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How to: UNIT-SYNTHで超簡単に電子楽器を作ろ！

2024/12/22に公開

M5Stack

みんな、こんにちは！マイコンを使って色んな音色で音を出したいことってあるよね？ボクはアヒルちゃん型音楽ガジェットを作った時に、最初はM5Capsuleに内蔵されたブザーで音を出してみたけど、これはイマイチで、その後にUNIT-SYNTHというユニットが発売されたことで、ブザーを使うよりも簡単に色んな音を出せるようになったよ。UNIT-SYNTHはシンセサイザーといって電子的に音を合成して色んな音色を出力するための装置だよ。今回はM5StackとUNIT-SYNTHを使って簡単に色んな音を出す方法についてまとめていくよ。
UNIT-SYNTHなら色んな音を簡単に音を出せる！

https://x.com/nananauno/status/1852723493219262642
アヒルちゃん型音楽ガジェットの詳細はこちら👇

https://protopedia.net/prototype/5732

 作りたいものM5Stack AtomLiteとUNIT-SYNTHを接続して、AtomLiteのボタンAを押したときにドレミと鳴らすものを作ってみるよ。あと、AtomLiteのボタンAを長押しすると楽器を変更できるようにするよ。

 対象読者UNIT-SYNTHの使い方を知りたい
M5Stackを使って簡単に楽器を作りたい

 環境ハードウェア
M5Stack AtomLite
UNIT-SYNTH
ここではAtomLiteを使っているけど、お手元にあるM5Stackシリーズなら何でもOKだよ。
ソフトウェア
Arduino IDE / Platform IO
M5Unified
M5UnitSynthライブラリ
ここではUNIT-SYNTHの制御にM5Stackさんが提供してくれているM5UnitSynthライブラリを使用するから事前にArduinoのライブラリで追加をしておいてね。M5UnitSynthと検索すると出てくるよ。

 UNIT-SYNTHUNIT-SYNTHはM5Stackさんが2024年4月に発売したシンセサイザーユニットだよ。M5Stackシリーズのマイコンモジュールに接続して色んな音を出すことができるよ！
https://ssci.to/9510
シンセサイザーは最初にも少し説明したけど、電子的に音を合成して出力する装置のことだよ。ピアノとかギターとか色んな楽器を音色として選択することができるよ。MIDIって頭についているけど、MIDIというのは Musical Instruments Digital Interface の略で、コンピュータ同士で音楽の情報をやり取りするためのインタフェース規格だよ。ということは、このUNIT-SYNTHはMIDIというインタフェース規格で制御するシンセサイザーってことだね！

 どんなことができる？UNIT-SYNTHでできることを簡単にまとめると：
同時に64個の音を出せる（エフェクトなしの場合）
128種類の音色を選択できる
イコライザー、リバーブのようなエフェクトをかけられる
UNIT-SYNTHにはフランスのdreamさんのGM音源チップSAM2695が使われていて、この音源チップで色んな音を合成してUNIT-SYNTH内蔵のスピーカーから音を出力しているよ。SAM2695はエフェクトをかけない場合、64個の音を同時に出すことができるよ。あと、ピアノ、ドラム、弦楽器、木管楽器のような音色が128種類用意されていて色々な音も出すことができるよ。
そういえば、かんぷれに搭載されている音源もSAM2695だね。SAM2695はとても使いやすくてコスパが良いMIDI音源チップみたいで、結構色々なところで使われているみたいだよ！

 音を出すために最低限必要な知識MIDIの詳細はここでは解説しない（ボクもよく分かっていないから）けど、SYNTH-UNITで音を出すために最低限必要な知識をざっくりと説明しておくよ。
楽器を制御するための情報って何があるのかな？ボクはあんまり音楽に詳しくはないけど、次の3つぐらいの情報があれば楽器を制御できそうじゃない？音の強さはなくても音は出せそうだけど、MIDIの規格では音を出すときに音の強さも指定する必要があるから入れているよ。
音を出す/止める
音の高さ（ドレミ・・）
音の強さ（弱い音〜強い音）
MIDIでは機器から機器に送る制御信号のことをメッセージと呼んでいるよ。例えば、音を出すっていうNote Onというメッセージがあって、Note Onメッセージには音の高さと音の強さの値を含めることになっているよ。
チャネル

