めそめそなたんぶらー

デジタルで音声信号を処理する機器を作ろうとする場合、アナログ信号をデジタル信号に変換する処理（AD変換）と、デジタル信号をアナログ信号に変換する処理（DA変換）が必要になります。AD・DA変換はオーディオに限らずさまざまな分野で使われているため、これらを実現するためのデバイスは沢山あります。その1つが、秋月電子通商で購入できるCOOLAUDIOの「V4220M」というICです。このV4220MはAD変換とDA変換の両方の機能を備えるICで、販売価格は240円と、この手のデバイスとしてはかなりリーズナブルなお値段です。

V4220Mは同じくCOOLAUDIOの「V1000」というデジタルエフェクトICと組み合わせて利用することが想定されているようなのですが、「I2S」と呼ばれる音声向けの汎用データ送受信方式に対応しているため、ほかの信号処理プロセッサやマイコンと組み合わせることが可能です。最近ではデジタル音声処理を実行するには十分な性能を持ち、かつ小型で安価なマイコンも多く出回っています。今回はその1つである「ESP32S3」というプロセッサを搭載したSeeed Studioの小型マイコンボード「XIAO ESP32S3 Plus」とV4220Mを組み合わせて、AD変換およびDA変換処理を実装してみました。

前提知識

まず今回紹介する回路を理解するための前提知識として、使用するICやマイコン、そしてこれらの間の通信で使われる「I2S」というインターフェイスについて解説します。あくまで簡単な説明なので、より詳しい知識が知りたい方はそれぞれの単語でWeb検索してみてください。

なお、デジタルエフェクターのようなデジタル信号処理を行うプログラムを作成するにはデジタル信号処理の知識が必要となりますが、さすがにそれをここで解説するのは大変なのでそちらについては割愛します。

V4220Mについて

V4220Mは前述のとおりAD変換とDA変換の両方の機能を備えたICです。デジタル化を行う装置は「コーダー（coder）」、それをアナログ信号に戻す装置は「デコーター（decoder）」とも呼ばれており、その両方の機能を持つことからこれらの単語を組み合わせた「codec IC」と呼ばれています。AD変換・DA変換ともに2チャンネルの同時処理（つまりステレオでの処理）が可能で、対応量子化ビット数は最大24ビット、サンプリング周波数は4～48kHzです。音楽CDで使われている圧縮無しデジタル音声は16ビット/44.1kHzなので、スペック上はこれらと同等以上の品質でのAD変換やDA変換が期待できます。

COOLAUDIOは昔（80～90年代ごろ）の音響機器で使われていたICを現代に復刻させて製造・販売していることで知られるメーカーで、このV4220MもCirrus Logicという信号処理ICメーカーがかつて製造・販売していた「CS4220」というICを復刻させたもののようです。そのため、型番こそ異なるものの、V4220Mの基本的な特性はCS4220と同等で、CS4220を使った回路はそのままV4220Mでも利用できるようです。

ちなみに、Cirrus LogicはCS4220の姉妹製品として、CS4221～CS4224というICも発売していたそうです。基本的なピン配置等はほとんど同じですが（CS4222のみ若干違う）、データシートを見る限りCS4220とこれら姉妹製品では下記のような違いがあるようです。

CS4221：SPIおよびI2Cインターフェイス機能を内蔵しており、マイコンから動作の設定が可能

CS4222：CS4221と同様にSPIおよびI2Cインターフェイスを内蔵するが分解能は最大20ビット固定、スレーブ動作のみ（外部クロックが必須）。廉価版ということ？

CS4223：CS4220と仕様的にはほぼ同じだが音質が強化されている？

CS4224：CS4221と仕様的にはほぼ同じだが音質が強化されている？

V4220MはCS4220のクローンですが、CS4223とも互換性はあるようで、CS4223を使用しているLINE6の「DL4」というディレイエフェクターでCS4223をV4220Mに置き換えても動作するというレポートがありました。

なお、V4220MのデータシートはこのCS4220/4221のデータシートを参考に作成されたように見えるのですが、以下のような違いがあります。

クロックの設定などに関する情報がCS4220とは異なっている

本来V4220Mには搭載されていない（CS4221専用の）I2C・SPIインターフェイスを使った設定機能の話が記載されている

そのため、DigikeyのWebサイトなどで入手できるCS4220/4221のデータシートも一緒に確認することをおすすめします。

ESP32S3について

ESP32シリーズはEspressif Systemsという半導体メーカーが通信機能を持つデジタル機器（いわゆるIoTデバイス）向けに開発したマイコンです。Wi-FiやBluetooth機能を内蔵しているため、ネットワーク接続機能を持つデジタル機器でよく使われているようです。国内では秋月電子通商や千石電商、マルツなどの電子部品を取り扱っているお店でESP32シリーズを搭載する小型マイコンボードを購入できます。

これらのマイコンボードは入手性が良く、価格も1,000～2,000円前後と安価なのですが、特にSeeed StudioのXIAO ESP32-S3シリーズはおよそ2cm四方の小型サイズながら最大240MHz動作のデュアルコアプロセッサを搭載し、かつ「PSRAM」と呼ばれる、SPI接続のRAM（容量8MB）も搭載されている点が特徴です。このPSRAMは通常のメモリと同様に利用できるため、大容量のメモリが必要な処理も余裕で実行できます。

また、ESP32シリーズ向けには「FreeRTOS」と呼ばれる、並列処理を考慮したOSをベースとするシステムが提供されており、（知識さえあれば）簡単にマルチコアを活用した並列処理プログラムを実装できます。さらにハードウェアレベルでI2Sインターフェイスをサポートしており、低い負荷でオーディオ入出力処理が可能です。

ESP32シリーズでの開発にはArduino IDE、もしくはESP-IDFという環境環境が利用できます。Arduino IDEではハードウェアの細かい部分を気にせず開発ができるので、マイコンに詳しくない人でも開発しやすい点もメリットだと思います。

I2Sについて

V4220MとESP32S3マイコンの間では、「I2S」という形式でデータのやり取りを行います。I2Sでは4本の信号線を使用してデータの送受信やタイミング制御を行います。簡単に言ってしまうと、2つのデバイス間で次の4本の端子を接続し、適切に設定を行うだけでデジタル化されたオーディオ信号をやり取りできる、というものです。

データ入力（DIN）：アナログ信号に変換するデジタル信号を入力する端子

データ出力（DOUT）：アナログ信号から変換されたデジタル信号を出力する端子

ビットクロック（BCLK/CSLK）：DIN・DOUT端子でのデータ入出力タイミングを制御するための端子

ワードセレクト（WS/LRCK）：DIN・DOUT端子でやり取りしている信号がステレオの右チャネルの信号なのか、それとも左チャネルの信号なのかを示すための端子

なお、ビットクロックやワードセレクトはV4220Mのデータシートではそれぞれ「シリアルデータクロック（SCLK）」や「レフト/ライトクロック（LRCK）」と呼ばれていますが、以下ではESP32側での呼び方である「BCLK」や「WS」で表記しています。また、ここでいう「クロック」は（雑に説明すると）一定の決まった周波数でHIGH/LOWを繰り返す信号のことです。

DIN端子は接続相手のDOUT端子に、DOUT端子は接続相手のDIN端子に接続します。また、BCLK端子は接続相手のBCLK端子に、WS端子も接続相手のWS端子に接続します。このとき、CSLKおよびLRCK端子から信号を出力する側のデバイスを「マスター」、信号を受け取る側のデバイスを「スレーブ」と呼びます。今回使用するV4220MやESP32S3マイコンはマスター/スレーブのどちらで動作しますが、マスターもしくはスレーブでしか動作しないデバイスもあります。

I2Sでは上記の4つの端子とは別に、各デバイスで「マスタークロック（MCLK）」と呼ばれる、AD変換やDA変換処理も含めたシステム全体の処理タイミングを同期させるためのクロックが必要です。V4220Mは外部からマスタークロックを入力して使用することもできますし、発振子（いわゆるクリスタルなど）を接続してそこから自前でマスタークロックを生成することもできます。また、ESP32Sでは外部からマスタークロックを入力するか、もしくはマイコン全体で使用しているクロックからマスタークロックを生成することができます（この設定については後述）。

ESP32S3とV4220Mを使用したオーディオ信号のデジタル処理回路

続いては実際に作成した回路について紹介していきます。回路の全体像はこのような感じになっています。

マイコンボードにはSeeed Studioの「XIAO ESP32-S3-PLUS」を使用しました。ESP32-S3-PLUSは基板の縁に1.27mmピッチのパッドを設置することで、小型ながら20個の入出力ポートを利用できるマイコンボードです。さらに国内で無線機能を利用するための技術基準適合証明（いわゆる技適）を取得しているため、合法的に無線機能を利用できます。エフェクターで無線機能を使うことはあまりないですが、たとえばBluetooth経由でスマートフォンと連携して設定をカスタマイズする、といったことが実現できます。

ちなみにXIAO ESP32-S3シリーズは複数のモデルがありますが、出力インターフェイスが異なるだけで、搭載するプロセッサや機能はすべて同一です。そのため、同シリーズのほかのマイコンでも、基本的には同じような回路が利用可能です。

電源回路

XIAOシリーズのマイコンボードはUSB Type-Cコネクタもしくは14番ピン（VBUSピン）から供給された5Vの電源で動作します。今回は一般的なエフェクターで使用する9V電源で動作させたかったので、3端子レギュレータを使って9Vから5Vを生成します。さらに、アナログ側の電源供給（+5VA）とデジタル側の電源供給（+5VD）は分離し、+5VAと+5VDはノイズを遮断する効果があるインダクタを介して接続しています。

マイコンボードのVBUSピンは内部的にはUSBコネクタのVBUS端子（+5V供給端子）に接続されているため、USBケーブルを接続した状態で外部から電源を供給しても問題が発生しないよう、ショットキーダイオードを介して+5VDに接続します。

マイコンボードの17番ピン（3V3ピン）は、VBUSピンもしくはUSBケーブルから供給された+5Vから生成した+3.3Vを供給するピンです。ESP32シリーズマイコンはインターフェイス電圧が3.3V、つまり3.3VがHIGH電圧となるため、マイコンに接続する抵抗器やスイッチ、各種インターフェイスなどにはここから3.3Vを供給します。この3.3Vはマイコンに直結されているため、ノイズが多い点には注意が必要です。

マイコン周りの回路

前述のとおり、ESP32S3とV4220Mとのデータのやり取りにはI2Sという仕組みを使用します。V4220MではそのためにDIN、DOUT、LRCK、SCLK端子が用意されています。一方、ESP32S3のI2S機能では任意のGPIO端子をDINやDOUT、WS、BCLK端子として使用できます。今回はGPIO3端子をDOUTに、GPIO4をDINに、GPIO5をBCLKに、GPIO6をWSとして使用することにしました。ちなみにどの端子にどの機能を割り当てるかはソフトウェア側で設定できるのですが、ESP32S3の一部の機能（たとえばADコンバータ）は一部のGPIO端子にしか割り当てできないため、使用したい機能が被らないように割り当てを考える必要があります。

また、V4220MではDIF0およびDIF1端子で入出力動作モードを、DEM0およびDEM1端子でフィルタ機能の設定を切り替えられるようになっています（詳細についてはデータシートを参照）。これらは固定値でも良いのですが、今回はマイコン側から設定できるよう、それぞれGPIO38、GPIO39、GPIO41、GPIO40端子に接続しています。これに加えて、マイコン側からV4220Mをリセットできるよう、GPIO1端子をV4220MのRSTN端子に接続しています。

それ以外の端子は、スイッチや可変抵抗器（POT）、LEDなどを接続することを想定してピンヘッダに接続しています。

V4220M周りの回路1：電源の設定

V4220Mにはアナログ用の電源端子（VA）とデジタル用の電源端子（VD）があり、それぞれに5Vの電源を接続する必要があります。V4220MのデータシートではVAに+5Vを入力し、かつVDは2Ωの抵抗を介してVAと接続する例が記載されていますが、これはデジタル用の電源端子とアナログ用の電源端子を分離することでノイズの影響を抑える意図だと思われます。ただ、今回はデジタル側電源にマイコンボードも接続する設計にしたため、2Ωの抵抗を接続するとそこでの電圧降下が気になります（たとえばマイコン側で100mAの電力を消費した場合、200mV、つまり0.2Vの電圧効果が発生する）。そのため、前述のように今回は抵抗ではなくインダクタでアナログ側電源とデジタル側電源を分離しています。ぞれぞれの電源端子はノイズ対策および安定性向上のため、10uおよび0.1uのセラミックコンデンサを接続しています（いわゆるパスコンデンサ）。

ESP32マイコンは3.3V電源で動作するため、その入出力もすべて3.3Vで行われます。つまり、やり取りするデジタル信号では「1」を3.3V、「0」を0Vで表すことになります。V4220Mではデジタル信号の電圧を設定するためのVL端子があり、そこに3.3Vを入力することで、0V/3.3Vで信号の入出力を行えるようになります。こちらにも同様にパスコンデンサを接続しています。

V4220M周りの回路2：マスタークロック

V4220Mは外部からマスタークロックを入力することもできますし、発振子を接続してそこからマスタークロックを生成することもできます。ESP32のI2S機能はマスタークロック生成機能も提供しているので、そこで生成したマスタークロックをV4220MのXTI端子に供給すれば良さそうなのですが、試したところその場合どうやっても正常に動作させることができませんでした（動作はするがデータ送受信のタイミングがずれるようで、データを正しく送受信できない）。そのため、水晶発振子とコンデンサをXTOおよびXTI端子に接続して、V4220M側でマスタークロックを生成させています。

なお、V4220Mのサンプリング周波数は供給するマスタークロックもしくは発振子の周波数で決まり、V4220Mをマスターとして使用する場合はこの周波数の256分の1がサンプリング周波数になります。また、V4220Mをスレーブとして使用する場合はマスタークロックをサンプリング周波数の256もしくは384、512倍にしなければなりません。今回はV4220Mをマスターとして使用し、かつサンプリング周波数を48kHzに設定したかったので、水晶振動子の周波数として48kHz×256=12,288,000Hz（12.288MHz）を選択しました（この周波数の水晶振動子は千石電商で購入可能です

