Tinyバトルサウンド (1)分析準備編

有名おもしろIC

8色バトルサウンドキットという言葉に聞き覚えはあるでしょうか。無くても、こんな音に聞き覚えはありますか。
※音量注意！

今から30年以上前だと思います。こんな音が 8種類入った、ただボタンを押して音が鳴るだけの玩具が流行したのです。そして、時期は定かではありませんが秋月電子でもこの音が出るキットを販売していたのです。それが8色バトルサウンドキットです。

キットとしては非常にやさしく、何せ IC が全ての機能を内蔵していますからボタンとスピーカーとあと少々を付けるだけで動いてしまうのです。この IC が GSE3568 というメロディIC です。扱いの簡単さと派手な電子音が鳴る楽しさから、いつも部品箱の中に置いておきたいような、そんな IC です。型番違いですが、私の部品箱には同じ機能の M09 という IC があります。

キットではありませんが、セリアで売ってたケースにこの IC を組み込んでみた様子がこんな感じです。

M09 と GSE3568 の関係はよく知りませんが、少なくとも全く同じと言っていい使い勝手です。秋月電子から GSE3568 が消え、別の通販で見つけた M09 を確保しておいたのですが、それも品切れになって久しいです。両者共に今は非常に入手困難、IC 単体としてはもう流通していないんじゃないかと思える程で、まさに絶滅危惧種なのです。これは由々しき事態です。そうこうしているうちに部品箱の M09 ももう尽きそうです！早くなんとかしなければなりません！ATtiny10 ならたくさんあるのに！ATtiny10 なら！！

ATtiny10？

正体を捕らえる

ぶっちゃけ GSE3568 であろうと M09 であろうと、ただ音が鳴るだけのおもしろIC に過ぎません。サウンド出力は 1bit ですので、所詮は出力ピンを ON/OFF してるだけです。Lチカみたいなもんです。だったら ATtiny10 でそっくり同じように ON/OFF すれば代わりは務まるということです。というわけで、このおもしろICの正体を探ります。

M09 データシート

さてこのメロディIC ですが、手元にある M09 のデータシートはこんな感じです。

中国語がさっぱりでもシンプルな IC ですので見当は付きます。内部発振器は 128kHz、BZ が音声出力ピン、X,Y がオシレータ用の抵抗 150kΩ 接続端子、あとは電源ピンと K1～K8 の 8つのボタンです。K9 もボタンですが、これは内蔵された全種類の音を一気に再生するボタンで、テスト用みたいなものです。LO という LED出力もあるみたいですね。音に合わせてピカピカするんですかね。とりあえずサウンドにしか興味が無いので、LED は気にしません。

クロック単位のサンプリング

この M09 のサウンドの構成を知るために、まずはそのサウンドを録音してみようと思うでしょう。もちろん私の最初のアプローチもそうでしたが、バッサリ省略して恐縮ですが普通に録音するのはやめました。M09 のクロックに同期して正確にサンプリングすることにします。というのは、内蔵 CR発振器では発振周波数に幅があったり揺れたりしますので、そんな状態で録音しても結局サウンドの正しい周波数やタイミングが分からないからです。どうせ調べ上げるなら正確にやりたいところですしね。

クロック単位のサンプリングのためには、M09 が発振するクロックに合わせてサンプリングする方法と、外部から都合のよいクロックを与えながらサンプリングする方法があります。実現できるならどちらでもよいのですが、今回は後者で行きます。相手にタイミングを合わせるより、こちらの都合の良いタイミングを与える方が簡単だからです。というわけで、外部からクロックを与える方法を確認します。

この手の IC の CR発振器は大体こんな感じの回路になってるかと思います。

このような発振器であれば、M09 は発振のために外付けの抵抗を付けるようになっているので、上図 A点と B点がデータシートで示されるオシレータ端子 X, Y のどちらかに対応することになります。それを確認するためにオシロを使って観測します。

黄色の Ch1 が X、青色の Ch2 が Y です。Ch1 はデジタルな出力ですからインバータの出力っぽいですし、Ch2 はコンデンサのチャージ電圧っぽい波形なのでインバータの入力っぽいですね。なので X は B点、Y は A点ということになります。
これが分かると、外部クロックはインバータの入力である A点 = Y に入力すればよいということが分かります。もちろんその時 R_OSC は外しておきます。C_OSC の悪影響もありますが、小さな容量でしょうから無視します。

