LLM任せでマイコンを使ったシンセサイザーを作る

以下は、コンパイルが通るまでの過程で、実行して期待通りの動作になるかは、別の問題です。
LLMに対する最初の問いかけ：マイコン、小型LCD、USB 接続のMIDIキーボーを使ってアナログシンセサイザーを作るには？

LLMの回答＃１

マイコンを使用して「アナログシンセサイザー」を作る場合、技術的なアプローチは主に**バーチャルアナログ（VA）**方式となります。これは、アナログ回路の振る舞い（オシレーター、フィルター、エンベロープ）をマイコン内の計算でシミュレートし、DAC（Digital to Analog Converter）から音声を出力する方法です。

要件にある「USB MIDIキーボードのホスト機能（入力を受け付ける側）」と「オーディオ生成」を同時に行うには、USBホスト機能と高速な演算能力を持つマイコンが必要です。

以下に、現在最も入手性が良く、開発情報が豊富なRaspberry Pi Pico (RP2040) を使用した構成案と、動作の核となるコードを提示します。

1. システム構成案

Arduino環境（C++）での開発を想定しています。

重要: MIDIキーボードへ電源を供給するため、PicoのVBUSピンに5Vが供給されている必要があります。

マイコン: Raspberry Pi Pico (RP2040)

理由: デュアルコアにより、Core0でUSB/UI処理、Core1でオーディオ生成と役割分担ができ、音切れを防げます。また、Adafruit TinyUSBライブラリによりUSB MIDIホストの実装が容易です。

DAC: PCM5102A (I2S接続)

理由: マイコンのPWM出力よりも圧倒的に高音質で、安価に入手可能です。

ディスプレイ: ST7789 または ILI9341 (SPI接続)

USB接続: USB OTGケーブル（Micro-B オス – USB-A メス）

2. 配線イメージ

コンポーネント	ピン(RP2040)	役割
PCM5102A	GPIO 26	I2S Bit Clock (BCK)
	GPIO 27	I2S Word Select (LRCK)
	GPIO 28	I2S Data (DIN)
ST7789 LCD	GPIO 16-19	SPI (MISO/CS/CLK/MOSI) 等
MIDI Key	USBポート	OTGケーブル経由で接続

LLMの回答コード＃１

// code_name: pico_usb_synth_basic.ino
// version: 1.0.1
// description: USB MIDI Host to I2S Audio Synthesizer (Sawtooth) for RP2040

#include <Arduino.h>
#include <Adafruit_TinyUSB.h>
#include <Adafruit_GFX.h>    // Core graphics library
#include <Adafruit_ST7789.h> // Hardware-specific library for ST7789
#include <SPI.h>
#include <I2S.h>

// --- 設定: ディスプレイ (ST7789) ---
#define TFT_CS        17
#define TFT_RST       20 // またはリセットピンがない場合は -1
#define TFT_DC        16
#define TFT_MOSI      19
#define TFT_SCLK      18

// 画面解像度 (240x240など、手持ちのデバイスに合わせて調整)
Adafruit_ST7789 tft = Adafruit_ST7789(TFT_CS, TFT_DC, TFT_MOSI, TFT_SCLK, TFT_RST);

// --- 設定: オーディオ (I2S PCM5102A) ---
const int I2S_BCLK = 26;
const int I2S_LRCK = 27;
const int I2S_DOUT = 28;
const int SAMPLE_RATE = 44100;

// --- シンセサイザー変数 ---
volatile float currentFreq = 0.0;
volatile bool isNoteOn = false;
float phase = 0.0;
float phaseIncrement = 0.0;

// --- USB MIDI Host オブジェクト ---
Adafruit_USBH_Midi  MidiHost;

// --- 関数プロトタイプ ---
void noteOn(uint8_t channel, uint8_t pitch, uint8_t velocity);
void noteOff(uint8_t channel, uint8_t pitch, uint8_t velocity);

// --- セットアップ (Core 0: UI & USB処理) ---
void setup() {
  Serial.begin(115200);

  // 1. LCD初期化
  tft.init(240, 240); // 解像度はデバイスに合わせる
  tft.setRotation(2);
  tft.fillScreen(ST77XX_BLACK);
  tft.setTextColor(ST77XX_WHITE);
  tft.setTextSize(2);
  tft.setCursor(10, 10);
  tft.println("USB Synth Ready");