ちなみに、I2Sではマスタークロックをデバイス間で共有する必要はなく、それぞれのデバイス内で独立したマスタークロックを利用できます。ESP32のI2S機能ではマイコン内部でI2S用のマスタークロックを生成できるので、V4220M側で生成したマスタークロックをESP32S3側に供給する必要はありません（念のため、XTIもしくはXTO端子をGPIO43端子に接続できるようジャンパーは用意しています）。

V4220M周りの回路3：アナログ信号入力

デジタル信号に変換するアナログ信号は、V4220MのLIN+、LIN-、RIN+、RIN-端子に入力します。LIN+およびLIN-が左チャネル、RIN+およびRIN-が右チャネルで、それぞれ差動動作する構成です。LIN-とRIN-をGNDに接続して使用することもできますが、差動構成にしたほうがノイズ耐性は高くなるため、今回はオペアンプを使って入力信号にバイアス電圧を加えるとともに、反転した信号も生成してそれぞれを+および-端子に入力する構成にしています。バイアス電圧はCS4220データシート上の「Common Mode Input Voltage」（2.3V）に近い値（約2.27V）に設定しています。

この部分の回路はデータシートに記載されている参考回路ものとほぼ同じですが、+側出力は入力信号と同じ振幅に、-側出力は入力信号を振幅はそのままに反転させたものになるよう抵抗値を調整しています。V4220Mの入力は差動回路になっているので、その結果V4220Mが受け取る信号の振幅はオペアンプに入力された信号の2倍になります。V4220Mに入力できる信号は2.0Vrmsですが、一般的なエレキギターやエレキベースの出力はおよそ1Vrms未満なので、入力信号を2倍に増幅することでより高い解像度でのAD変換が期待できます。また、オペアンプの入力段の前にはトランジスタを使ったバッファ回路を入れています。そのため、この回路のL_INPUTおよびR_INPUTにはバイアス電圧が付与された信号を入力する必要があります。

なお、オペアンプは単電源で動作させている（-電源端子をGNDに接続している）ため、オペアンプによってはバイアス電圧（約2.27V）が低すぎて正常に動作しない可能性があります。そのため、今回はこの部分で使用するオペアンプとしてTIのTLV2365を選択しました。電源電圧は最大5.5Vと低めですが、RAIL-to-RAIL、つまり入出力ともに0Vから電源電圧までの範囲で正常動作し、かつスペック上はノイズも少なめの2回路入りオペアンプです。あえて2回路入りオペアンプを2つ使用する構成にすることで、右チャネルと左チャネルを完全に分離することでクロストーク（片方のチャネルの信号がもう片方のチャネルに混入すること）の低減を期待しています。

V4220M周りの回路4：アナログ信号出力

V4220Mのアナログ信号出力は、アナログ信号入力と同様に差動動作となっています。LOUT+とLOUT-が左チャネル、ROUT+とROUT-が右チャネルです。

一般的なDA変換では、その過程で本来の信号には含まれていない高周波ノイズが含まれてしまいます。そのため、出力信号にはローパスフィルタを入れてこれらのノイズをカットします。今回はデータシートに掲載されている2-Pole Butterworthフィルタ回路を使用しました。ただし、コンデンサや抵抗器の値は（特性は変わらないようにしつつ）入手しやすいものに変更し、また単電源動作用にGNDをバイアス電圧源に入れ替えています。さらに、入力部と同様にクロストークの低減を図るため、1回路入りのオペアンプを使用して右チャネルと左チャネルを完全に分離させています。こちらはバイアス電圧を十分に高く設定できるので（今回は4.5Vに設定）、オペアンプには入手しやすいOP07を選択しています。

この回路の出力信号はバイアス電圧を含んでいるため、最終的な出力段で直列にコンデンサを入れてバイアス電圧を除去する必要があります。

そのほかの細かい部分

V4220Mとの接続に使用していないマイコンのGPIOピンやアナログ信号入力・出力、電源端子はピンヘッダに接続し、このピンヘッダ経由で外部とやり取りするようにしています。

また、この回路はマイコンとしてXIAO ESP32-S3-PLUSを使用する想定で設計していますが、これ以外のXIAOシリーズマイコンでの使用も考慮しています。その場合、利用できるピンは（電源ピンも含めて）1～14までの14本のみになり、V4220MのDIF0、DIF1、DEM0、DEM1ピンはマイコンから操作できなくなります。そのため、これらのピンに加える電圧（0Vもしくは3.3V）を基板上で設定できるよう、これらのピンにはDIPスイッチやジャンパーも接続しています。また、V4220MからMCLKを受け取ったり、逆にMCLKを送り込むためのジャンパーも用意しておきました。

基板レイアウト

今回の基板はノイズ対策のため、下記のような方針で設計しました。

4層基板を使い、内側の2層は全面をGNDとすることで（いわゆるベタGND）、デジタル部分の回路で発生するノイズの伝搬を抑える

デジタル回路とアナログ回路を基板上で混在させず、できるだけ同じブロックにまとめる

基板サイズは50mm四方以下に抑える

4層基板というと高価なイメージがありますが、最近では4層基板も安価に製造できるようになっています。ただ、JLCPCBで製造する場合、50mm×50mmを超えるサイズになると一気に製造費用が上昇します（それでも一昔前に比べれば安いですが）。そのため、基板サイズは50mm四方以下にするという方針で設計を行いました。実際にCAD上で部品を配置したパターンはこのような感じになります（最初期バージョンなので、一部回路図とは異なる部分があります）。

基板の上側にはアナログ回路、下側にはマイコンを含むデジタル回路を実装しています。また、何らかのトラブルでマイコンやV4220Mを破損させてしまっても交換しやすいよう、両者ともにピンヘッダ経由で接続することを想定しています（V4220Mについては直接基板上にはんだ付けできるよう表面実装のパターンも用意しています）。ただ、XIAO ESP32S3-PLUSの入出力端子をフルに活用しようとした場合、マイコン基板の縁にはんだ付けを行う必要がありるのですが、片側は1.27mmピッチの端子が13個、その反対側は1.27mmピッチの端子7個と2.54mmピッチの端子3個という変則的な構成のため、基板側も2.54mmピッチのピンヘッダと1.27mmピッチのピンヘッダを併用する構成としました。そのため、はんだ付けがかなり面倒なことになっています。

バイアス電圧生成部分（C1とC29）には電解コンデンサを使用しています。C29は一般的な円筒形の電解コンデンサですが、C1はスペースがギリギリだったので長方形型の表面実装電解コンデンサを採用しました。

また、アナログ信号の入力段と出力段のローパスフィルタ部分にはフィルムコンデンサを使用しています。今回使用する容量のコンデンサはあまり入手性が良くないのでスルーホール部品で実装していますが、コンデンサ自体のサイズ（特に高さ）が大きめなので、表面実装品を使ったほうが良かったかもしれません。これら以外のコンデンサはすべて積層セラミックコンデンサです。

基板実装の発注

今回の基板は表面実装部品を多用しているため、JLCPCBに基板製造とともに表面実装部品の実装も発注しました。安価に済ませるため、基本的に使用する部品は追加料金がかからない一般的なものを選択していますが、オペアンプのTLV2365だけは追加料金（約3ドル）を支払って実装しています。

完成した基板

届いた基板に、追加で必要な部品を手元で実装したものが最初に紹介した写真です。V4220Mは直接はんだ付けするのではなく、秋月電子のDIP変換基板を使ってピンヘッダ経由で取り付けています。

I2Sで信号をやり取りするプログラム

この基板を使ってデジタル信号処理を行うには、当然ながらESP32S3側でプログラムを作成する必要があります。こちらについて詳しくは別途紹介する予定なので、ここでは設定すべきことに絞って簡単に紹介します。

プログラムは下記のような流れになります。

GPIOポートの初期化

V4220Mの初期化

I2Sの初期化と設定

I2Sでのデータやり取りと信号処理

ポートの初期化

今回はV4220Mをマスター、ESP32S3をスレーブとして動作させます。この場合、ESP32S3側でI2Sで使用するピンのうちDOUTを出力用に、DIN、BCLK、WSを入力用に設定します。また、V4220Mはその電源投入時もしくはリセットからの復帰時にDOUT端子（つまりESP32S3のDIN端子）が47kΩでプルダウンされているとマスター、そうでない場合はスレーブとして動作します。ESP32S3の各GPIO端子には45kΩのプルダウン抵抗が内蔵されているので、別途プルダウン抵抗を接続する必要はなく、プログラム側で内蔵プルダウン抵抗の有効/無効を切り替えてV4220MをリセットするだけでV4220Mをマスターとして動作させることができます（後述）。

これに加えて、V4220MのRSTN、DIF0、DIF1、DEM0、DEM1に接続されている端子は出力に設定します。

V4220Mの初期化

V4220MのRSTN端子に接続されているGPIO端子の値0に設定すると、V4220Mはリセット状態になって動作を停止します。この状態でDIF0、DIF1、DEM0、DEM1端子に接続されているGPIO端子を希望する値（今回はDIF0とDIF1を0、DEM0とDEM1を1）に設定し、その後にRSTN端子に接続されているGPIO端子の値を1に設定することで、V4220Mが再起動されて指定した値が反映されます。

ちなみに、V4220MのRSTN端子が0になってからリセット状態になるまでは10ミリ秒、1になってからリスタートまでは50ミリ秒かかるそうなので、RSTN端子に接続しているGPIO端子の値を変えたあとはその時間以上待機する必要があります。

I2Sの初期化と設定

I2Sにはさまざまな方言（？）があり、デバイスによって微妙にフォーマットが異なるようです。ESP32のI2S機能はさまざまなデバイスに対応できるようになっているため、設定がやや複雑です。V4220Mも複数のフォーマットに対応しており、DIF0/DIF1ピンでどのフォーマットを使用するか選択できるのですが、今回は最もスタンダードとされる「DIF0＝0、DIF1＝0」（Philipsフォーマット）を使用します。これに対応する設定は以下のようになります。

サンプリング周波数：48,000（48kHz）

ESP32S3側マスタークロックの生成源（SCLK）：PLL240M

マスタークロックの倍率：サンプリング周波数の512倍

BCLKの周波数：マスタークロックの8分の1（サンプリング周波数の32倍）

data_bit_width（データビット幅）：32ビット

slot_bit_width（スロットビット幅）：32ビット

スロットモード：ステレオ

使用するスロット：左と右両方

WSの幅：32ビット

ビットシフト：あり

データの格納方法：左詰め

データの格納エンディアン：リトルエンディアン

ビットの格納方法：高位ビットが先

ESP32シリーズでI2Sを使うに当たっては、個人的にはこのパラメータ設定が一番難しいと感じました（自分も紆余曲折を経てこの設定値に辿り着きました）。それぞれの値は次のようにして決定しています。

サンプリング周波数

接続するデバイス（今回はV4220M）側のサンプリング周波数と同じ値を指定します。

ESP32S3側マスタークロックの生成源（SCLK）

ここでの「SCLK」はV4220MのSCLKではなく、ESP32S3内部のクロック源（Source Clock）を意味しています。下記のいずれかを選択できます。

ESP32S3に接続された（マイコンボード上に設置されている）40MHzの水晶振動子（XTAL）

上記の水晶振動子で生成したクロックを4分割して生成した160MHzクロック

上記の水晶振動子で生成したクロックを6分割して生成した240MHzクロック

外部クロック（ESP32S3外で生成してESP32S3のいずれかのピンに入力されたクロック）

デフォルトでは160MHzからマスタークロックを生成しますが、より高い周波数のクロック源を使ったほうがより正確なクロック生成が期待できるため、今回は240MHzのクロックソースであるPLL240Mを指定しています。ただ、今回はESP32S3とV4220Mとでマスタークロックを同期させていないため、この値を変更したとしても動作や音質への影響はないとは思います。

マスタークロックの倍率（mclk_multiple）

ESP32S3側で使用するI2Sのマスタークロック周波数を指定します。サンプリング周波数の128/192/256/384/512/576/768/1024/1152倍のいずれかで選択します。今回はV4220MとESP32S3とでマスタークロックを同期させていないため、このマスタークロック周波数をV4220Mのマスタークロック周波数（今回のハードウェア構成の場合ではサンプリング周波数の256倍）と一致させる必要はありません。

V4220Mをマスターとして動作させる場合、次のBCLKの周波数によって選択できる値が決まります。

BCLKの周波数（bclk_div）

BCLK（V4220M側で言うSCLK）の周波数を「マスタークロックのX分の1」（Xは整数）という形で指定します。Xは8以上である必要があります。逆に言うと、マスタークロックはBCLKの（8倍以上の）整数倍でなければならない、いうことです。

V4220Mをマスターとして動作させる場合、BCLKはサンプリング周波数の64倍（64Fs）になります。そのため、ここで選択できる値とマスタークロック倍率の関係は下記のいずれかになります。

bclk_div=8、mclk_multiple=512倍（64×8）、マスタークロック24.576MHz

bclk_div=9、mclk_multiple=576倍（64×9）、マスタークロック27.648MHz

bclk_div=12、mclk_multiple=768倍（64×12）、マスタークロック36.864MHz

bclk_div=16、mclk_multiple=1024倍（64×16）、マスタークロック49.152MHz

bclk_div=18、mclk_multiple=1152倍（64×18）、マスタークロック55.296MHz

マスタークロックはクロックソース（40MHzもしくは160MHz、240MHz）から生成する都合上、その周波数がクロックソース周波数の整数分の1になるのが最適です（たとえばクロックソース240MHzの場合120MHzや80MHz、60MHzなど）。しかし、サンプリング周波数が48kHzの場合どうやってもそれは無理なので、この場合はできるだけ小さい値にすることでクロック生成時の誤差を減らすことが期待できます。つまり、この場合はbclk_div=8、mclk_multiple=512倍が最適値となります（この場合、240MHzの10分の1＝24MHzと、9分の1＝26.666…Hzのクロックを49:15の割合で組み合わせることで疑似的に24.576MHzのマスタークロックを生成する形になる）。

data_bit_width（データビット幅）

入出力するデータのビット数を指定します。一般的には使用する量子化ビット数（V4220Mの場合24）を指定しますが、次のslot_bit_width以下の値であれば必ずしも量子化ビット数に一致させる必要はありません。

ただ、ESP32S3のI2S機能では、データビット幅として24ビットを指定した場合、1サンプル分のデータを8ビット型（int8_t）の変数3つ単位でやり取りすることになります。いっぽうで24ビットのデータを処理する場合は32ビット型（int32_t）の変数を使用するのが一般的なので、受け取った3つの8ビットデータを組み合わせてint32_t型の変数に格納する処理が追加で必要になります。