MIDIにはチャネルという値があって、メッセージを送信する際にはチャネルも指定することになっているよ。1つのチャネルに1つの音色を設定できるようになっていて、例えばチャネル1=ピアノ、チャネル2=ギターって感じに設定できるよ。MIDIで使えるチャネルは0〜15の合計16チャネルだよ。
あれ？SAM2695は64個の音を出せるんじゃ？16チャネルしかないと16個の音しか出せないんじゃないの？という疑問があるよね。どうやって64個の音が出るのかというと、Note Onのメッセージは1つのチャネルで同時に複数送ることができて（正確に言うと待ち時間なしで複数のNote Onを連続して送る）、ドミソというNote Onメッセージを同じチャネルに同時に送ると、ドとミとソの音を1つのチャネルで同時に鳴らすことができるよ。
MIDIメッセージの構造

ここまで説明した内容をちょっとまとめると、Note Onというメッセージを送信する場合、以下のような組み合わせでメッセージを送信しているよ。MIDIの機器（例えばシンセサイザー）がこのメッセージを受け取ると、チャネル番号に設定された音色で指定された音の高さ、強さで音を出すことができるよ。
チャネル番号＋コマンド(Note On)＋音の高さ＋音の強さ
今回使用するコマンド、音の高さ、音の強さで指定する値の詳細は次の項目で説明していくよ。

 音を出す/止める (Note On / Note Off)MIDIで音を出すコマンド、音を止めるコマンドはそれぞれNote OnとNote Offというコマンドだよ。どちらのコマンドも音の高さと音の強さを指定するよ。
音を出す：Note On
音を止める：Note Off
今回はM5Stackさんが用意してくれているM5UnitSynthライブラリを使用するから、ライブラリでNote On / Note Offを送る方法をここでは説明するね。
M5UnitSynth::setNoteOn(uint8_t channel, uint8_t pitch, uint8_t velocity)

setNoteOnを使用するとUNIT-SYNTHから音を出すことができるよ。setNoteOnで指定する引数はさっきも説明したけど、以下の3つだよ。
channel: チャネル番号
pitch: 音の高さ
velocity: 音の強さ
音の高さと音の強さで指定する値についてはこの後に詳しく説明するよ。チャネル番号は例えばチャネル1をピアノに設定して、ピアノの音を出したいときは1を指定するよ。channelで指定した楽器の音を鳴らすことができるよ。
NoteOnのメッセージをUNIT-SYNTHに送ると、音を止めるメッセージを送るまではずっと音がなっているよ。音を止めるには次で説明するNote OffのメッセージをUNIT-SYNTHに送るよ。
M5UnitSynth::setNoteOff(uint8_t channel, uint8_t pitch, uint8_t velocity)

setNoteOffを使用するとUNIT-SYNTHで鳴っている音を止めることができるよ。setNoteOffで指定する引数はsetNoteOnと同じだよ。ポイントは音を止めたいチャネル番号と音の高さをsetNoteOnで指定した値と一致させることだよ。
例えば、setNoteOn(0,21,127)で鳴らした音はsetNoteOff(0,21,127)という感じでメッセージを送ると音が止まるよ。音の強さの値は、ここではあんまり気にしなくていいよ。

