Supplement to “Making a MIDI controller device with PicoRuby/R2P2” (RubyKaigi 2025 事後勉強会 oto)

RubyKaigi 2025 事後勉強会 oto https://ivry.connpass.com/event/353495/ #rubykaigi2025_oto #rubykaigi2025

URLs in the slides:
- Making a MIDI controller device with PicoRuby/R2P2 (RubyKaigi 2025 LT) https://speakerdeck.com/risgk/r2p2-rubykaigi-2025-lt
- MIDI Controller PRMC-1 (type-0) Demo https://youtu.be/Eq25Ze3kTH4
- MIDI Controller PRMC-1 https://github.com/risgk/midi-controller-prmc-1
- MIDI 1.0 Detailed Specification https://midi.org/midi-1-0-detailed-specification
- MIDI1.0規格書 https://amei.or.jp/midistandardcommittee/MIDIspcj.html
- MIDIバイブルI - MIDI 1.0 規格 基礎編 https://www.amazon.co.jp/dp/4845602679
- MIDIバイブルII - MIDI 1.0 規格 実用編 https://www.amazon.co.jp/dp/4845603039
- Ruby x Arduinoでシンセサイザーを作ってみた (浜松Ruby会議01) https://gist.github.com/risgk/0db52ea683530652d933
- PRA32-U2 https://github.com/risgk/digital-synth-pra32-u2
- ラズベリー・パイPico/Pico W攻略本 https://interface.cqpub.co.jp/magazine/2023pico/
- シンセカイリアル (Synthesizer Meeting Real) on April 28th https://x.com/Yasushi_K/status/1910670512419738018
- PicoRuby https://github.com/picoruby/picoruby
- R2P2 https://github.com/picoruby/R2P2
- mrubyコンパイラ3.3.0 https://www.s-itoc.jp/support/technical-support/mrubyc/mrubyc-download/
- Want the option to fix timeout on I2C #206 https://github.com/picoruby/picoruby/issues/206
- synthio https://docs.circuitpython.org/en/latest/shared-bindings/synthio/
- Sonic Pi https://sonic-pi.net/
- SuperCollider https://supercollider.github.io/
- Web Audio API 1.1 https://www.w3.org/TR/webaudio-1.1/
- AMY https://github.com/shorepine/amy
- 藤本健のDigital Audio Laboratory 第956回 https://av.watch.impress.co.jp/docs/series/dal/1442328.html
- 6/1(日) Synth Maker Meetup #4 浜松で開催 https://synthmeetup4.peatix.com/
- 7/5(土) Hamamatsu Micro Maker Faire 2025 https://makezine.jp/event/makerfaire/hmmf2025/

Transcript

1. Supplement to “Making a MIDI controller device with PicoRuby/R2P2” 2025-05-22 RubyKaigi 2025 事後勉強会 oto Ryo Ishigaki • Making a MIDI controller device with PicoRuby/R2P2 (RubyKaigi 2025 LT) • https://speakerdeck.com/risgk/r2p2-rubykaigi-2025-lt
2. MIDI Controller PRMC-1 (type-0) Demo 2/22 https://youtu.be/Eq25Ze3kTH4 • RubyKaigi 2025のLTでは、実機で音が出ないリスクを考え て、最初にデモ動画を流した • Rubyでのプロトタイピングから始まった自作シンセサイザー （シンセ）、の最新モデルの音を鳴らしたくなった • Rubyで書いたMIDIコントローラーPRMC-1 (type-0) で、 C++で書いた自作シンセPRA32-U2 (with Panel) を演奏 • Rubyを使ったMIDIデバイスを意識： @Kirika_K2 さんの “Do PRK_FIRMWARE Dream of MIDI implementation?” (KeebKaigi 2023) • R2P2を使うキッカケ： @hachiblog さんの “Drive Your Code: Building an RC Car by Writing Only Ruby” (RubyKaigi 2024 LT) • @asonas さんの発表やmruby関連発表が、プロポーザル提出の後押しに
3. Thank you for listening! 3/22
4. MIDI controller PRMC-1 (type-0) • PRMC-1 is a MIDI Controller using PicoRuby/R2P2 • https://github.com/risgk/midi-controller- prmc-1 • Made to control synthesizers in electronic music performances • PRMC-1 transmits MIDI messages • Hardware (no soldering) • Raspberry Pi Pico • Grove Shield for Pi Pico • M5Stack Unit 8Angle • M5Stack Unit MIDI • All code is written in Ruby! 4/22 • MIDIコントローラー（MIDIコン）は、シンセや MIDI音源（sound module, tone generator）を 制御するもので、自分では音を出さない • MIDIユニットは、MIDIトランスミッターとして 使用（レシーバーにもなる） • 部品代は合計8,000円くらい