また、ESP32S3のI2S機能ではこの値を24に設定した場合、マスタークロック倍率の設定に制約が発生します。これらの問題を回避するため、今回はslot_bit_withと同じ32に設定しています。この設定の場合、I2Sでやり取りするデータは32ビット単位（int32_t）になりますが、受信したデータの下位8ビットには0が格納され、また送信したデータの下位8ビットは無視されます。

slot_bit_width（スロットビット幅）

「BCLK周波数（V4220MでいうSCLK）/（2 * サンプリング周波数）」を指定します。V4220Mをマスターとして動作させる場合、BCLK（SCLK）はサンプリング周波数の64倍（64Fs）なので、その半分の32を指定します。（64*Fs/(2*Fs) = 32）。

スロットモード

今回は2チャンネル（ステレオ）で入出力を行うのでステレオに指定します。

使用するスロット

ステレオ入出力なので左と右両方を使用するよう指定します。

WSの幅

slot_bit_widthと同じ値を指定します。

ビットシフト

PhilipsフォーマットではWS（LRCK）の値が変わってから1クロック後にデータの最初のビットが送信されます。この1クロックの遅延がビットシフトです（つまりビットシフトあり）

データの格納方法

ビットシフト後、すぐにデータ送信を行うので「左詰め」を指定します。

データの格納エンディアン

I2Sではビッグエンディアン（最上位バイトが左側に送信）でデータのやり取りを行いますが、ESP32は内部的にリトルエンディアンでデータを処理します。そのため、ここではリトルエンディアンを指定してエンディアンを自動変換してもらいます。

ビットの格納方法

Philipsフォーマットでは高位ビットを先に送信します。

これら以外の設定でも動作する可能性はありますので、もし細かく挙動をチューニングしたい場合は試行錯誤してみると良いかもしれません。

I2Sでのデータ送受信

ESP32S3のI2S機能では、プログラム側で用意したバッファを介してデータのやり取りを行います。データの送受信はリアルタイムで行われるわけではなく、あらかじめ指定した単位（＝バッファサイズ単位）でまとめて行われます。また、今回の設定では1サンプル当たり8バイト（1チャンネル当たり32ビット＝4バイト、ステレオなのでその2倍）のバッファが必要になります。つまり、たとえばバッファサイズを3840バイトに設定した場合、480サンプル（＝3840/8）分のデータをまとめて入出力する形になります。サンプリング周波数が48kHzの場合、480サンプルは10ミリ秒分のデータに相当するので、入力されたデータを読み取って処理して出力するまでに、最低でも10ミリ秒の時間が必要になります。バッファサイズを小さくすればこの遅延時間は短くできますが、その分エフェクト処理に掛けられる時間は短くなる点には注意が必要です。

また、入出力バッファには右チャネルと左チャネルのデータを交互に格納します。そのため、畳み込み処理など時間軸に対して連続した処理を行う場合は、インデックス指定の際に注意が必要です。

次回に続く

最近コンパクトエフェクター用のパワーサプライを自作しようと試行錯誤しているのですが、コンパクトエフェクター用パワーサプライにおいてはノイズの少なさが求められます。特に古い設計のエフェクターは電源ノイズを拾いやすく、そういったエフェクターとノイズの多いパワーサプライを組み合わせると、出音にがっつりとノイズが乗ることがあります。

ということで、まずは手元にあるパワーサプライについてどの程度のノイズが含まれているかを測定してみました。

パワーサプライのノイズ測定については、「可燃ごみ箱」さんが簡単な回路とオーディオインターフェイスを組み合わせた方法を紹介していましたので（下記の記事）、こちらを参考にオーディオインターフェイスを使って測定を行いました。

ただし、使用機材などが異なるほか、入力信号は48kHz/16ビットでデジタル化しています。そのため、結果をほかの方の測定結果とそのまま比較することはできず、あくまで手元で測定したもの同士での比較のみになる点にはご留意ください。また、測定回路は下記のものを使用しています。直流負荷は100Ωなので、9Vのパワーサプライの場合およそ90mAの電流を流すことになります。

回路はブレッドボード上で組み立てており、測定時にはこれをアルミフレームケースに入れて、さらにその上にアルミ箔を貼った厚紙を蓋としてかぶせることで、外来ノイズの影響をなるべく受けないようにします。このアルミフレームケースはエフェクターの試作向けにフォーンジャックとDCジャックが取り付けられており、シールドのためにフォーンジャックのスリーブとケースを導通させています。

オーディオインターフェイスにはZOOMのH5を使用しています。こちらのLINE/MIC入力と測定回路を短めのパッチケーブルで接続し、ゲインの目盛りは「6」に設定しました（ゲインを最大にした場合、入力が大きすぎてクリップするようなときがあったため）。

PCにはH5用のASIOドライバをインストールしており、このドライバ経由でオーディオを取り込みます。ノイズはMaxという信号処理ソフトウェアで作成した、周波数ごとのレベル（パワースペクル）を表示するパッチ（プログラム）で測定します（詳しくは後述）。

測定結果

まずはDCジャックに何も接続せず、DCジャックのプラス側とマイナス側をショートした状態でのパワースペクトルを測定してみました。こちらが今回の測定環境における測定限界ということになります。50Hzあたりにピークがありますが、これは周辺の家庭用電源に起因するノイズだと思われます。

続いて、一般的にコンパクトエフェクターでよく使われる006P乾電池（いわゆる9V乾電池）のノイズを測定してみました。使用したのはDURACELLの「PROCELL 9V」です。

乾電池はほぼノイズゼロ、というイメージがありましたが、今回の測定ではノイズレベルはすべての周波数で一定というわけではなく、低めの周波数のノイズが最も大きく、高い周波数のノイズは少ない、という結果になりました。

次に、前回記事（能動負荷でパワーサプライの電圧と電流を測る）で使用したパワーサプライ3種類について測定してみました。まずはFREE THE TONEのFA-9ですが、低い周波数帯から高い周波数帯まで、ほぼフラットに一定のノイズが出ていることが分かります。100Hz周辺以下では006P乾電池よりもノイズは少ないですが、それよりも高い周波数のノイズは006P乾電池よりも大きめという感じです。

CAJのPB10.8DC9-2.1については、006P乾電池電池やFA-9よりも明確にノイズが多いようで、特に2～3kHz、12kHz、20kHzあたりの3か所にピークがあるのが目立ちます。商品説明によると特殊フィルター回路を搭載しているとのことで、それによってこのように一部の周波数で強くノイズが出ているのかもしれません。

GODLYKEのPOWER-ALL PA.9については、全体的にはフラットなスペクトルなのですが、100Hzあたりにピークがあります。これはギターやベースなどの信号と被る周波数帯のため、ノイズ対策がされていない機器で使用すると問題になりそうです。

最後に、秋月電子通商で購入した600円の9V/0.65AのACアダプターも測定してみました。こちらは汎用のACアダプタで、特にオーディオ機器での使用を意図したものではありません。また、極性もコンパクトエフェクターで一般的な「センターマイナス」ではなく「センタープラス」ですが、プラグを改造して極性を逆にしています。

こちらの測定結果は、予想通り全周波数帯で大きめのノイズが確認できます。実際、こちらのACアダプターをBOSSのDS-1に接続して使用すると、明らかに分かるレベルで「サー」という感じのノイズが聴こえます。コンパクトエフェクターでの使用にはあまり向かないですね。

測定における注意点

こういった測定は周辺の電磁波の影響をかなり受けるようで、最初にシールドケースに入れずに測定を行った際には50Hz近辺に多大なノイズが現れてしまいました。もちろん周囲の環境にもよるかとは思いますが、電磁波ノイズ対策はちゃんとやったほうがよさそうです。また、当初は普段PCに接続しているFocusriteの2i2（初代）というオーディオインターフェイスを使用していたのですが、こちらはパワードスピーカーを接続しているためか、入力ゲインを上げるとどうやっても50Hzあたりにノイズのピークが出る状態でした。そのため最終的には別途H5をPCに接続して使用したのですが、測定の際には関係ない機器はできるだけ接続しないほうがよいのかもしれません。

測定に使用したMaxパッチの解説

測定に使用したMaxパッチは以下のようなものです。入力した信号をサンプリング点数8192でFFTし、その結果の実数部と虚数部をサンプリング点数で割って正規化したうえで二乗和してパワースペクトルに変換し、それを[vectral~]で平滑化したうえで[plot]でプロットしています（右上部分はテスト用なので本来は不要です）。

パッチはここからダウンロードできます（[fft~]や[vectral~]のヘルプにあるサンプルほぼそのままです）。

ADCのサンプリング周波数は48kHzなので、FFTのサンプリング周波数（＝周波数領域での分解能）とサンプリング間隔はおよそ5.86Hz、0.17秒になります。また、[vectral~]での平滑化パラメータには「slide 5 5」を与えています。ドキュメントの記述が分かりにくいのですが、[slide]オブジェクトのヘルプを見る限りこれは各サンプルの前後それぞれ5サンプルの平均を結果として出力するようなので、およそ1.7秒間の平均値がプロットされることになると思われます。

なお、[plot]については、インスペクタでは限られた項目しか設定できず、描画する範囲やX軸/Y軸の目盛り、グリッド表示、グラフの色などはすべてメッセージを送信して設定しなければなりません。[vectral~]のヘルプにはちょうど良い感じに設定された[plot]があるので、次のようにしてこれをベースに設定を行うと楽です（また、上記のパッチは入力信号のサンプリング周波数が48kHzであるという前提で作成しているので、もしサンプリング周波数がこれ以外の場合は[plot]の横軸を調整する必要があります）。

[vectral~]のヘルプを開き、ロックを解除して[plot]（画面下のグラフ）を選択してコピーする

自分のパッチにコピーした[plot]をペーストする

ペーストした[plot]の左インレットに「edit」メッセージを送信する

「Dictionary Editor」でJSONフォーマットで記述された設定テキストが表示されるので、これを全文選択してコピーしたうえでウィンドウを閉じる

パッチに[dict plot_conf]を追加し、Ctrlキーを押しながらダブルクリックする（「plot_conf」はディクショナリ名なので適当な別の名前でも構わない）

空のデータが入ったDictionary Editorが表示されるので、先ほどコピーした設定テキストをここにペーストする（ここで"data"プロパティは削除しておくほうがよいが、おそらく削除しなくても動作するはず）

必要に応じて設定内容を修正する

Dictionary Editorを閉じる

[plot」の左インレットに「dictionary plot_conf」メッセージを送信すると設定が反映される

また、これとは別に[plot]のインスペクタの「Audio」項目内にある「Audio Sample Frame Size」にはFETのサンプリング点数と同じ数（今回は8192）を、「General」項目内にある「Number of Points」にはサンプリング点数の2分の1（今回は4096）を指定しておく必要があります。

一般的なエフェクター用パワーサプライは接続する機器によらず一定の電圧（おおむね9V前後）を出力するように設計されています。そして、電流は抵抗と電圧によって決まるので、接続する機器の抵抗が小さければ大きな、大きければ小さな電流が出力されます。そして、一般的には電流を多く流すほどパワーサプライに負荷がかかり、それによって出力電圧が低下する可能性が考えられます。そこで、パワーサプライに抵抗値の小さい抵抗器を接続し、その際に流れる電流と電圧の関係を調べてみました。

能動負荷の作成

今回は負荷として50W5Ωのメタルクラッド抵抗を使用しました。この抵抗器に9Vの電圧をかけると、9V÷5Ω＝1.8Aの電流が流れます（この場合の電力消費は9×1.8=16.2W）。ただ、これだとさすがにちょっと電流が大きいので、いくつか部品を追加して流れる電流を調整できるようにします。

すぐに思いつく簡単な手段としては、直列に可変抵抗器を繋ぐ方法があります。しかし、抵抗値が小さく、かつ大電流を流せる可変抵抗器は入手が困難です。そこでトランジスタを使って電流制御をおこなう、いわゆる能動負荷と呼ばれる回路を追加しました。全体の回路は次のようになります。

ここでは5Ωの抵抗器（R1）にNPNトランジスタ（Q1）と10kΩの可変抵抗（R2/R3）、1kΩの抵抗（R5）を追加しています。可変抵抗の抵抗値を変えることでトランジスタのベースに流れる電流が変わり、それによってトランジスタを通過してR1に流れる電流が変わるという仕組みです。

この回路では、コレクタ－エミッタ間抵抗が0と仮定した場合、コレクタ－エミッタ間に流れる電流は1.8Aとなります（厳密には0になることはないのですが、計算がやや面倒なので簡略化しています）。そのため、定格としてこれ以上の電流を流せるトランジスタを選定する必要があります。今回はコレクタ電流の定格が3Aの2SC3422を使用しました。

実際の配線は次のようになります。

トランジスタのベースに流す電流が増加すると、この負荷回路全体に流れる電流は指数関数的に大きくなっていきます。そのため、可変抵抗器はAカーブのものを使い、可変抵抗器の1-2番端子を電流制御に使っています。そのため、可変抵抗器を時計回りに回しきった状態で流れる電流がもっとも小さくなり（＝能動負荷としての抵抗値が大きくなる）、反時計回りに回していくと電流が大きくなって（抵抗値が小さくなって）いきます。

この回路を、手元にあった適当なユニバーサル基板の切れ端と適当な可変抵抗器を使って実装したものが次の写真です。

トランジスタ部分では最大で数Wの電力消費があり相応に発熱するのでヒートシンクを付けています。基板と抵抗器は木ネジでかまぼこ板にねじ止めしています。

手元にあったパワーサプライの電圧と電流を調べる

この能動負荷を使って、手元にあったパワーサプライについて出力電流を変えていくと出力電圧がどうなるかを調べてみました。なお、電圧・電流の測定には以前作った電圧・電流メーターを使っています。表示されている数値は配線等の影響で若干不正確な値になっている可能性がある点はご容赦ください。

FREE THE TONE FA-9

まずは自分がずっと愛用しているFREE THE TONEの小型パワーサプライです。iPhoneの充電アダプタくらいのサイズながら定格で0.5Aまでの出力が可能で、出力電圧も9Vより若干高めです。サイズが小さく、ケーブルも取り回しやすいためとても使いやすくノイズも少ないのですが、廃番になってしまっているようなのが残念です。