 音の高さ（ノート）Note On / Note Offで音を出したり止めたりできることは分かったけど、Note On / Note Offのメッセージで指定する音の高さは何を指定すればいいのかな？ここでは音の高さについて説明するよ。
音の高さはドレミファソラシド…のようにドはドの音、レはレの音というのがあるよね。音の高さは空気が振動する時の周波数によって決まっているよ。ドならドの音が鳴る周波数があるってこと。音楽では一般的にドレミ…ではなくて英語表記のCDEFGABがよく使用されているよ。ド＝C、レ＝D…シ＝Bのように対応しているよ。MIDIでもCDEFGABと文字の後に付くオクターブの数字で音程を表しているよ。中央のドはC4という感じ。
!中央のドは1つに決められているわけではなくて、機器やソフトによってはC3が中央のドというのもあるみたいだよ。
MIDIでは音を出すためのNote Onというコマンドがあるのはすでに説明して、Note Onを送るときには音の高さを指定する必要があったよね。この音の高さを表す値をノート番号と言うんだけど、これはA0からC8までの音が21番から108番に割り当てられているよ。MIDIで指定できる全てのノート番号は以下の通りだよ👇


ノート番号
音程
備考


21
A0
ピアノの最低音

22
A#0 / Bb0


23
B0


24
C1


25
C#1 / Db1


26
D1


27
D#1 / Eb1


28
E1


29
F1


30
F#1 / Gb1


31
G1


32
G#1 / Ab1


33
A1


34
A#1 / Bb1


35
B1


36
C2


37
C#2 / Db2


38
D2


39
D#2 / Eb2


40
E2


41
F2


42
F#2 / Gb2


43
G2


44
G#2 / Ab2


45
A2


46
A#2 / Bb2


47
B2


48
C3


49
C#3 / Db3


50
D3


51
D#3 / Eb3


52
E3


53
F3


54
F#3 / Gb3


55
G3


56
G#3 / Ab3


57
A3


58
A#3 / Bb3


59
B3


60
C4
中央のド (Middle C)

61
C#4 / Db4


62
D4


63
D#4 / Eb4


64
E4


65
F4


66
F#4 / Gb4


67
G4


68
G#4 / Ab4


69
A4
基準音 (440Hz)

70
A#4 / Bb4


71
B4


72
C5


73
C#5 / Db5


74
D5


75
D#5 / Eb5


76
E5


77
F5


78
F#5 / Gb5


79
G5


80
G#5 / Ab5


81
A5


82
A#5 / Bb5


83
B5


84
C6


85
C#6 / Db6


86
D6


87
D#6 / Eb6


88
E6


89
F6


90
F#6 / Gb6


91
G6


92
G#6 / Ab6


93
A6


94
A#6 / Bb6


95
B6


96
C7


97
C#7 / Db7


98
D7


99
D#7 / Eb7


100
E7


101
F7


102
F#7 / Gb7


103
G7


104
G#7 / Ab7


105
A7


106
A#7 / Bb7


107
B7


108
C8
ピアノの最高音

M5UnitSynthライブラリのsetNoteOnやsetNoteOffでノート番号を指定するときは、上の表のノート番号を直接指定してもいいし、NOTE_C4のようなマクロでの指定もできるよ。マクロの定義は以下を参照してみてね。
https://github.com/m5stack/M5Unit-Synth/blob/main/src/M5UnitSynthDef.h

 音の強さ (ベロシティ)次はNote Onと一緒に送る音の強さの情報を説明するよ。ベロシティは速さって意味だけど、鍵盤を叩く速さを表しているみたいだよ。ピアノの鍵盤を叩く速さが速いほど音が強くなるし、遅いと音は弱くなるよね。ベロシティで指定できる値は0〜127で値が大きいほど音が強くなるよ。

