xc.h>
#define _XTAL_FREQ 32000000 // delay_ms(x) のための定義
#pragma config FEXTOSC = OFF,RSTOSC = HFINT32
#pragma config CLKOUTEN = OFF,CSWEN = OFF,FCMEN = OFF
#pragma config MCLRE = ON,PWRTE = OFF,WDTE = OFF
#pragma config LPBOREN = OFF,BOREN = OFF,BORV = LOW
#pragma config PPS1WAY = OFF,STVREN = ON,DEBUG = OFF
#pragma config WRT = OFF,LVP = ON,CP = OFF,CPD = OFF
#define LED LATA4 // LED出力
#define pushSW RA5 // SW入力
#define MonCnt 10 // チャタリング防止時間(10ms)
// 音の高さを決める定数 for NOC clock 250KHz
const uint16_t dW_tbl[] = {
// Do, Re,, Mi, Fa, So, Ra, Si, Do
0x892,0x99F,0xACD,0xB71,0xCD8,0xE6A,0x102E,0x1125
};
uint8_t EnvCnt = EnvConst; // 音量減衰時間
uint8_t amp = 0; // 波形振幅
uint16_t remnTime = 0; // 音符演奏残り時間
uint8_t SWpressed = 0; // SW フラグ
int8_t SWclean = 1; // SW pin 状態
int8_t SWmonit = MonCnt; // SW変更禁止時間
uint8_t ptrOnp = 0; // 音符データポインタ
void main(void) {
LATA = 0; // LED Off
TRISA = 0b101011; // A2,A4出力、A5入力に設定
ANSELA = 0; // 全てのpinをデジタルに設定
WPUA = 0b111111; // 入力に弱プルアップ
// Timer0 設定 ***************************************
T0CON1 = 0b01000101; // Fosc/4 Sync PreS 1/32
T0CON0 = 0b10000000; // T0 ON 8bit Post 1/1
TMR0H = 249; // 32MHz/4/32/250=1KHz (1ms)
// PWM 設定 ******************************************
T2CON = 0b00000100; // Timer 2 PS1/1設定
PR2 = 0x1F; // Timer2 周期 250KHz設定
CCP1CON= 0b10001111; // Duty 下位 PWMモード
// CLC1 設定 ***************************************
// T2_matchをNCO Clockに接続する
CLC1POL = 0x02; // LC1G2POL 反転
CLC1SEL0 = 0x1A; // LC1D1S T2_match;
CLC1SEL1 = 0x00; // LC1D2S 接続なし
CLC1SEL2 = 0x00; // LC1D3S 接続なし
CLC1SEL3 = 0x00; // LC1D4S 接続なし
CLC1GLS0 = 0x02; // LC1G1D1T enabled
CLC1GLS1 = 0x00; // LC1G2 全入力なし
CLC1GLS2 = 0x00; // LC1G3 全入力なし
CLC1GLS3 = 0x00; // LC1G4 全入力なし
CLC1CON = 0x80; // LC1EN 割り込みなし AND-OR;
// NCO 設定 ************************************
NCO1CLK = 0x02; // LC1OUTがクロック
NCO1CON = 0x80; // NCO ON
// DSM 設定 ************************************
MDCON = 0x80; // 情報信号で搬送波『On/Off』
MDSRC = 0x0B; // 情報信号 正論理非同期 NOC1
MDCARH = 0x04; // 搬送波Ｈ 正論理非同期 CCP1
MDCARL = 0; // 搬送波Ｌ VSS
RA2PPS = 31; // RC3にDSM出力
while(1){
// 1ms毎に TimeUp (タイミング) ##########
if(TMR0IF){ // 1ms毎に TimeUp
TMR0IF = 0; // TimeUp flag クリア
// 音量減衰 -------------------------------------
if(EnvCnt-- == 0){ // 30ms毎に
EnvCnt = EnvConst; //
amp = (int)amp * 15/16; // 音量を -6% する
CCPR1H = 0;
CCPR1L = amp;
if(amp > 100)LED = 1; // 音量大で LED On
else LED = 0; // 音量小で LED Off
}
// 音符演奏 残 ------------------------------------
if(remnTime) remnTime--; // 残り時間を1ms減少
// Clean SW bounce --------------------------------
if(SWmonit == 0){ // SWが安定状態時
if(SWclean != pushSW) // SWの状態変更たら
SWmonit = MonCnt; // チャタリング防止設定
}else{ // チャタリング防止中に
if(SWclean != pushSW){ // SWの状態が変化か
SWmonit--; // 変化継続を５回確認
if(SWmonit == 0){ // 防止期間終了で
if(SWclean) // ONなら
SWpressed = 1; // 「押した」をtrue
SWclean = pushSW; // 新しい状態を反映
}
}else{ // SWが元に戻ったら
SWmonit = 0; // SWが安定状態を維持
}
} // Clean SW bounce
} // if(TMR0IF)
// ########################################
if(remnTime == 0){ // 一音演奏が終わったら
if(ptrOnp < 8){ // 全音終了でないなら
NCO1INCU = 0; // 次の音をNCOにセット
NCO1INCH = dW_tbl[ptrOnp] >> 8;
NCO1INCL = dW_tbl[ptrOnp] & 0xFF;
remnTime = 500; // 音継続 500msに設定
amp = 127; // 音量を最大にする
ptrOnp++; // 次の音を準備する
}else if(SWpressed){ // 演奏終了しSWが押下なら
SWpressed = 0; // SWフラグクリア
ptrOnp = 0; // 最初の音を準備
}
} // f(remnTime == 0)
}
}
5 次回の予定
次回は、NCO, PWMを利用した電子オルゴールを紹介します。