20mA出力時は9.3V。

定格の0.5Aを若干超えた0.51A出力時でも9.2Vと、高い電圧をキープできています。

CAJ PB10.8DC9-2.1

次は最近購入した、こちらも小型タイプのCAJのアダプタです。こちらは出力が1.2Aと多めの一方で、出力電圧は9.0Vです。

まず0.01Aの低負荷時ですが、8.8Vとやや低めです。

いっぽうで出力1.04A時でも電圧に変化はなく、余裕がありそうです。

定格を超えた1.3A時でも出力電圧は8.7Vと、ほぼ低負荷時と同じ電圧をキープしていました。

GODLYKE POWER-ALL PA.9

こちらは十年以上前に購入したもの。今となってはサイズが大きく感じられますが、安いのに定格2Aまで出力できるという有用なものでした。

0.02Aの低負荷時は9.1V。

この能動負荷で流せる最大値である1.42A時では8.8Vと、それなりに電圧が低下しました。

結論

回路としては上記のようなものです（発端となった回路はこれにもっと色々なものがくっついているのですが、簡略化のために最低限のものだけを接続しています）。

まず前提として、コンデンサは交流信号に対しては信号の周波数によって抵抗値が変わる抵抗器として働きます。たとえば次のような回路では、信号のレベルは下がりますが入力された正弦波がコンデンサを通過して出力（OUTPUT）に伝搬しています。

これはいわゆるRCハイパスフィルタと呼ばれる、特定の周波数以下が減衰する回路になります。

一方、ダイオードはアノードからカソードにのみ電流が流れ、その際に電圧が約0.7V下がる素子と言えます。そのため、次のような抵抗器とダイオードだけで構成した回路では、（直流成分で見ると）アノードがカソードよりも10V高いため、当然電流は流れます。

そして、この回路に対し、ダイオードと直列にコンデンサを追加した回路が冒頭の回路です。その結果、出力側には交流信号は伝搬せず、Vbias（バイアス電圧）のみが出力されます。

周波数特性を見ても、読み取れる限りでは信号周波数に関わらず信号はほぼ伝搬しなさそうです。

グルーガンというのは専用の樹脂をセットして引き金を引くと、溶けた樹脂が先端から出てきてそれを使って接着ができるというものです。ホットボンドやホットメルト、ホットボンダーなどとも呼ばれるようです。

さて、自分は今までgoot（太陽電機産業）のホットボンド（HB-45、上記写真左）を使っていたのですが、最近はダイソーでもグルーガンが販売されています。本体は200円（税込み220円）ですが、グルースティックは20本で100円という安価なお値段で販売されており、グルースティックの色も豊富です。さらにダイソーは色々なところにあるので入手性も良いので、こちらのグルースティックをgootのホットボンドにセットして使ってみたのですが、どうにも溶けた樹脂の出が悪い。トリガーを頑張って引いたり、無理やり押し込んでみたりと色々試してみたのですが改善しないため壊れたのかとも思ったのですが、よくよく調べたところ、gootのグルースティックとダイソーで販売されているグルースティックは微妙に径（太さ）が異なるのが原因のようでした。

スペックを見ると、gootのグルースティックのサイズは直径が約7mmなのですが、ダイソーのグルースティックの直径は7.5mm。つまりダイソーのほうが0.5mmほど太いのです。0.5mmの差なのでダイソーのグルースティックをgootのホットボンドにセットすることは問題なくできるのですが、押し出し口の部分が直径7mm用に作られているためそこで詰まって溶けた樹脂の出が悪くなっていたようです。

ということで、結局ダイソーのグルーガンを購入して使うことにしました。ちなみにgootのHB-45はだいたい1,500円（税込）程度で販売されているため、ダイソーのグルーガンはその7分の1以下のお値段です。AC100Vのコンセントに直接挿して使うものなのでやや不安がありますが、HB-45もかなり簡素な作りだったのでまあ普通に使う分には問題ないのではないかと割り切っています。ただ、電源ケーブルの長さが60cmとかなり短めなので、必要に応じて卓上に電源タップは必要ですね。

前の記事でも書きましたが、JLCCNCという小ロットでの板金加工を受け付けてくれるサービスがあります。このサービスでは指定したサイズに板をカットしたり、カットした板に穴を開けたり、曲げ加工をしたり、といったことができます。さらに、加工した板の表面処理や塗装も依頼できます。

加工についての資料を見ると、塗装はパウダーコート、つまり粉体塗装と、色付きの陽極酸化処理、いわゆるカラーアルマイトが可能だそうで、さらに塗装後にシルクスクリーン印刷やレーザーマーキングなどを行うこともできるそうです。

カラーアルマイトでエフェクターの表面パネルを作る

さて、こちらも以前紹介した話題なのですが、自分は小ロットで小型のエフェクターを作る際に、カラーアルマイト版を使ってパネルを作っています。

これは、Amazon.co.jpで販売されている50mm×100mmサイズのカラーアルマイト板に自分で穴を開けて、そのうえでレーザー加工で文字をマーキングしています。自分が使用しているレーザー加工機は金属加工には向かないダイオードレーザーを使用するものなのですが、それでもカラーアルマイトに対しては簡単にレーザーマーキングが可能です。

今回はこれを応用して、アルミ板の穴開けとカラーアルマイト加工をJLCCNCに発注し、レーザーマーキングについては自前でやることで、柔軟なパネル製作を目指してみました。

3D CADデータの制作と発注

JLCCNCでは3D CADのデータファイルとして加工の詳細を指定するので、先に紹介したブリッジの場合と同じようにFreeCADで3Dデータを作成しました。板厚は0.5mm、サイズは50mm×100mmです。

3Dデータの作成方法はドキュメント化してGitHubで公開していますので、興味のある方はこちらもご参照ください。

アルマイトの色については8色×ツヤあり/なしの計16種類から選択できます。ただ、以前のパネル製作で使用したようなゴールドや濃い青は今のところありません。ということで、今回は「Champagne Matte」（シャンパン色、ツヤなし）で依頼しました。

これを5枚発注したところ、合計の料金は9.26ドルでした。今回はこれに加えてベースのブリッジとプリント基板3種合計20枚を発注して、送料はまとめて8.76ドルでした。ちなみにAmazon.co.jpで販売されている陽極酸化アルミ板プレート（100mm×50mm×0.5mm）は4枚で799円、10枚で1,699円でした。それよりは若干お高いのですが、手作業で穴あけをする手間を考えるととてもリーズナブルです。

ちょっとしたトラブル

発注してから一週間後に、JLCCNCから「This 0.5 mm sheet needs to be anodized. It's too thin for bead blasting, as that would lead to the deformation. We'll do direct anodization instead. Please confirm if this is okay.」（この0.5mm板のアルマイト加工が依頼されているが、これは薄すぎてビーズブラスト研磨をすると変形してしまう可能性がある。そのため直接アルマイト加工をしようと思う。これで問題ないか確認してくれ）というメッセージが次の写真とともに届きました。

正直加工スペックに書いておいてくれよ～と思いましたが、さすがに研磨で曲がるのは困るのでそのままOKと返事をして加工を進めてもらいました。

届いたもの

こちらのメッセージに返事をした翌日に発送の連絡があり、その3日後に手元に届いたものがこちら。

色については思っていたよりも薄かったのですが、まあシャンパン色ってこんなもんだよねという感じ。ちょっと予想外だったのが、片面は傷などがないきれいな状態だったのですが（写真右側）、片面は傷などが残ったままの状態（写真左側）だったこと。片面だけ別の手段で研磨したのか、それとももともと傷のない板で加工中にも傷が付かなかったのかは分かりませんが、きれいなほうを表面として使えばまったく問題ない感じのクオリティでした。ただ、中央の一番上の穴の周りに軽いへこみのようなものがあったのが気になりました。この部分はナットで隠れるのでこちらも問題はないのですが、隠れない場所でこういう傷があるとちょっとつらいですね。

そしてこちらを手元のレーザー加工機でレーザーマーキングしたものがこちら。

この写真だと十分文字が読めるレベルになっていますが、光の加減によってはやはり視認性は良くないです。レーザー加工で文字を入れるのであれば、やはり濃い色のアルマイト加工を選んだほうがよさそうです。

NJW4191は入力電圧をほぼ反転した電圧を出力するチャージポンプICで、4.7～17Vという比較的広い範囲の電圧に対応し、かつ外付け部品も少ない使いやすいICです。たとえばエフェクター向けに9V電源から±9Vの電圧を用意する、といった要素で利用できます。ほかにも似たようなICは複数あるのですが、対応電圧の範囲が広い点と、内部的に150kHzという高い周波数で電圧制御を行うため可聴域ノイズが出にくいという点で本ICは優れています。

一般的なチャージポンプIC（たとえば7660互換IC）では、電源入力端子やGND端子、出力端子、コンデンサ接続端子などが用意されているのですが、NJW4191では出力のON/OFFを切り替えるはON/OFF端子というものが用意されています。

（NJW4191データシートより引用。6番ピンがON/OFF端子）

この端子に1.7V以上の電圧をかけると出力がONになり、それ以下の電圧、もしくはこの端子に何も接続されていない状態だと出力はOFFになるというものです。そのため、通常はこの端子に電圧がかかるよう配線する必要があるのですが、見落としがちなこととして、この端子の定格電圧は最大6Vという点があります。つまり、単純にこの端子を電源入力端子に接続すると問題が起こる可能性があるということです。

（NJW4191データシートより引用。V_ON/OFFの定格は-0.3～+6V）

さて、ではこの定格電圧を超えた、6V以上の電圧をこのON/OFFに与えるとどうなるのでしょうか。手元で確認したところ、6Vを超えた場合でもある程度は通常の動作を行い、およそ9.6Vを超えたところで急激に大量の電流を吸い込むとともに高温で発熱するようになりました。おそらくダイオードを使った保護回路的なものが内蔵されており、その上限を超えた時点で急激に電流が流れたものと思われます。

NJW4191にはサーマルシャットダウン機能が組み込まれており、素子が高温になった場合に動作が止まるようになっているため、発熱と同時に出力は停止されます。ただ、今回のようにON/OFF端子に高い電圧を加えた場合では発熱はそのまま継続し、結果として熱による破損に繋がる可能性があります。

エフェクター制作では、いわゆるMXRサイズ（Bサイズ、約60×110×30mmサイズ）のアルミダイキャストケースがよく使われます。日本国内ではタカチのTD6-11-3という型番のものがこのサイズに相当するアルミダイキャストケースです。ただ、タカチのこのサイズのケースはほかのサイズと比べて相対的にお値段が高めになっており、現在（2026年1月時点）での標準価格は無塗装のもので1,660円、ブラック塗装のもの（TD6-11-3B）は2,270円。一回り大きいTD9-12-4（無塗装で1,270円）よりもなぜか高い価格設定です（いずれも税別）。

塗装は良いのだけどちょっと高いよなあ……と思っていたところ、秋葉原のマルツで同等サイズのHAMMOND 1550Bのブラック塗装版（1550BBK）が売られていたので試しに購入。お値段は2142円（税込み）でタカチよりもちょっとだけお安い。

開封インプレッション

店頭ではシュリンク包装された状態で陳列されていたので分からなかったのですが、包装を開けてみると1550BBKは艶消しで若干表面がざらざらしている塗装で、タカチの塗装（表面が滑らかで若干のつやがある）とは違った感じです。塗装自体はちゃんとしているので、優劣というよりは仕上げの違いという感じですね。

サイズ感としてはどちらもほぼ同じですが、HAMMONDのほうは若干肉厚が薄めです。特に側面が薄い感じがありますが、逆に穴あけ等の加工はしやすいかもしれません。

また、ふた（というか底面）もちょっとだけ薄めの気がします。

入手性の面では国内メーカーのタカチのほうが圧倒的に良いのですが、HAMMONDも価格と品質の面では悪くなさそうです。

ジャズベースやプレシジョンベースなどのFender系4弦ベースではFender純正のものと互換性のあるブリッジが多く出回っており、ベース本体に新たに穴を開けるといった加工なしにブリッジを交換できることが多いです。一方で5弦ベースにおいては業界標準的なポジションのブリッジが存在しません。そのためブリッジを交換しようと思っても、本体の加工なしに交換できる選択肢が少ない状況でした。

たとえば自分の手元にある5弦ベースはWarmothに発注して作ったものですが（以前の記事）、これは「BADASS V」というブリッジ用に穴を開けてもらっています。しかし、このブリッジ用に開けた穴に適合するブリッジはBADASS V（およびそのクローン品の「OMEGA BASS」や「KICKASS BASS」しか存在せず、GOTOHやFenderなどのブリッジをそのまま組み込むことはできません。

BADASSやそのクローン品はそれはそれで良いブリッジなのですが、本体が亜鉛ダイキャスト製でかなり重いです。一般的には重くて硬いブリッジのほうが振動がボディによく伝わるなどと言われていますが、ブリッジ自体が重いと低音域の振動が吸われ、アタックが鈍くなるのではないかとの疑念が個人的にありました。たとえば除夜の鐘は叩いてから少し遅れて低音が響くような鳴り方をしますが、同じようなことがベースでも発生しているのではないか、という疑念です。そのため軽量でシンプルな、クラシカルなブリッジを探していたのですがなかなか見つかりません。

そんな折、JLCCNCというサービスが小ロットでの板金加工を受け付けているということを知りました。クラシカルなブリッジは金属板に穴を開けて折り曲げただけのシンプルな構造で板金加工にうってつけです。ということで、ベース用ブリッジを設計して発注してみました。

3Dモデルの作成

JLCCNCでは加工する形状を3Dモデルとして作成し、そのファイルをおオンラインでアップロードして素材や加工方法などを指示するだけで発注できるサービスです。中国の深セン（香港近くの工業エリア）に拠点があるため発送に多少の時間はかかりますが、小物であれば送料も安く、また工賃もお安いです。3Dモデルの作成は3D CADなどと呼ばれる専門のソフトウェアで行う必要があり、そこに若干のハードルの高さがあるのですがが、幸いなことに「FreeCAD」という無料で使え、かつ高機能な3D CADソフトウェアで板金加工用の3Dモデルを作成できるということで、意を決してFreeCADを軽く学んでモデルを作成してみました。幸い、ネット上にはFreeCADに関する日本語の資料もあるため、そんなに苦労せずに使い方を習得できました（ただし、筆者はCADや機械加工の知識があり、かつIllsutratorなどのデザイン系ソフトウェアの知識もあったためすんなりと学べたという背景もあります。一から学ぶとチンプンカンプンかもしれません……）。