 音の種類 (program change)ここまででUNIT-SYNTHで音を出す、音を止める方法について説明してきたけど、UNIT-SYNTHでは色々な楽器を音色として設定できるから、音色を設定する方法についても説明するよ。M5UnitSynthライブラリではsetInstrumentを使用することで簡単に音色を設定することができるよ。
M5UnitSynth::setInstrument(uint8_t bank, uint8_t channel, uint8_t value)
bank: 音色テーブルの切り替え
channel: チャネル番号
value: 音色の番号
bankはSAM2695にある2つの音色テーブルを切り替えるために使用するんだけど、説明するとややこしくなるから、ここでは常に0を指定しておくよ。
channelはsetNoteOnやsetNoteOffで使用するチャネル番号と同じで、どのチャネルの音色を変更したいかを指定するよ。0〜15まで指定できるよ。ただし、チャネル10はドラム用のチャネルになっていて、ドラム以外の音は割り当てられないようになっているよ。
valueは音色の番号を指定するよ。M5UnitSynthライブラリでは、unit_synth_instrument_tに音色の名前が設定されているから、これを使うと便利だよ。例えばグランドピアノはGrandPiano_1と定義されているよ。ノート番号と同じくM5UnitSynthDef.hで定義されているから参照してみてね。
ドラムはちょっと特殊

チャネル10はドラム専用のチャネルなんだけど、SAM2695では4種類のドラムセットを選択することができるよ。setInstrumentのチャネル番号に10を指定して、valueでドラムセットの番号を設定することでドラムセットを設定することができるよ。どんなドラムセットがあるかはSAM2695のデータシートを見てね。


dream社SAM2695データシート P.32より
https://docs.dream.fr/pdf/Serie2000/SAM_Datasheets/SAM2695.pdf

 音を出してみよ！ちょっと説明が長かったかもしれないけど、これでUNIT-SYNTHで音を鳴らす方法が分かってきたかな？ここからはいよいよUNIT-SYNTHで音を出していくよ。

 接続方法まずはM5StackとUNIT-SYNTHを接続するよ。UNIT-SYNTHのGrove端子とAtomLiteのGrove端子をケーブルで接続してね。
AtomLiteの場合、GPIOの32と26がGrove端子に割り当てられているよ。UNIT-SYNTHとの通信はUARTで32が受信、26が送信になっているよ。これはAtomLiteの場合で、他のM5Stackを使用している場合はGPIOの番号が異なるから、使用しているM5Stackに合わせてね。

 UNIT-SYNTHの初期化UNIT-SYNTHの初期化は簡単で、M5UnitSynthクラスのオブジェクトからbeginを呼び出すだけだよ。
M5UnitSynth::begin(HardwareSerial serial, int baud, uint8_t RX, uint8_t TX)
synth.begin(&Serial2, UNIT_SYNTH_BAUD, 32, 26);
1つ目のserialにはUNIT-SYNTHと通信するシリアル通信のためのオブジェクトを指定しているよ。ESP32ではハードウェアシリアルが3つあって、使用していないシリアル通信のオブジェクトを指定しているよ。たぶんSerial1も使えるのかな？
UNIT_SYNTH_BAUDはこれをそのまま指定してね。
最後の2つはUNIT-SYNTHとシリアル通信するための受信と送信のGPIOを指定しているよ。AtomLiteではそれぞれ32と26だね。
これでUNIT-SYNTHを使用する準備が完了したよ！

 サンプルコード今回作りたいAtoLiteのボタンAを押すとドレミと鳴らすためのサンプルコードだよ。コードの説明はコメントとして直接記載しているよ。
#include <Arduino.h>
#include <M5Unified.h>
#include <M5UnitSynth.h>

M5UnitSynth synth;
uint32_t prog = 1;

void setup() {
  // Initialize M5Unified
  // M5Unifiedを初期化しているよ。
  M5.begin();
  // Initialize UNIT-SYNTH
  // M5UnitSynthを初期化しているよ。
  synth.begin(&Serial2, UNIT_SYNTH_BAUD, 32, 26);
  // チャネル0の音色をグランドピアノに設定しているよ。
  synth.setInstrument(0, 0, GrandPiano_1);  // synth piano 1
  // UNIT-SYNTHのマスター音量を200に設定しているよ。
  synth.setMasterVolume(200);
  // UNIT-SYNTHのチャネル0の音量を200に設定しているよ。
  synth.setVolume(0, 200);
}