5. MIDI (Musical Instrument Digital Interface) • Examples of MIDI messages • Note On/Off: Turning on/off a note • Control Change: Modifying sounds (or adjusting parameters) • Program Change: Changing tones • Clock: Synchronizing the tempo of devices (24 clocks per quarter note) • Start/Stop: Controlling playback • MIDI receivers and transmitters use UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) at 31.25 kbaud • For details, see the specifications • MIDI 1.0 Detailed Specification https://midi.org/midi-1-0-detailed-specification • MIDI1.0規格書 https://amei.or.jp/midistandardcommittee/MIDIspcj.html 5/22 • 書籍『MIDIバイブルI』『II』 では、規格運用の実際について学べる（『I』だけ読むのもオススメ） • 『MIDIバイブルI - MIDI 1.0 規格 基礎編』リットーミュージック（1998年） https://www.amazon.co.jp/dp/4845602679 • 『MIDIバイブルII - MIDI 1.0 規格 実用編』リットーミュージック（1998年） https://www.amazon.co.jp/dp/4845603039 • MIDI 2.0が規格化されたが、現在でもMIDI 1.0が広く使われている • USB MIDI対応デバイスが多いが、デバイス同士を直結できるMIDIケー ブルも見直されている（TRS MIDI対応デバイスも増えている）
6. Specifications of PRMC-1 (type-0) • Usage • CH1 – CH4 Knob: Root of Step 1 - 4 Chord • CH5 Knob: Arpeggio Pattern, 1 - 6 • CH6 Knob: Brightness • CH7 Knob: Harmonic Content • CH8 Knob: BPM • SW Switch: Start/Stop Sequencer • Simple functions • 4-step chord sequencer for playing chords as arpeggios • Adjusting Brightness (Cutoff) and Harmonic Content (Resonance) • Unit MIDI has a built-in synthesizer chip (SAM2695), so PRMC-1 can also produce sound directly 6/22 • MIDIユニットからの音出しはオマケ機能 • セットアップ処理で音色を変更し、リリースタイムを長めに調整 • 今のUIでは、細かくパラメーターを編集できない • PCM音源なので、波形の変化が滑らかでないところもある • MIDIユニットは、ピアノなどの音も出せるGM音源で、楽器作りに役立つ • 「シンセ」という言葉を「楽器」の意味で使うなら、PRMC-1はシンセでもある • 注意：DREAM社の音源チップSAM2695は、今年で生産終了予定 • 懇親会では、バッテリーやスピーカーと一緒に首から下げながら音出し • アルペジオパターン (type-0) • セブンスコード、Up • セブンスコード、Up & Down • トライアド、Up • トライアド、Up & Down • Root + 4th + 5th、Up • Root + 4th + 5th、Up & Down
7. About me • Ryo Ishigaki (石垣 良) @risgk • Member of Hamamatsu.rb (called “Hamamatsu Ruby”) • Hamamatsu is the physical birthplace of Ruby • Embedded software engineer • Experience: projector, milling machine, audio product, etc. • Making synthesizers for microcontrollers using C/C++ as a hobby 7/22 • 正式名称は「ハママツ（ドット）アール ビー」でなくて 「ハママツ ルビー」、通称「ハマルビ」
8. Making synthesizers • Hamamatsu is famous for its musical instrument industry • One of the reasons I started making synthesizers is that I moved to Hamamatsu • About 11 years ago, my first synthesizer VRA8 was prototyped with Ruby and ported it to Arduino Uno • Details: Ruby x Arduinoでシンセサイザーを 作ってみた (浜松Ruby会議01) https://gist.github.com/risgk/0db52ea683 530652d933 8/22
9. Making and playing synthesizers • As ISGK Instruments, I make about one synthesizer a year and exhibit it at Maker Faire and other events • Latest work: PRA32-U2 for Raspberry Pi Pico 2 https://github.com/risgk/digital-synth-pra32-u2 • I wrote articles on synthesizer making for a magazine and a book • Book: ラズベリー・パイPico/Pico W攻略本 https://interface.cqpub.co.jp/magazine/2023pico/ • I am challenging electronic music performance using hardware synthesizer, called “machine live” • I will be at シンセカイリアル (Synthesizer Meeting Real) on April 28th https://x.com/Yasushi_K/status/19106705124197 38018 9/22 • mrubyファミリーの動きも追いかけてきたが、私に合った 「使いどころ」を見つけられなかった • リアルタイムな音響合成には、あまり向いていない • シンセカイリアル（次回は6/6）と出会わなかったら、マシン ライブを始めず、MIDIコントローラーも作らなかったと思う