ということで、3Dモデルの作成工程に関しては「FreeCADでベースブリッジを設計する」と題した記事としてまとめておきました。FreeCADでの板金加工に興味のある方、ブリッジ製作に興味のある方はこちらを読んでいただけると参考になるかもしれません。

寸法とJLCCNCの板金加工スペック

クラシックなベースのブリッジ本体は単なる折り曲げた板で、そこにブリッジをベース本体に固定するためのネジ穴や弦を通す穴、サドルを固定する穴が開けられています。サドルについてはサウンドハウスなどで単体購入できるため、今回は既製品を使用する想定にしました。

まずベース本体に固定するための穴ですが、こちらはBADASS Vブリッジと互換性を持たせるため、BADASS Vブリッジのネジ穴と同じ18.4mm間隔にしました。ネジ穴のサイズもBADASS Vと同じ4.3mmで、皿穴加工にします。ベースプレートのサイズは100mm×38mmです。100mmというのはBADASS Vと同じサイズで、38mmというのはサドルを一番前に動かした際にちょっとだけ余裕があるサイズということでこの値に決めました。

弦を通す穴の間隔は19mmで、サドルを固定する穴の間隔も同じく19mmにしました。ブリッジによっては右半分と左半分でサドル固定ネジの位置が異なるものもあるのですが、今回はすべて同じ向き、つまりベースのネックを上に向けた状態でベースの表の面から見たとき、弦の右側にサドル固定ネジが配置されるような向きでそれぞれの穴を開けるようにします。

今回悩んだのは、弦を通す穴とサドル固定ネジの穴の間隔です。おそらく使用するブリッジによって弦と固定ネジとの距離は多かれ少なかれ変わるため、今回は手元にあったFenderの5弦ベース用サドルの実測値から5mmに設定しました。ただ、もしかしたら世の中の一般的なサドルの場合は4mmのほうが適切かもしれません。

また、弦を通す穴はブリッジの台座部分までも一緒にくり抜くような形状にしています。これは、弦の端をなるべくブリッジの下側（ベース本体側）で固定できるようにするためです。また、これによって弦を裏通しにすることもできそうです（ただし、BADASS Vで裏通し設定の場合、ベース本体側の弦を通す穴はブリッジよりも後ろ側になり、ベース本体の穴の表側の縁に弦が直接接触する形になるため、本体の穴にかかる負担が大きくなる可能性があります。また、太い弦を実際に裏通しできるかもまだ検証していないため、実際には裏通しはできないかもしれません……）。

また、板金加工のスペック（加工における制約）にも注意する必要があります。具体的なスペックは「Sheet Metal Fabrication Guidelines」にまとめられています。

たとえばJLCCNCでは、板の厚みは決まったものからしか選べません。手元にあったFenderのブリッジの厚みは2.2mmだったのですが、2.2mmという厚さは選択肢になかったため、今回は2mm厚の板を選択しました。また、曲げ加工の半径も決まっており、2mm厚の板の場合は3.7mmとなっています。これは曲げた部分の外側の半径で、ここから板厚を引いたもの（今回は2mmなので1.7mm）が内側の半径となります。さらに穴の曲げ部分からの距離にも制約があり、板厚2mmで丸穴の場合は穴の端から曲げ部分の端までの距離は4.7mm以上、角穴の場合は8mm以上とされています。そのほか、穴の端と別の穴の端の最小距離は1mm、穴の直径は板厚×0.5以上（板厚が2mm以下の場合は1mm以上）となっています。

上記の各種寸法はこれらを考慮したうえで決定しています。ただ、曲げ部分から弦を通す穴の端までの距離についてはこの制約を満たせていないため、注文の際に「穴の変形は許容する」という指示を入れて発注しています

なお、全体的な加工誤差は±0.2mmで、曲げ加工の誤差は±0.3mm、穴あけや切断加工の誤差は±0.1mmということで、ベース用ブリッジとして使用するに当たっては精度的には問題は無さそうです。

素材と表面加工

JLCCNCの板金加工では素材としてステンレス201、ステンレス304、冷延鋼板、ガルバリウム鋼板、アルミニウム5052が利用できるとのことですが、今回はステンレス304を選択しました。ブリッジの素材としてはブラスや鉄、亜鉛などにクロームメッキ加工を行ったものが一般的ですが、今回メッキは利用できないため、錆びず、一定の強度が期待でき、かつ割れにくいステンレス304を選択しています。塗装オプションはあるのですが、ステンレスは特に塗装せずにそのまま使えるというのも利点です。

発注する際の注意点と納期

JLCCNCでの板金加工は一日に受注する数を制限しているようで、時間帯によっては注文できず、「明日0時（中国時間）から注文受付を再開します」というメッセージが出ることがあります。中国時間の0時は日本時間でAM（深夜）1時なので、もし注文できなかった場合はこの時間帯にチャレンジしてみると良いかもしれません。

納期ですが、今回は発注してから4日ほどで作業は完了しました。発送手段としてはJLCPCBと同様にDHLやOCSが選択できます。また、JLCPCBの注文も一緒に発送することが可能です。実際今回はJLCPCBの基板3セットと、JLCCNCのブリッジ、アルミプレートをまとめて注文してまとめて発送してもらいました。ただし、塗装や表面処理が必要な加工はその分時間がかかるようです。実際、このブリッジは注文から5営業日ほどで完成したようですが、アルマイト処理を依頼したアルミプレートはそこからさらに3営業日ほどがかかりました。発送についてはOCSで3日ほど。結果として、注文から約2週間ほどで手元に届きました。

加工についての所見

穴開けについてはレーザー加工で行っているようで、精度は良く断面もきれいです。バリもありません。ただ、皿穴加工はCNC加工のようで穴の周りに軽く弧を描くような浅い傷がありました。それ以外にも浅い傷はいくつかあったため、見栄えを気にするなら塗装を依頼するか、届いた後に自前で研磨等の作業を行う必要がありそうです。また、曲げ部分に近い穴は変形を許容していましたが、見たところ大きな変形等はありませんでした。

組み込んでみる

少しの傷はありましたが、特に大きく目立つようなものはなく、またブリッジ自体そもそも傷が付きやすい部位ではあるため、今回は特に追加で研磨ややすり掛け等は行わず、そのままベースに組み込んでみました。本体固定のためのネジ穴に関しては設計通りジャストフィットです。

続いてサドルを取り付けてみます。今回使用しているFenderのブリッジは幅が18mmなので若干隙間がありますが、大きな問題はなさそうです。

最後に弦を張るとこんな感じに。

このあと弦高やオクターブチューニング調整をしましたが、いずれも問題なし。弦を張った状態でブリッジを動かしたらベースプレート部分に傷が付きましたが、まあそれは仕方がない感じではあります。

出音については多少低音のアタックが早くなったような気がしますが、気のせいかもしれません。サステインはやはり少し短くなった気がしますが、それは想定内ですしそこまでサステインを伸ばしっぱなしにすることもあまりないので実用上問題ないです。

一方で明確な長所はやはり重量的に軽くなったという点です。今まで使っていたOMEGA BASSはサドル込みで約310g。こちらはサドル込みでおよそ130g程度なので、およそ200g近く軽くなっています。その分ヘッド落ちがしやすくなっているかもしれませんが、少なくとも体に与える負荷は減っています。

ということで、しばらくこのセッティングで弾き込んでみたいと思います。

Xtoolのレーザー加工機用Air Assist Set。加工時にレーザーを当てている付近に風を送ってスス汚れを吹き飛ばすオプション機材。でもこれを使ってもやっぱり多少のススは付くのであった。

はんだごての替えこて先。適切なこて先を選ぶことでだいぶ作業性が向上することが分かりました。

XBOXコントローラ。10年使ったもの（左）から買い替え。アナログスティックはぼろぼろなのですがそれ以外は問題なく動いていたのはさすがMicrosoftハードウェア。アナログスティックだけ何とかすれば良かったのでは説もある。

DONNER HUSH-X。いわゆるトラベルギター。ヘッドレスでボディもこのサイズなのでだいぶコンパクトに持ち運べる。展示会での試奏用として使うためノーマル仕様ですが普段は弦を左右逆に張ってレフティ仕様として使っています。安いのにクオリティが高くて良い意味でびっくりしました。

マウス。logicoolのM705。これも10年以上使っていたのですがBluetooth接続に対応していないので新モデルでBluetooth対応のM650というマウス（左）に買い換えたわけですが、こちらは静音型をウリにしており、そのためかクリックの反応が悪くやっぱりダメだということでまた旧モデルを新しく買うという結果になりました。

グラフィックボード。Radeon RX 9060 XT。メモリが16GBあるとAIが動くらしい、という口実で買いましたが案の定ほとんどゲームにしか使っていません。AI頑張りたい。

らく抜きプラグアダプター。電源タップの口が堅くて抜き差しに難儀していたのですがこれをかましたら一発で問題解消。超おすすめです。

LenovoのAndroidタブレット、Yoga Tab（11.1インチ）。iPadからの乗り換えなんですがUIがほとんどiPadと変わらずよくできておりとても快適に使えています。画面の幅がiPadよりも狭いので漫画を見開きで読むときに全画面表示にしないとちょっと窮屈なのが唯一の不満点。

Ibanez SRMS805（レフティ仕様）。Ibanez公式サイトに載ってないレフティ仕様で1本限りだったので限定生産品かと思いきや海外サイトには普通に掲載されており国内でも普通に売ってよ……となったやつ。

CAJのエフェクター用電源アダプタ。昨今では珍しくきっちり9Vしか出さない保守的なやつでした。

この電圧・電流メーターは、コンパクトエフェクターで一般的な5.5mm/センターマイナスのコネクタを入力1系統、出力2系統備えており、入力側の出電圧と、出力側2系統の合計消費電力を表示するものです。分解能は電圧が0.1V単位、電流が0.01A（＝10mA）単位です。エフェクターボードに組み込んで常時測定できるようにするため、電流計をバイパスできるスイッチも付けています（電流計は測定対象と直列に接続する必要があるため、電源ノイズ等で出音への影響がある可能性を考慮しています）。

メーターは秋月電子で販売されている、DER EE社のデジタルパネルメーターを使用しています。

内部の配線は（ちょっとわかりにくいですが）次のようになっています。図の上側のジャック2つが出力、下のジャックが入力です。

測定レンジは電圧が0～100V、電流が0～10Aなので、エフェクターのような消費電力の少ない回路で使うにはややオーバースペックですが、テスターを使って測定した結果と比較した感じではおおむね正しい値が出て良そうです。

今回作成するBLE MIDIインターフェイスは、BLE MIDI経由で受け取ったMIDIメッセージを、一般的なMIDIコネクタ経由でMIDI機器（たとえばMIDI音源など）に出力するというデバイスです。

前回の記事ではArduino MIDI LibraryやArduino-BLE-MIDIコンポーネントを使ってBLE MIDI機器と接続するプログラムを作成しました。ただ、記事内で言及しているように、現状Arduino-BLE-MIDIでは最新バージョンのesp-nimble-cppライブラリを利用できず、そのためesp-nimble-cpp側の修正が必要でした。また、Arduino-BLE-MIDIは少ないコードを書くだけで簡単に使えるようになっている一方で、接続時の挙動などを細かくカスタマイズしようとするとやや大変です（ドキュメントがないためソースコードを読んで実装を確認したり、またそもそも実装的にカスタマイズができない部分もある）。

そのため、いったんはArduino-BLE-MIDIを諦め、独自にBLE MIDIデバイスと通信するコードを実装する方針で進めてみます。

BLE MIDIの仕様

BLE MIDIの仕様はMIDI AssociationのWebサイトからダウンロードできます。これによると、BLE MIDIデバイスとの接続に関しては一般的なBLEデバイスと同じです。また、MIDIデータを送受信する際にデータを一定の形式でパケット化することとされています。ポイントとしては下記のようになります。

BLE MIDIデバイスは「03B80E5A-EDE8-4B33-A751-6CE34EC4C700」というService IDを使用する（発見したデバイスがBLE MIDIデバイスかどうかは、そのデバイスが送信したService IDがこれに合致するかをチェックすることで判断できる）

BLE MIDIデバイスはMIDIデータの送受信に「7772E5DB-3868-4112-A1A9-F2669D106BF3」というCharacteristic IDを使用する（BLE MIDIデバイスはこのIDを指定してデータを送受信する）

BLE MIDIデバイスはコネクションインターバル（接続間隔）として15ミリ秒以下を要求する（つまり、データは最長でも15ミリ秒間隔でやり取りされる）

（これより短い間隔にすることは許容されるが、iOSではOSの仕様上15ミリ秒よりも短い間隔での通信ができないらしい）

セントラル（BLE MIDI機器に接続する側）はペリフェラル（BLE MIDI機器側）と接続完了後、ペリフェラルに対してread（データの読みだし）を実行する。ペリフェラレル側はこれに対して空のデータを送信するものとする

このread処理が実行されることで、接続完了と判断される模様。そのため機器によっては接続完了後一定期間readが行われないと接続が切断されるようだ

（前回記事で発生していた接続はできるもののその後勝手に切断される問題はおそらくこれが原因）

MIDIデータはタイムスタンプを含むパケットに格納されて送信される

BLEでは、セントラルがコネクションインターバルとして設定された時間間隔でペリフェラルにメッセージを送信する仕組みになっており、MIDIデータはそのタイミングでしか送受信できない

そのため、ペリフェラルは送信するメッセージをバッファし、まとめて送信することになる

たとえばコネクションインターバルが15ミリ秒の場合、一回のデータやり取りにおいて最低でも過去15ミリ秒の間で発生したMIDIメッセージがまとめて送受信される

これがまとめて処理されると、時間間隔的に「よれた」演奏になってしまうため、BLE MIDIでは送受信するパケットやMIDIメッセージにヘッダーを付与し、そこでタイムスタンプを指定することで、受け取ったMIDIメッセージを適切な間隔で処理できるようにしている