void loop() {
  M5.update();
  if(M5.BtnA.wasPressed()){
    // ボタンAが押されたときにドレミと鳴らしているよ。
    // ド
    synth.setNoteOn(0, NOTE_C4, 127);
    delay(500);
    synth.setNoteOff(0, NOTE_C4, 0);
    // レ
    synth.setNoteOn(0, NOTE_D4, 127);
    delay(500);
    synth.setNoteOff(0, NOTE_D4, 0);
    // ミ
    synth.setNoteOn(0, NOTE_E4, 127);
    delay(500);
    synth.setNoteOff(0, NOTE_E4, 0);
  }
  if(M5.BtnA.wasHold()){
    // ボタンAが長押しされたときに次の音色を選択するよ。
    prog++;
    synth.setInstrument(0, 0, prog%128);
  }
}
実際に実行するとAtomLiteのボタンを1回押すとUNIT-SYNTHからドレミと聞こえて、ボタンを長押しすると楽器が変わることを確認できたかな？

 まとめ今回はUNIT-SYNTHを動作させるためのコード自体は簡単だったけど、MIDIを使用して音を鳴らすために必要な知識の説明に少し時間がかかったよね。それだけ音楽やMIDIが奥深いってことだね。今回は簡単にドレミと鳴らしてみただけだけど、ボタンを沢山用意したり、色々な演奏方法を考えることで自分だけの楽器を作れそうだよね？ボクもアヒルちゃん型の音楽ガジェットを作ろうとしているけど、みんなも自分で考えた楽器を作ってみてね！作ったものは教えてくれると嬉しいな！
じゃあ、今日はここまで、またね！

ノート番号	音程	備考
21	A0	ピアノの最低音
22	A#0 / Bb0
23	B0
24	C1
25	C#1 / Db1
26	D1
27	D#1 / Eb1
28	E1
29	F1
30	F#1 / Gb1
31	G1
32	G#1 / Ab1
33	A1
34	A#1 / Bb1
35	B1
36	C2
37	C#2 / Db2
38	D2
39	D#2 / Eb2
40	E2
41	F2
42	F#2 / Gb2
43	G2
44	G#2 / Ab2
45	A2
46	A#2 / Bb2
47	B2
48	C3
49	C#3 / Db3
50	D3
51	D#3 / Eb3
52	E3
53	F3
54	F#3 / Gb3
55	G3
56	G#3 / Ab3
57	A3
58	A#3 / Bb3
59	B3
60	C4	中央のド (Middle C)
61	C#4 / Db4
62	D4
63	D#4 / Eb4
64	E4
65	F4
66	F#4 / Gb4
67	G4
68	G#4 / Ab4
69	A4	基準音 (440Hz)
70	A#4 / Bb4
71	B4
72	C5
73	C#5 / Db5
74	D5
75	D#5 / Eb5
76	E5
77	F5
78	F#5 / Gb5
79	G5
80	G#5 / Ab5
81	A5
82	A#5 / Bb5
83	B5
84	C6
85	C#6 / Db6
86	D6
87	D#6 / Eb6
88	E6
89	F6
90	F#6 / Gb6
91	G6
92	G#6 / Ab6
93	A6
94	A#6 / Bb6
95	B6
96	C7
97	C#7 / Db7
98	D7
99	D#7 / Eb7
100	E7
101	F7
102	F#7 / Gb7
103	G7
104	G#7 / Ab7
105	A7
106	A#7 / Bb7
107	B7
108	C8	ピアノの最高音

作りたいもの

対象読者

環境

UNIT-SYNTH

どんなことができる？

音を出すために最低限必要な知識

音を出す/止める (Note On / Note Off)

音の高さ（ノート）

音の強さ (ベロシティ)

音の種類 (program change)

音を出してみよ！

接続方法

UNIT-SYNTHの初期化

サンプルコード

まとめ

Discussion