10. PicoRuby and R2P2 • PicoRuby is a Ruby implementation for one- chip microcontrollers • https://github.com/picoruby/picoruby • PicoRuby’s VM is mruby/c • R2P2 (Ruby Rapid Portable Platform) is a PicoRuby shell for Raspberry Pi Pico and others • https://github.com/picoruby/R2P2 • Usage of R2P2 1. Drag and drop a release binary into the RPI-RP2 drive of Pi Pico 2. Connect the shell through a serial port with a terminal emulator 3. /home/app.rb is automatically run at startup 10/22 • R2P2_PICO 0.4.1 では、メモリ不足エラーになるため、 prmc-1-type-0.rb を直接実行できない（残念） • mrbc prmc-1-type-0.rb をPC上で実行した出力の prmc-1-type-0.mrb なら、R2P2で実行可能 • mrubyコンパイラ3.3.0 https://www.s- itoc.jp/support/technical- support/mrubyc/mrubyc-download/ • @hasumikin さんにアドバイスを頂いて、PRMC-1 (type-1) では以下のファイル構成に変更 • /home/prmc-1-type-1.rb • /lib/prmc-1-type-1-lib.mrb • R2P2で正式サポートされたら、メモリが多いラズパイ Pico 2に移行するほうが良いかも
11. Functional Units of M5Stack • Functional Units of M5Stack are compatible with Grove interface • So, most of these should work with Raspberry Pi Pico • However, as far as I have briefly tested, M5Stack Unit 8Encoder did not work well for some reason... 11/22 • Raspberry Pi Pico C/C++ SDKを使用しても、8Encoderユニットは動かず • 「ほとんどのユニットはPicoでも動作するはず」は言い過ぎだったかも… • PRMC-1 (type-2) では、Dual Buttonユニットを追加（約600円） • ByteSwitchユニットの動作も問題なさそう（約4000円） • @Y_uuu さんの成果 “Porting PicoRuby to Another Microcontroller: ESP32” を受けて、M5StackとR2P2を使った電子工作が増えていくと思う
12. Timeout error in I2C • When accessing M5Stack Unit 8Angle in R2P2 environment, I2C (Inter- Integrated Circuit) timeout errors occurred frequently • Workaround • Use only 1-byte registers • Reduce communication speed to 20 kbps (usually 100 or 400 kbps) • If an error occurred, retry • I would like PicoRuby to have an option to adjust the timeout (like Arduino) • Want the option to fix timeout on I2C #206 https://github.com/picoruby/picoruby/issu es/206 12/22 • タイムアウト時間を長くすれば問題回避できる ことは確認したが、R2P2の修正バイナリを前提 にしたくなかった • 「通信スピードを下げる」「リトライする」と いうワークアラウンドを見つけられたので、LT のプロポーザルを提出できた • R2P2 0.3.0のタイムアウト時間は、通信スピードに反 比例 • R2P2 0.4.1で @hasumikin さんが改善済み • タイムアウト時間が調整可能、デフォルトで100ミリ秒
13. prmc-1-type-0.rb (about 400 lines) require 'i2c' require 'uart' # options MIDI_CHANNEL = 1 … class M5UnitAngle8 … end class MIDI … end class PRMC1Core … end # setup … # loop loop do … end 13/22
14. class M5UnitAngle8 def prepare_to_get_analog_input(ch) @i2c.write(ANGLE8_I2C_ADDR, ANGLE8_ANALOG_INPUT_8B_REG + ch) rescue retry end def get_analog_input @i2c.read(ANGLE8_I2C_ADDR, 1).bytes[0] rescue retry end 14/22 • R2P2_PICO 0.4.1用のPRMC-1 (type-1) では、 rescue と retry を削除
15. class MIDI def send_note_on(note_number, velocity, channel) @uart.write((0x90 + channel - 1).chr + note_number.chr + velocity.chr) end def send_note_off(note_number, velocity, channel) @uart.write((0x80 + channel - 1).chr + note_number.chr + velocity.chr) end … def send_clock @uart.write(0xF8.chr) end 15/22
16. class PRMC1Core (1) def change_parameter(key, value) case key … when 4 arpeggio_pattern = (value * (6 - 1) * 2 + 127) / 254 + 1 case arpeggio_pattern when 1 @arpeggio_intervals_candidate = [1, 3, 5, 7, 1, 3, 5, 7] @step_division_candidate = 8 when 2 @arpeggio_intervals_candidate = [1, 3, 5, 7, 5, 3, 1, 3] @step_division_candidate = 8 16/22