外部クロック入力方法が判明したところで、次のように接続します。お手軽に GPIO を使える Raspberry Pi 登場です。ちなみにうちのは初代です。

RaspberryPi の GPIO の番号がバラバラですが、コネクタの並びに従っただけで特に意味はありません。とにかく繋がればいいです。そして RaspberryPi では、M09 の Y に繋がる GPIO17 を ON/OFF しながら M09 のサウンド出力 を GPIO27 から、ついでに LED出力も GPIO22 から読み取っていきます。
PHP でこんなコードを書いてみました。

<?php

define('GPIO_CLKOUT', 17);
define('GPIO_SOUNDIN', 27);
define('GPIO_LEDIN', 22);

$clk = new GPIO(GPIO_CLKOUT, true);
$snd = new GPIO(GPIO_SOUNDIN, false);
$led = new GPIO(GPIO_LEDIN, false);


$fp = fopen('m09.log', 'w');
$c = 0;
for(;;) {
    $buf = '';
    for($i = 0; $i < 64; $i++) {
        $clk->wr($c);
        $s = $snd->rd();
        $l = $led->rd();

        $buf .= $c | ($s << 1) | ($l << 2);
        $c = 1 - $c;
    }
    $buf .= "\n";
    echo $buf;
    fwrite($fp, $buf);
}
fclose($fp);


class GPIO {
    private $pin;
    private $path;

    function __construct($pin, $isout = null)
    {
        $this->pin = $pin;
        $this->path = '/sys/class/gpio/gpio' . $pin . '/';
        file_put_contents('/sys/class/gpio/export', $pin);
        if ($isout !== null) $this->mode($isout);
    }

    function __destruct()
    {
        file_put_contents('/sys/class/gpio/unexport', $this->pin);
    }

    function mode($isout)
    {
        file_put_contents($this->path . 'direction', $isout ? 'out' : 'in');
    }

    function rd()
    {
        return (int)file_get_contents($this->path . 'value');
    }

    function wr($b)
    {
        file_put_contents($this->path . 'value', $b ? 1 : 0);
    }
}

このスクリプトを開始してから、M09 の任意のキー入力を行います。そうして出力されるサウンドなどをサンプリングして画面とファイル m09.log に出力します。サウンド出力と言ってもこのスクリプトのクロック出力は相当遅いので、スピーカーを繋いでいてもチリチリとした音が聞こえるくらいですし、数秒であるはずのサウンドでもサンプリングには数十秒を要します。画面を見て出力の変化が止まった頃合いで CTRC-C して止めて、ログをリネームして、また実行して次の音をサンプリングします。
出力はこんな感じになります。

 :
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　:

1文字 1サンプルで、クロックの変化も記録しています。ビット割り当ては以下の通りです。

冒頭は 4 と 5 の繰り返しですが、これは 音声出力 Low、LED 出力 High の状態でクロックが Low High を繰り返している状態です。サウンド出力中はクロック以外のビットも変化していくのも分かると思いますが、ともかく正確にサンプリングできました。これで解析準備は整いました。
ちなみにこれをオーディオファイル化したものが冒頭のものです。参考に一式を以下に並べておきます。

元のデータはカッチリした 1bit音声ですが、これらは mp3ファイル化してるので波形は崩れています。

再現方針

改めて言うまでも無いかもしれませんが、このサウンドを再現するのにサンプリングした音を再生しましょうってお話ではありません。サウンドの構成を分析して、どんな周波数のトーン(ピーとかプーとかの音程のある音)やノイズをいつどのくらいの長さ出せばよいかを突き止め、プログラムによってそのような出力を行います。トーンは周期(周波数)さえ分かれば ATtiny10 のタイマ/カウンタを利用して出力できそうです。ノイズの方は ATtiny10 のハードウェア的には生成することはできないので、ノイズ生成アルゴリズムを自前で実装する必要があります。このアルゴリズムを特定するか、特定しないまでも同じようなノイズパターンを出せるようになるために、特にノイズ部分のクロック単位のビットパターンが欲しかったのです。もしノイズが比較的短いパターンの繰り返しということが分かれば、ATtiny10 の小さなメモリでもサンプリングしたものを再生するという選択肢も出てくるかもしれませんし。どちらにせよそのような判断を行うためには、正確なビットパターンが必要なのです。

次回予告

ちょっと短いですが今回はここまでです。次回はサンプリングしたデータから、トーンの変化の仕方、ノイズの再現方法などを分析します。実はこの記事を書いている時点ではまだ ATtiny10 への実装には未着手なので、分析できたはいいものの実装できませんでした！なんて可能性がゼロじゃないのですが、のんびりやっていきます。クロックが 4MHz ないし 8MHz まで選べますからなんとかなるでしょう。

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