必要な実装とパケットのデコード

BLE MIDIの接続に関しては、一般的なBLEデバイスと同様に処理できるようです。そのため、今回はesp-nimble-cppに含まれるサンプルコード（examples/NimBLE_Server）を元にBLE MIDIデバイスと接続するコードを作成しました。BLE MIDIの仕様通り、接続確立後は一定間隔でread処理を行い、そこでMIDIデータを受け取るようにしています（main.cpp）。また、BLE MIDIではMIDIメッセージはreadリクエストでセントラルから読みだすだけでなく、notifyリクエストでペリフェラルからデータを送信することもできます。そのため、notifyリクエストに対しても適切にデータを受け取る処理を実装しています。

受け取ったデータは前述のようにタイムスタンプが含まれたデータになっているので、それをデコードする必要もあります。これは、ble_midi_packet.cppというファイルに分けて実装しています。ここで実装されているBLEMidiPacketというクラスに受信したBLEパケットを渡すと、パケットをデコードしてタイムスタンプとMIDIメッセージが含まれたBLEMidiMessageというクラスのオブジェクトに変換できます。BLEMidiPacketには生のMIDIデータが格納されているので、これをタイムスタンプにあわせて適切に処理すればよいはずです。

MIDIポートへの出力

MIDI機器で一般的に採用されている（有線の）MIDIポートは、受信した電気信号をLEDで光信号に変換してから再度電気信号に変換する、というやや複雑な構成になっているため、LEDを十分に駆動できる電流を流す必要があります。そのための回路についてもMIDI AssociationのWebサイトにドキュメントがあり、そこに参考回路も記載されています。この実装はUARTと呼ばれるシリアル通信を使用するもので、送信側は簡単なバッファと抵抗器のみが必要なシンプルな回路です。今回はこの回路をそのまま使用してMIDIインターフェイス回路を作成します。抵抗値についてはこの仕様書に電源電圧が5Vと3.3Vの場合の値がそれぞれが記載されているので、その値を使用します。バッファについては具体的な回路が記載されていないので、今回はシンプルに2N7000 MOSFETを使った下記の回路を使用しました。

なお、このバッファ回路ではMOSFETに入力された信号が反転されて出力されます。そのため、コード側で信号を反転させた状態でESP32から出力させることで、最終的に正しい信号が出力されるようにします。

ひとまずこの回路をブレッドボードにこんな感じで組み立てています。MIDI端子（DIN端子）は秋月電子で販売されている変換基板を介してブレッドボードに接続しています。

シリアル通信関連のコードを書く

ESP32では標準でUARTライブラリが用意されており、簡単にUARTを使ったシリアル通信を実装できます（ドキュメント）。ドキュメント通りにドライバのインストールと通信設定（毎秒31,250ビット、データ8ビット、パリティなし、ストップビット1）、出力の反転設定を行えば、あとはuart_write_bytes()関数でデータ送信が行えます（uart_midi.cpp）。

ちなみに、ESP32-S3は複数のシリアルポートが利用可能で、デフォルトのUART_NUM_0（いわゆるSerial0）は送信（TX）にD6（GPIO43）ポート、受信（RX）にD2（GPIO44）ポートを使用します。ただし、デフォルト設定ではデバッグログ（ESP_LOGDなどのマクロで出力されるログ）も一緒にこのポートに出力されるようになっています。デバッグログの出力先はidf.pyのmenuconfigコマンドで変更できますが、今回は直接sdkconfig.defaultsに設定を追加してデフォルトでデバッグログをUSBシリアルポートのみから出力するように設定しています（ドキュメント）。

ひとまずこれで動かしてみる

前述のとおり、BLE MIDIではパケットに含まれるタイムスタンプを使って適切なタイミングでMIDIメッセージを処理する必要があります。ただ、ひとまずタイムスタンプを無視して受信したMIDIメッセージをそのままUART経由で送信しても、（タイミングがずれるだけで）MIDIメッセージ自体は適切に送信されるはずです。ということで、ひとまずreadおよびnotifyで受信したメッセージを即座にMIDI端子経由で送信する、という実装にしてテストしてみました。BLE MIDIデバイスとしてはBOSSのワイヤレスMIDIエクスプレッションペダル「EV-1-WL」を使用し、USB-MIDIケーブル経由でPC上のAbleton Live 12（DAW）でMIDIを受信しています。

結果としては、ひとまず問題なくMIDIメッセージを受信でき、ペダル操作でDAWのパラメータを操作できるようになっていました。

BLE MIDIデバイスに関する考察

前回記事ではESP-IDF環境でもarduino-esp32コンポーネントを導入することでArduinoの標準ライブラリが利用できるという話をしました。今回はその続きとして、Arduino向けの追加ライブラリをESP-IDF環境で使ってみます。

Arduinoでは、ライブラリマネージャなどを使うことで標準ライブラリに含まれていないライブラリを利用できます。ArduinoでMIDIを扱う際にお馴染みのArduino MIDI Libraryも、こういった追加ライブラリの1つです。ESP-IDF環境においても、（やや設定や導入手順は複雑になりますが）こういったArduino向け追加ライブラリの多くが利用可能です。ただし、すべてのライブラリが利用できるわけではなく、実際に利用できるのはESP32環境（正確にはArduino ESP32環境）に対応しているもののみです。言い換えると、Arduino IDE上でESP32向けにビルドできるライブラリであれば、おおむねESP-IDF環境でも利用可能だと思われます。

ちなみに、ESP-IDFにもライブラリ管理のための仕組みがあり、「The ESP Component Registry」というサイトでコンポーネントが公開されているのですが、軽く検索した限りでは残念ながらArduino MIDI Library的なものは見つかりませんでした。ただ、以下で説明する手順でArduino MIDI Libraryなどを利用することはできました。

今回のゴール：ESP32-S3マイコンボードでBLE MIDIを取り扱う

ということで、今回はArduino MIDI LibraryなどのArduino向けライブラリを使って、ESP32-S3マイコンボード上でBLE MIDIデバイスと通信するプログラムを作成してみます。

まずは事前準備として、前回記事と同じ手順でmainディレクトリやconfig.defaultsファイル、CMakeLists.txtファイルの作成と、arduino-esp32コンポーネントへの依存性の追加を行います（つまり、前回記事の「ビルドの実行」の手前までの作業を同じ手順で行っておきます）。

使用する外部ライブラリ（コンポーネント）

今回は次の3つのコンポーネントを使用します。

Arduino-BLE-MIDI: BLE経由でMIDIをやり取りするためのライブラリ

Arduino MIDI Library: MIDIを取り扱うためのライブラリ。Arduino-BLE-MIDIと組み合わせて使用する

esp-nimble-cpp: BLEを利用するためのC++クラスライブラリ

Arduino-BLE-MIDIはBLE MIDIを扱うためのライブラリ、Arduino MIDI LibraryはMIDIを扱うためのライブラリということでどんなものか分かりやすいかと思いますが、esp-nimble-cppについては突然出てきて何者なの？　と思う方もいらっしゃるかもしれません。こちらについてはやや経緯が複雑なのですが、簡単にまとめると以下のようになります。

Arduinoには「ArduinoBLE」というC++で実装されたBLEライブラリが存在する

ESP32を採用するArduino向けではArduinoBLEではなく「ESP32 BLE for Arduino」というBLEライブラリが存在する

いっぽうでESP32デバイス上では、「NimBLE」という、よりコンパクトで性能が良いBLEライブラリが利用可能

NimBLEはCベースのライブラリなので、これを利用してC++で実装されたArduinoBLE ESP32 BLE for Arduinoと互換性のあるC++ライブラリが「NimBLE-Arduino」

NimBLE-ArduinoをESP-IDFで利用できるようにしたものが「esp-nimble-cpp」

Arduino-BLE-MIDIはArduinoBLEもしくはNimBLE-Arduinoと組わせて利用する（Arduino-BLE-MIDIはArduinoBLEもしくはNimBLE-Arduinoに依存している）

NimBLE-Arduinoとesp-nimble-cppは利用できる環境が異なるだけで、コードには互換性がある。そのため、ESP-IDF環境ではArduino-BLE-MIDIとesp-nimble-cppを組み合わせて利用できる（ただし現状は利用できるライブラリバージョンの関係で一部修正が必要、詳しくは次セクションで説明）

（追記@2025-08-12 ArduinoBLEとESP32 BLE for Arduinoを混同していたので修正）

Note: 使用するライブラリのバージョンについて

（これは本記事執筆時点での情報です。将来的にアップデート等で問題が解決している必要があります。）

esp-nimble-cppの本機時執筆時点での最新バージョンは2.3.1なのですが、Arduino-BLE-MIDIの現状の最新リリース版（Winter 2022 Release）はバージョン2以降のesp-nimble-cppには対応しておらず、バージョン1系の最新版であるesp-nimble-cpp v1.4.1を利用する必要があります。いっぽうで、esp-nimble-cpp v1.4.1はESP-IDFの最新版であるv5.4.2には未対応のようで、ESP-IDF v5系で利用するにはesp-nimble-cpp側のコードの修正も必要になります。本来はArduino-BLE-MIDIのほうを最新のesp-nimble-cppで利用できるように改善すべきなのでしょうが、ひとまず今回は検証用ということで古いバージョンであるesp-nimble-cpp v1.4.1を利用しています。

ESP-IDFにおける外部ライブラリ（コンポーネント）の導入

ESP-IDFでは、プロジェクトディレクトリの「components」ディレクトリ以下に使用するコンポーネントを格納します。まずcomponentsディレクトリを作成し、そこにGitHubから使用するライブラリをダウンロードしてcomponentsディレクトリ内に展開します。今回使用した各コンポーネントのバージョンは以下の通りです。

Arduino-BLE-MIDI：Winter 2022 Release

esp-nimble-cpp：v1.4.1

Arduino MIDI Libary：v5.0.2

なお、それぞれのZIPファイルを展開すると、「arduino_midi_library-5.0.2」のように末尾にバージョン番号が付与されたディレクトリが作成されますが、ディレクトリをリネームしてこのバージョン番号部分は取り除いておきます。

各コンポーネントディレクトリ内にCMakeLists.txtを作成

ESP-IDFではcomponentsディレクトリ以下のコンポーネントについてもそれぞれCMakeLists.txtが必要になります。

まずArduino-BLE-MIDIですが、こちらにはCMakeLists.txtが付属していないため、自前で作成します。ファイルの内容はmainディレクトリ以下に作成したものとほぼ同じで、以下のようになります。

idf_component_register(SRCS "src/BLEMIDI_Transport.cpp" INCLUDE_DIRS "src" REQUIRES arduino-esp32 arduino_midi_library esp-nimble-cpp )

「REQUIRES」の行はそのコンポーネントが依存するコンポーネントをコンポーネント名（もしくはディレクトリ名）で記述するもので、Arduino-BLE-MIDIはarduino-esp32とarduino_midi_library、esp-nimble-cppに依存しているので、この3つを記載しておきます。

Arduino MIDI LibraryにはすでにCMakeLists.txtファイルが格納されていますが、こちらはEPS-IDF用のものではないため、適当な名前（たとえばCMakeLists.txt.old）にリネームして、次のような新たにCMakeLists.txtを作成します。

idf_component_register(SRCS "src/MIDI.cpp" INCLUDE_DIRS "src" )

esp-nimble-cppについてはすでにCMakeListsファイルが用意されていますが、前述のようにESP-IDF v5.4.2で利用するための修正が必要です。具体的には、下記の部分の「arduino」の部分を「arduino-esp32」に変更しておきます。

list(APPEND ESP_NIMBLE_PRIV_REQUIRES arduino )

esp-nimble-cppの修正

あわせて、esp-nimble-cppのsrc/NimBLEDevice.cppも修正する必要があります。修正する部分は以下の2点です。

まず、void NimBLEDevice::init(const std::string &deviceName)メソッドの「esp_bt_controller_config_t bt_cfg = BT_CONTROLLER_INIT_CONFIG_DEFAULT();」行（869行）の前に「# if ESP_IDF_VERSION < ESP_IDF_VERSION_VAL(5, 0, 0) || !defined(CONFIG_NIMBLE_CPP_IDF)」を、「ESP_ERROR_CHECK(esp_nimble_hci_init());」行のあと（「#endif」がある行）にもう1つ「#endif」を追加します。具体的には、次のようになります。

#if ESP_IDF_VERSION < ESP_IDF_VERSION_VAL(5, 0, 0) || !defined(CONFIG_NIMBLE_CPP_IDF) esp_bt_controller_config_t bt_cfg = BT_CONTROLLER_INIT_CONFIG_DEFAULT(); #if defined (CONFIG_IDF_TARGET_ESP32C3) || defined(CONFIG_IDF_TARGET_ESP32S3) //bt_cfg.bluetooth_mode = ESP_BT_MODE_BLE; #else bt_cfg.mode = ESP_BT_MODE_BLE; bt_cfg.ble_max_conn = CONFIG_BT_NIMBLE_MAX_CONNECTIONS; #endif bt_cfg.normal_adv_size = m_scanDuplicateSize; bt_cfg.scan_duplicate_type = m_scanFilterMode; ESP_ERROR_CHECK(esp_bt_controller_init(&bt_cfg)); ESP_ERROR_CHECK(esp_bt_controller_enable(ESP_BT_ MODE_BLE)); ESP_ERROR_CHECK(esp_nimble_hci_init()); #endif #endif

次に、下記の「esp_nimble_hci_and_controller_deinit()」関数呼び出し（928行）を「 esp_nimble_hci_deinit()」関数の呼び出しに置き換えます（ドキュメント）。

void NimBLEDevice::deinit(bool clearAll) { int ret = nimble_port_stop(); if (ret == 0) { nimble_port_deinit(); #ifdef ESP_PLATFORM ret = esp_nimble_hci_and_controller_deinit();