17. class PRMC1Core (2) def process_sequencer if @playing usec = Time.now.usec … receive_midi_clock … end end … def receive_midi_clock @midi.send_clock … @midi.send_note_on(@playing_note, NOTE_ON_VELOCITY, @midi_channel) if @playing_note != -1 … @midi.send_note_off(playing_note_old, NOTE_OFF_VELOCITY, @midi_channel) if playing_note_old != -1 17/22 • 新しいバージョンでは、シーケンサー停止中も MIDIクロックを送信し続けるように改善
18. # setup led_builtin = GPIO.new(25, GPIO::OUT) led_builtin.write(1) i2c1 = I2C.new(unit: :RP2040_I2C1, frequency: 20_000, sda_pin: 6, scl_pin: 7) angle8 = M5UnitAngle8.new(i2c: i2c1) uart1 = UART.new(unit: :RP2040_UART1, txd_pin: 4, rxd_pin: 5, baudrate: 31_250) midi = MIDI.new(uart: uart1) prmc_1_core = PRMC1Core.new(midi: midi, midi_channel: MIDI_CHANNEL) current_inputs = [] 18/22 • PRMC-1 (type-1) では、 frequency: 100_000 に修正
19. # loop (0..7).each do |ch| prmc_1_core.process_sequencer angle8.prepare_to_get_analog_input(ch) prmc_1_core.process_sequencer analog_input = angle8.get_analog_input if current_inputs[ch].nil? || analog_input > current_inputs[ch] + 1 || analog_input < current_inputs[ch] - 1 current_inputs[ch] = analog_input prmc_1_core.change_parameter(ch, 127 - current_inputs[ch] / 2) end end 19/22 • 8Angleへのアクセスには、1、2ミリ秒かかる • 発音開始やクロックの送信タイミングがブレない ように、 process_sequencer を随時呼び出し • カットオフ調整が滑らかでない（約40ミリ秒周 期で更新）問題も、呼び出し頻度を上げれば改善
20. After this • I will continue to evolve PRMC-1 • Ruby code is easily modified, so PRMC-1 (type-N) may be made for each performance 20/22 • ネタ1：MIDI受信に対応、MIDIライブラリの整備（API定義？ USB MIDI対応？） • ネタ2：DJ/VJアプリを自分だけのMIDIコンで制御？（DJは詳しくありませんが） • ネタ4：Rubyのコードで音響合成するシンセをマイコンで動かす • ラズパイPico 2とmruby/c（またはmruby）なら、そこそこ行ける？ • 私のシンセの代表作VRA8-Uは、Arduino Uno（マイコンは8ビット、16MHz）で動作 • 藤本健のDigital Audio Laboratory 第956回 https://av.watch.impress.co.jp/docs/series/dal/1442328.html • ネタ3：Cのコードで音響合成するシンセのPicogem（またはmrbgem）を作る • CircuitPython（MicroPythonのフォーク）には、synthioというコアモジュールが含まれる • エイリアスノイズ（折り返し雑音）対策は充実していなさそう… • https://docs.circuitpython.org/en/latest/shared-bindings/synthio/ • Rubyベースのライブコーディング環境Sonic Piは、オーディオプログラミング言語 SuperColliderのサーバーを使用 • https://sonic-pi.net/ https://supercollider.github.io/ • ライブラリとして「いい感じ」の仕様にするには、Web Audio APIが参考になるかも • Web Audio API 1.1 https://www.w3.org/TR/webaudio-1.1/ • AMYというマイコン用シンセライブラリはMicroPythonで制御できる • https://github.com/shorepine/amy
21. Would you like to create your own musical device? Enjoy electronics! 21/22 • 宣伝2：7/5(土) Hamamatsu Micro Maker Faire 2025 • https://makezine.jp/event/makerfaire/hmmf2025/ • 宣伝1：6/1(日) Synth Maker Meetup #4 浜松で開催 • https://synthmeetup4.peatix.com/
22. Finally... Live performance! 22/22 • RubyKaigi 2025のLTでは、この時点で残り15秒くらい… • 再生開始したが、なぜか実機の音が出なかった • PCのオーディオ設定不足を疑ったが、PRMC-1の不具合だった可能性も • LT前の転換が長引いていたので、音チェックは省略していた • LT終了後、運営の @a_matsuda さんから「せっかくなので、 蛍の光のようにDay 2帰りの音楽を演奏してください」と機会を 頂き、実機の音を鳴らせました！ ありがとうございました！ • LTでも、電子ピアノ（ベル）の音を鳴らす予定でした • 本日のデモ：MIDIコンPRMC-1 (type-2) を使って、 自作シンセPRA32-U2 (with Panel) と、リズム担当の ヤマハSEQTRAKを同期演奏 • PRMC-1 (type-2) の主な変更点 • アルペジオパターンの追加 • 2～7個目の音符のオン／オフ設定 （レゾナンス調整は削除） • Dual Buttonでトランスポーズ