メインのコード

以上で依存ライブラリの準備は完了です。続いて、main.cppにメインのコードを記述していきます。今回使用したコードは以下のようになります。

#include <stdio.h> #include "Arduino.h" #define LOG_LOCAL_LEVEL ESP_LOG_VERBOSE #include "esp_log.h" #include <BLEMIDI_Transport.h> #include <hardware/BLEMIDI_Client_ESP32.h> #define LED_PIN 21 BLEMIDI_CREATE_INSTANCE("",MIDI_BLE); void ReadCB(void *parameter); //Continuos Read function (See FreeRTOS multitasks) void onConnected() { digitalWrite(LED_PIN, LOW); ESP_LOGI("main", "connected."); } void onDisconnected() { digitalWrite(LED_PIN, HIGH); ESP_LOGI("main", "disconnected."); } void bleHandleNoteOff(byte channel, byte note, byte velocity) { digitalWrite(LED_PIN, LOW); ESP_LOGI("main", "BLE-MIDI note off"); } void bleHandleNoteOn(byte channel, byte note, byte velocity) { digitalWrite(LED_PIN, LOW); ESP_LOGI("main", "BLE-MIDI note on"); } void ReadCB(void *parameter) { while (true) { MIDI_BLE.read(); vTaskDelay(1 / portTICK_PERIOD_MS); } vTaskDelay(1); } void setup() { ESP_LOGI("main", "start setup"); pinMode(LED_PIN, OUTPUT); // In XIAO ESP32-S3, LED is ON when PIN is LOW. digitalWrite(LED_PIN, LOW); BLEMIDI_BLE.setHandleConnected(onConnected); BLEMIDI_BLE.setHandleDisconnected(onDisconnected); ESP_LOGI("main", "begin MIDI_BLE"); MIDI_BLE.begin(MIDI_CHANNEL_OMNI); MIDI_BLE.setHandleNoteOn(bleHandleNoteOn); MIDI_BLE.setHandleNoteOff(bleHandleNoteOff); ESP_LOGI("main", "create task"); xTaskCreatePinnedToCore(ReadCB, //See FreeRTOS for more multitask info "MIDI-READ", 3000, NULL, 1, NULL, 1); //Core0 or Core1 ESP_LOGI("main", "setup done"); digitalWrite(LED_PIN, HIGH); } void loop() { digitalWrite(LED_PIN, HIGH); vTaskDelay(1000/portTICK_PERIOD_MS); }

以上でソースコードの作成は完了ですが、これに加えていくつか設定ファイルの修正も必要です。まず、mainディレクトリ内のCMakeLists.txtにREQUIRES行を追加して、Arduino-BLE-MIDIへの依存関係を設定しておきます。

idf_component_register(SRCS "main.cpp" 　　INCLUDE_DIRS "." 　　REQUIRES Arduino-BLE-MIDI )

次に、esp-nimble-cppのドキュメント（「Using with Arduino as an IDF component and CMake」）に従って、プロジェクトディレクトリ内のCMakeLists.txtに次のように「add_compile_definitions(ARDUINO_ARCH_ESP32=1)」を追加しておきます。

cmake_minimum_required(VERSION 3.16) include($ENV{IDF_PATH}/tools/cmake/project.cmake) add_compile_definitions(ARDUINO_ARCH_ESP32=1) project(ble_midi)

また、Bluetooth LEを利用するためにはビルド時に追加設定が必要なため、この設定をsdkconfig.defaultsを用意します。具体的には、「CONFIG_BT_ENABLED=y」と「CONFIG_BT_NIMBLE_ENABLED=y」という行を追加します。これらを追加したsdkconfig.defaultsファイルは次のようになります。

CONFIG_FREERTOS_HZ=1000 CONFIG_AUTOSTART_ARDUINO=y CONFIG_BT_ENABLED=y CONFIG_BT_NIMBLE_ENABLED=y

ビルドと書き込み

あとは前回・前々回記事と同様に「idf.py.exe set-target」コマンドでビルドターゲットを設定し、「idf.py build」コマンドでビルドを実行します。ビルドが無事完了したら、USBでESP32マイコンボードを接続し、「idf.py flash」コマンドでプログラムをマイコンボードに書き込みます。このとき、idf.py flashコマンドに「monitor」コマンドを同時に追加することで、書き込み完了と同時にシリアルモニタを起動できます。

idf.py.exe set-target esp32s3 idf.py.exe build idf.py.exe flash monitor

この状態で適当なBLE MIDIデバイスをESPマイコンボード近くで起動すると、次のように接続が行われている様子がログに出力されます。ただし、今回使用したBLE MIDIデバイスは接続時に何か追加で操作が必要なようで、接続後すぐに切断されてしまいました。

まず試したのはPX-28RT-1CFという細長いもの（写真下）。しかしこちらは細すぎて熱の伝わりが悪く、はんだを当ててもなかなか溶けずイマイチな感じでした。次に試したのはPX-28RT-1BCという、先端部分の太さはPX-28RT-1CFと同じですが円錐状になっているもの。こちらも若干熱が伝わりにくい感じはあるものの使えないレベルではなく、長さ・細さもちょうど良い感じです。

こて先の変更でかなりはんだ付けの感覚が変わるので（予算があれば）色々試してみるのがよさそうです。

ちなみにgootのこて先には末尾が「F」で終わるものとそうでないものがあるのですが（替えこて先ページ）、「F」で終わるものは先端ぎりぎりの部分までクロムメッキをすることで、先端部分以外がはんだをはじくようにしているそうです（こて先の図で灰色になっている部分がクロムメッキ＝はんだをはじく部分）。

以前の記事で書いたように、今まではArduino IDEを使ってESP32マイコンの開発をしていました。Arduino IDE上で開発を行う場合はArduinoが提供する標準ライブラリを利用でき、マイコンやマイコンボードの種類が異なってもある程度同じようにプログラミングが可能というメリットがありました。

いっぽうESP-IDFでも、ESP32向けのArduinoライブラリ（「arduino-esp32」）を導入することで、Arduinoの標準ライブラリと同等の機能が利用できるようです（導入方法について解説したドキュメント）。ということで、まずはこのライブラリを使ったテストコードをビルドしてみます。

arduino-esp32を使った「Lチカ」

arrduino-esp32のGitHubリポジトリにはいくつかのサンプルコードも含まれていますが、今回はこれらを参考に一からコードおよびビルド設定ファイルを作成してみます。作成するのは前回と同じく、マイコンボード上のLEDを点滅させる、いわゆる「Lチカ」コードです。

ビルド環境には前回記事と同様にWindows PowerShellを使用します。まず適当なフォルダにプロジェクトディレクトリを作成し、そこに前回作成したESP-IDFビルド環境の初期化用スクリプト（init.ps1）をコピーして実行することで、ビルドツールを利用できるようにします。

> mkdir led_blink2 > cd .\led_blink2\ > cp ..\test\init.ps1 . > .\init.ps1

続いてプロジェクトディレクトリ中にビルド設定を記述するCMakeLists.txtを作成します。CMakeLists.txtの内容は前回とほぼ同じで、次のようにしています。

cmake_minimum_required(VERSION 3.16) include($ENV{IDF_PATH}/tools/cmake/project.cmake) project(led_blink2)

ソースコードを配置する「main」ディレクトリを作成し、ここにビルド設定ファイルであるCMakeLists.txtとメインのソースコードとなるmain.cppを作成します。CMakeLists.txtの内容も前回とほぼ同じで、次のようにしています。

idf_component_register(SRCS "main.cpp" INCLUDE_DIRS ".")

main.cppは以下のようにしました。1000ミリ秒（1秒）ごとにLEDに接続されているピンの出力をLOW→HIGH→LOW……と切り替えていく、よくある「Lチカ」コードです。ここではArduinoライブラリを利用するために"Arduino.h"をincludeしています。

#include "Arduino.h" #define LOG_LOCAL_LEVEL ESP_LOG_VERBOSE #include "esp_log.h" #define LED_PIN 21 volatile int led_state = 0; void setup() { ESP_LOGI("main", "setup()!"); pinMode(LED_PIN, OUTPUT); digitalWrite(LED_PIN, led_state); } void loop() { ESP_LOGI("main", "loop()!"); led_state = !led_state; digitalWrite(LED_PIN, led_state); delay(1000); }

ちなみに、ESP32ではUSB経由でホストにログを送信する機能も提供されており、こちらは"esp_log.h"をincludeすることで利用可能になります（ドキュメント）。今回のコード中では、ESP_LOGI()関数を使って診断メッセージをホストに送信しています。

コンポーネントの管理

ESP-IDFはディレクトリ単位でコンポーネントを管理しており、「main」ディレクトリがデフォルトでビルドされるコンポーネントとなります。各コンポーネントのディレクトリ中には「idf_component.yml」というファイルが配置され、ここにコンポーネントのバージョンといった情報やコンポーネント同士の依存関係などを記述できます。このファイルは手動で管理しても良いのですが、「idf.py」コマンドにも管理用の機能が組み込まれています。たとえば依存関係の追加は、「idf.py add-dependency "依存コンポーネント"」というコマンドで実行できます。

今回はarduino-esp32のバージョン3.2.1を利用するので、プロジェクトディレクトリ（mainディレクトリを含むディレクトリ）内で以下のように実行します。

> idf.py add-dependency "espressif/arduino-esp32^3.2.1"

このコマンドを実行すると、mainディレクトリ下のidf_component.ymlに依存関係の情報が追加されます。この際にもしidf_component.ymlが存在しなければ、このファイルが自動的に作成されます。

デフォルトビルド設定の追加

ESP-IDFではプロジェクトディレクトリ内に配置される「sdkconfig」というファイルでビルドの設定が管理されます。このファイルは「idf.py」コマンドで自動管理されており、設定内容は「idf.py menuconfig」コマンドで対話的に変更できます。ESP-IDFで提供されるコンポーネントや関連ライブラリは、ここで設定された内容を（ビルド時に自動生成されるヘッダファイル経由で）参照して、それに応じて挙動を変えます。

また、いくつかのライブラリは特定の設定を要求します。たとえばesp32-arduinoを利用する場合は「CONFIG_FREERTOS_HZ=1000」という設定が必要になります。

こういった特定の設定が必要な場合、「sdkconfig.defaults」という設定ファイルとしてあらかじめデフォルトの設定を用意しておきます。今回は以下のような内容でこの設定ファイルを作成しました。

CONFIG_FREERTOS_HZ=1000 CONFIG_AUTOSTART_ARDUINO=y

2行目の「CONFIG_AUTOSTART_ARDUINO=y」は、マイコンの起動後にESP-IDFデフォルトの「app_main()」関数ではなく、Arduinoで使われている「setup()」や「loop()」メソッドを使用するための設定です。

ビルドの実行

以上でビルドに必要な設定は完了です。あとは前回と同様に「idf.py.exe set-target」コマンドでビルドターゲットを設定し、「idf.py build」コマンドでビルドを実行します。ビルドが無事完了したら、USBでESP32マイコンボードを接続し、「idf.py flash」コマンドでプログラムをマイコンボードに書き込みます。

> idf.py.exe set-target esp32s3 > idf.py.exe build > idf.py.exe flash

これで無事ボードのLEDを点滅させることができました。ちなみに、本記事の最初の写真のようにSeeed StudioのXIAL ESP32-S3には赤いLEDと黄色いLEDの2つが付いていますが、赤いLEDは電源管理用のLEDで、マイコンボードから操作できるのは黄色いLEDだけのようです。

また、ESP_LOGI()関数を使って送信されたメッセージは、「idf.py monitor」コマンドで確認できます。このコマンドを実行すると、次のようにシェル上に送信されたメッセージが出力されます。

ESP32-S3ではデフォルトでブートメッセージも出力される設定になっているようで、それらが出力されたあと、「setup()」や「loop()」というメッセージが表示されていることが分かります。

以前「USB-BLE MIDIインターフェイスを作る - 環境構築編」という記事でESP32-S3というマイコンが搭載されたマイコンボードの話を紹介しましたが、最近またBluetooth LE（BLE）を使いたい事案があり、久しぶりにこのマイコンボード向けのコードを書き始めました。ただ、以前紹介したArduino IDEを使った開発では、ビルド（ソースコードをコンパイルしてマイコンにアップロードできる形に変換する作業）がとても遅く、試行錯誤を繰り返すにはとてもつらい感じでした。Arduino IDEでのビルドが遅いのは毎回多くのファイルを再コンパイルするのが原因らしく、簡単には解決できないようです。

ということで、開発環境自体を「ESP-IDF」という、ESP32の公式（推奨？）のものに切り替えることにしました。ただ、こちらはArduino IDEと異なり事前の設定がちょっと面倒くさい感じです。ということで、ここでその方法をメモがてらまとめてみました。

なお、ここで記載した手順は、テキストエディタ＋コマンドラインでソフトウェア開発ができる人向けの非一般的な方法になるかと思いますので、一般の方がそのままこの手順で開発を行うことはおすすめしません。また、開発環境にはWindows 11およびPowershellを使っています。

開発環境のインストール

ESP32-S3向けのドキュメントの「Get Started」ページに開発環境構築についての情報があります。これによると、EclipseやVSCodeなどのIDEと組み合わせた環境で利用するのが推奨されているようですが、これを無視して「Manual Installation」以下の「Windows Installer」リンクをクリックし、「Standard Setup of Toolchain for Windows」を開き、このページ内の「Windows Installer Download」から「ESP-IDF Windows Installer Download」ページに遷移します。インストーラはいくつかの種類が用意されていますが、今回はオンラインで必要なファイルをダウンロードする「Universal Online Installer」を使用しました。なお、本機時執筆時点でのバージョンは2.3.5でした。

ダウンロードしたインストーラを起動し、指示に従って必要なコンポーネントをインストールします。途中でESP-IDFのバージョンを選択する画面が表示されますが、ここでは本機時執筆時点でのrelease versionの最新バージョンである「v5.4.2 (release version - .zip archive download」を選択しました。インストール先はデフォルトの「C:\Espressif」のままで、適当にインストーラを進めてインストールを行います。なお、邪魔なのでデスクトップやスタートメニューへのショートカット作成にはチェックを入れませんでした。

インストールが完了すると、インストーラの終了後の動作（開発環境を起動するかどうか）を選択する画面が表示されますが、これもチェックを外して無視してインストーラを終了します。

開発環境の起動

コマンドラインベースでのソフトウェア開発では、ソースコードなどを格納したプロジェクトディレクトリを作成し、そこで開発ツールを呼び出せるように環境変数などの設定を行うのが一般的です。一般的なソフトウェア開発環境ではこれらの設定を行うスクリプト等が提供されていますが、ESP-IDFでそれに相当するのがESP-IDFのインストール先ディレクトリに格納されている「Initialize-Idf.ps1」です。ただし、このスクリプトを実行する際には、引数として「IDF ID」なるパラメータを指定する必要があります。このIDは、このInitialize-Idf.ps1ファイルと同じディレクトリにある「esp_idf.json」ファイル内に記述されています。たとえば自分の環境では、このJSONファイルは以下のようになっていました。

{ "$schema": "http://json-schema.org/schema#", "$id": "http://dl.espressif.com/dl/schemas/esp_idf", "_comment": "Configuration file for ESP-IDF Eclipse plugin.", "_warning": "Use / or \ when specifying path. Single backslash is not allowed by JSON format.", "gitPath": "C:/Espressif/tools/idf-git/2.44.0/cmd/git.exe", "idfToolsPath": "C:/Espressif", "idfSelectedId": "esp-idf-8db3121c30f24411ef389e0fd446d81c", "idfInstalled": { "esp-idf-8db3121c30f24411ef389e0fd446d81c":{ "version": "5.4", "python": "C:/Espressif/python_env/idf5.4_py3.11_env/Scripts/python.exe", "path": "C:/Espressif/frameworks/esp-idf-v5.4.2/" } } }

ここで「idfSelectedId」として記述されているのがIDF IDです（この例の場合、「esp-idf-8db3121c30f24411ef389e0fd446d81c」）。これを引数に指定してInitialize-Idf.ps1を実行すると各種環境変数が設定され、ESP-IDFで各種作業を実行する「idf.py.exe」が利用できるようになります。

LED点灯、いわゆる「Lチカ」コードを書いてみる

これでひとまず開発環境の構築が完了したので、続いてマイコンボード上に配置されているLEDを点滅させる、いわゆる「Lチカ」コードを書いてビルド・実行してみます。

今回は適当なところに「esp-test」というディレクトリを作成し、そこをプロジェクトディレクトリとしました。まず、前述の「Initialize-Idf.ps1」を実行するため、プロジェクトディレクトリ内に「init.ps1」という名前で次のようなスクリプトを作成し、このスクリプトを実行することで開発環境セットアップが完了するようにしておきました。

C:\Espressif\Initialize-Idf.ps1 "esp-idf-8db3121c30f24411ef389e0fd446d81c"

プロジェクトディレクトリ内にソースコードを配置する

ESP IDFでは、特定のルールに従ってプロジェクトディレクトリ内にファイルを配置することが推奨されています。これらのルールについては、「Build System」というドキュメントにまとめられています。このドキュメントはとても長いのですが、適当に眺めた感じでは、ひとまず次のようにファイルを配置すれば良さそうでした。

まず、プロジェクトディレクトリのトップに「CMakeLists.txt」というファイルを配置します。このファイルには次の内容を記述します。

cmake_minimum_required(VERSION 3.16) include($ENV{IDF_PATH}/tools/cmake/project.cmake) project(blink)

最後の「project()」部分の括弧内にはプロジェクト名を指定します。今回は単純に「blink」としました。

続いて、「main」ディレクトリを作成します。ESP-IDFではデフォルトで「main」ディレクトリ内にメインのソースコード（モジュール）が格納されていると認識するそうなので、このディレクトリ内に実行する処理を記述したソースコード（「main.c」）とそのソースコードをビルドするための「CMakeLists.txt」を配置します。

main.cには、次のようなコードを記述しました。今回使用するseeed studioの「XIAO ESP32S3」マイコンボードではLEDがGPIOの21番ポートに接続されているので、このポートを初期化して出力モードに設定し、1000ミリ秒間隔で出力を1/0に交互に切り替えることでLEDを点滅させます。

#include <stdio.h> #include "freertos/FreeRTOS.h" #include "driver/gpio.h" #include "freertos/task.h" #define USER_LED_PORT GPIO_NUM_21 // delay time based on ticks #define BLINK_INTERVAL (1000 / portTICK_PERIOD_MS) static uint8_t led_state = 0; void app_main(void) { // initialize pin state gpio_reset_pin(USER_LED_PORT); gpio_set_direction(USER_LED_PORT, GPIO_MODE_OUTPUT); while(true) { gpio_set_level(USER_LED_PORT, led_state); led_state = !led_state; vTaskDelay(BLINK_INTERVAL); } }

GPIO関連の関数はドキュメントの「GPIO & RTC GPIO」ページに、また一定時間待機する関数（vTaskDelay）についてはドキュメントの「FreeRTOS（IDF）」ページに記載されているので、このあたりを参照に初期化コードやループ実行させるコードを「app_main()」関数内に記述しています。

続いてこのmainディレクトリ内のCMakeLists.txtを編集します。ESP-IDFではCMakeというツールを使っているのですが、ESP-IDF用のマクロが用意されているのでひとまずはそれを使って次のようにソースファイルなどの情報を記述します。

idf_component_register(SRCS "main.c" INCLUDE_DIRS "." REQUIRES esp_driver_gpio)

最後の「REQUIRES esp_driver_gpio」は、GPIOを利用するためのモジュールを利用する宣言です。どのモジュール宣言が必要かもドキュメントに記載されているので、それを参考に必要に応じて「REQUIRES」部分を追加していきます。

ビルド設定とビルド、書き込み

ソースコードの作成が完了したら、プロジェクトのトップディレクトリ内でまず「idf.py.exe set-target」コマンドを実行してビルド対象のマイコンを指定します。

> idf.py.exe set-target esp32s3

続いて「idf.py.exe build」コマンドを実行するとビルドが開始されます。

> idf.py.exe build

依存ファイルが多いため、1回目のビルドには時間がかかりますが、2回目以降は必要なファイルのみがビルドされるため、Arduino IDEよりも高速にビルドが完了します。

無事ビルドが完了したら、PCのUSBポートにマイコンボードを接続したうえで「idf.py.exe flash」コマンドを実行します。

> idf.py.exe flash

これでマイコンボードにプログラムが書き込まれ、無事LEDが点滅しました。

COMPRESSは、光を当てると抵抗値が小さくなるフォトレジスタという素子を使った、いわゆる光学式コンプレッサーです。入力信号の強さに応じてLEDを発光させ、その光によってフォトレジスタの抵抗値を変えることで、入力信号の強さに応じて出力信号の大きさを変化させるという仕組みです（実際には、LEDとフォトレジスタを1つの部品として組み合わせたオプトカプラという素子を使用しています）。

本ブログでは試作完了で更新が止まっていましたが、PGM東京2024ではこの試作バージョンとほぼ同じ回路をプリント基板化して製作したものを展示・頒布しました（製品情報ページ）。

今回のバージョン1.2はその回路をベースとしつつ、以下の修正を加えています。

オプトカプラ駆動回路のモジュール化

一般的なオーディオ回路では、0Vを中心に±に振動する交流電圧信号を扱います。COMPRESSではこの交流信号を、振幅が大きくなるほど大きくなり、小さくなるほど0Vに近くなる直流信号に変換してからオプトカプラに入力しています。この部分の回路（包絡線検波回路）は部品点数が多い一方で、定数を変えてチューニングする要素はほとんどありません。そのため、この回路を表面実装部品を使った小型基板モジュールに切り出して、かつ部品の実装までを基板制作業者に依頼することにしました。これによって全体の基板サイズの小型化と実装の手間の削減を図っています。なお、部品実装を依頼する場合、業者があらかじめ用意している汎用部品以外を使うとコストが上がってしまうのですが、出力信号はこのモジュールを直接は通らないため、部品の定数さえ適切に設定すれば汎用部品を使っても音質に影響はないと考えています。

オプトカプラの特性補正

PGM東京2024での出展・頒布のため何台かCOMPRESSを組み立てたのですが、オプトカプラの特性にはそれなりにばらつきがあるため、同じ回路を使っても信号の圧縮特性（コンプのかかり方）に個体差が発生していました。前回頒布分は手作業で調整はていたのですが、それでもばらつきが調整範囲に収まるぎりぎりという感じでした。そのため、今回は事前にオプトカプラの特性を調査したうえで、十分に個体差を吸収できるようトリマポット（半固定抵抗）を追加しました。なお、オプトカプラの特性調査結果は下記にまとめています。

低音域への反応を調整するツマミの追加

入力信号を包絡線検波回路に入力する前に、ハイパスフィルタを通して低域部分をカットしているのですが、このハイパスフィルタの特性を調整できるツマミ（LO SENS.ツマミ）を追加しました。PGM東京2024で頒布したバージョンでは後付けで無理やりつけていましたが、今回は最初から回路に組み込んでいます。ちなみにPGM東京2024バージョンではこのツマミを時計回りに回すと低域をより大きくカットする（＝低域への反応を弱くする）回路だったのですが、こちらは入手性が若干悪いCカーブの可変抵抗器を使っていたため、今回のバージョンではAカーブの可変抵抗器を使い、時計回りで低域への反応を強くする（低域のカットを少なくする）回路にしています。

次のグラフは、このLO SENS.を0％/50％/100％に設定した場合の周波数特性です。縦軸はその周波数における圧縮特性、つまりその周波数の信号にどれだけ反応するかを示しており、値が小さい（マイナスの方向に大きい）ほどより強く反応するということになります。

たとえばLO SENS.が100％の場合、300～400Hzあたりの信号に最も強く反応するものの、20Hz～10kHzあたりまでの広い範囲の信号に反応するということを示しています。そしてLO SENS.を小さくしていく（反時計回りに回していく）と低音への反応が弱くなっていくということが分かります。

ベースで使用する場合、通常はLO SENS.は100％（時計回りに回しきった状態）にしつつ、たとえば5弦ベースで低音が強く圧縮されすぎてしまう、みたいな状況では多少反時計回りに戻す、という使い方を想定しています。また、ギターでカッティングの音に反応させたいというのであれば、LO SENS.は0％側（反時計回り方向）に設定したほうが良い結果になるかもしれません。

なお、このハイパスフィルタは出力信号には影響を与えず、単純に圧縮特性を調整するためだけに使われます。

オン・オフ切り替え時のポップノイズ削減

COMPRESSはいわゆるトゥルーバイパス式のスイッチ回路を採用しています。ただ、若干ではありますがスイッチの切り替え時に破裂音的な、いわゆるポップノイズが発生しやすくなっていました。これを解消するため、Pチャネル型のJFETを使ったミュート回路を追加しました。こちらはメインの回路とは別に、フットスイッチ部に直接取り付けるプリント基板を作成して実装しています。

回路のアイデアとしては以前このブログで紹介したものと同一ですが、定数などを調整するとともに、LED駆動回路（エフェクトオン時にLEDを光らせる部分）を調整することで、最小限の部品追加だけでミュート回路を追加できるようにしています。

保護回路の追加

こちらもPGM東京2024で頒布したバージョンでも追加済みの改善点ですが、電源入力部分にショットキーダイオードによる逆接続保護回路と、ツェナーダイオードを使った過電圧保護回路、ポリヒューズを使ったショート保護回路を入れています。ツェナーダイオードは一定以上の電圧が印可されると導通する素子で、ポリヒューズとの組み合わせで一定以上（今回はおよそ20V）以上の電圧が入力されると電源回路をシャットダウンする仕組みになっています（ただし、100％確実に保護されることは保証できないので、意図的に高い電圧をかけると危険です）。なお、電源部分のコンデンサの耐圧が16Vなので、おおむね16Vを少し超えるくらい（ショットキーダイオードとポリヒューズ部分で多少の電圧降下が発生するため）までの電圧であれば問題なく動作するかと思います（が、もちろん動作保証はできないのでご注意ください）。

ケースのアップデート

PGM東京2024頒布モデルでは、カラーアルマイトプレートをレーザー加工してパネルを作成し、それを無塗装アルミダイキャストケースに貼り付けて筐体としていました。一方今回は塗装されたアルミダイキャストケースにUV印刷でパネルをプリントした筐体を採用しました。ケースの加工および印刷はTayda Electronicsに発注しています（詳細は別記事でまとめています）。

無塗装アルミは経年劣化によって錆びが発生して若干くすんでいくのですが、今回は塗装済みなのでキラキラ感がずっと保たれるはずです。かなり厚めの粉体塗装なので、ちょっと擦ったくらいでは傷もほとんどできないと思います。

UV印刷もちょっと凝ったことをしていて、模様部分はアルミ塗装の光沢が透けて見えるようにする一方、文字部分はなるべく透けないように調整してみました。ある程度薄暗いところでも視認性の良いパネルになったかと思います（逆に明るい場所だと光の反射によっては見にくくなってしまうかもしれません……）。

あわせて各ツマミの表示もアップデートし、「VOLUME」「COMP.」「LO SENS.」「ATTACK」としています。「COMP.」は「COMPRESSION」の略で、コンプレッサーのかかり具合を調整するツマミです。時計回りに回すほどより強くコンプがかかります。「LO SENS.」は「LOW FREQUENCY SENSITIVITY」（低音域の感度）の略で、時計回りに回すほど低域に対して強く反応するようになります。

ついでにこの筐体にあわせてツマミも細いものに変えました。こちらはぎりぎりまで悩んだのですが、以前使っていたものは製造品質にばらつきがあり、まとめ買いするとときどき高級感に欠けるものが入っていたりしたこともあって変更しています。

特性の調整

COMPRESSでは出力信号の圧縮用とリダクションメーター用に2つのオプトカプラを使用していて、それぞれに2個ずつ調整（キャリブレーション）用の半固定抵抗を実装しています。これらを使ってオプトカプラの個体差の補正とコンプの特性を調整できるのですが、今回はそれなりに試行錯誤して特性を決定しています。

最終的な圧縮特性は製品紹介ページにも掲載していますが、コンプというよりはほぼリミッター寄りの特性になっています。たとえば、COMP.つまみを12時に設定した際の入出力レベル例は以下のようになります。

このように、急に大きく圧縮されるのではなく、徐々に圧縮率が上がっていくいわゆるソフトニータイプの特性になっているため、不自然にコンプがかかることはほぼないと思います。

ちなみにこちらの圧縮特性はラインレベルの信号で測定しているため、一般的なエレキベース・エレキギターを接続した場合の入力信号レベルはこのグラフでいうとおおむね-20～-10dBあたりになると思われます。そのため、COMP.ツマミを10時くらいに設定すると一般的なエレキ楽器で軽くコンプがかかる設定になります（もちろん使用する楽器によっても反応は変わります）。

また、設計時点でキャリブレーション用の測定パッドも用意し、キャリブレーション手順も策定しました。これにより、個体ごとの特性のばらつきを抑えられるようになりました。実際本バージョンのCOMPRESSを展示用＋頒布用で合計6台作ってみましたが、試した限りでは個体差はほぼ感じられなくなっております。筐体も（自画自賛ではありますが）なかなか良い感じです。

こちらは現在Boothで販売しておりますので、PGM2025で買いそびれた、という方はそちらでお買い求めいただけます。また、試奏動画等も作成予定ですのでご期待ください！