  // 2. I2S初期化 (出力モード)
  I2S.setBCLK(I2S_BCLK);
  I2S.setDATA(I2S_DOUT);
  I2S.setBitsPerSample(16);
  
  // バッファサイズを小さく設定しないとレイテンシが発生しますが、
  // 初期テストでは安定性重視でデフォルトを使用します。
  if (!I2S.begin(SAMPLE_RATE)) {
    tft.println("I2S Init Failed!");
    while (1);
  }

  // 3. USB MIDI Host初期化
  // "Tools->USB Stack->Adafruit TinyUSB" が選択されていること
  USBHost.begin(0); // USB Controller 0 (RP2040 default)
  
  // MIDIコールバックの設定
  MidiHost.setNoteOnCallback(noteOn);
  MidiHost.setNoteOffCallback(noteOff);
  MidiHost.begin();
}

// --- メインループ (Core 0) ---
void loop() {
  // USBタスクの実行（必須）
  USBHost.task();
  MidiHost.read();
}

// --- MIDI ノートON コールバック ---
void noteOn(uint8_t channel, uint8_t pitch, uint8_t velocity) {
  if (velocity == 0) {
    noteOff(channel, pitch, velocity);
    return;
  }
  
  // MIDIノート番号から周波数へ変換
  // f = 440 * 2^((d - 69) / 12)
  currentFreq = 440.0 * pow(2.0, (pitch - 69.0) / 12.0);
  
  // 位相増分を計算 (2PI * freq / sample_rate)
  // ここでは簡易的に 0.0 - 1.0 の範囲で位相を管理します
  phaseIncrement = currentFreq / (float)SAMPLE_RATE;
  isNoteOn = true;

  // 画面更新 (デバッグ用)
  tft.fillScreen(ST77XX_BLACK);
  tft.setCursor(10, 50);
  tft.print("Note: ");
  tft.println(pitch);
  tft.print("Freq: ");
  tft.println(currentFreq);
}

// --- MIDI ノートOFF コールバック ---
void noteOff(uint8_t channel, uint8_t pitch, uint8_t velocity) {
  // 簡易実装: 最後に押されたキーのみ管理しているため、単純にOFFにする
  // 本格的にはボイスアサイン管理が必要です
  isNoteOn = false;
  
  tft.fillScreen(ST77XX_BLACK);
  tft.setCursor(10, 50);
  tft.println("Release");
}

// --- オーディオ処理 (Core 1) ---
// RP2040のデュアルコアを利用し、Core1をオーディオ生成専用に回します
void setup1() {
  // Core1用の初期化が必要ならここに記述
  delay(100); 
}

void loop1() {
  // オーディオサンプル生成ループ
  // I2Sバッファがいっぱいになるまで書き込み続けるとブロックされます
  
  // ノコギリ波の生成 (-32768 to 32767)
  int16_t sample = 0;

  if (isNoteOn) {
    // 位相を進める
    phase += phaseIncrement;
    if (phase >= 1.0) phase -= 1.0;

    // 0.0 - 1.0 を -32768 - 32767 に変換 (ノコギリ波)
    // 実際はエイリアシング対策が必要ですが、まずは簡易実装
    sample = (int16_t)((phase * 65535.0) - 32768.0);
  } else {
    sample = 0;
    phase = 0; // リセットするかは挙動による
  }

  // ステレオ出力 (左・右に同じデータを送る)
  // writeはブロッキング関数なので、DACの速度に合わせて待機します
  I2S.write(sample); // Left
  I2S.write(sample); // Right
}

実行結果＃１

C:\Users\mars\AppData\Local\Temp.arduinoIDE-unsaved202605-25548-rsalr.vk5v6\sketch_jan5a\sketch_jan5a.ino:35:1: error: ‘Adafruit_USBH_Midi’ does not name a type; did you mean ‘Adafruit_USBH_CDC’?
35 | Adafruit_USBH_Midi MidiHost;
| ^~~~ | Adafruit_USBH_CDC C:\Users\mars\AppData\Local\Temp.arduinoIDE-unsaved202605-25548-rsalr.vk5v6\sketch_jan5a\sketch_jan5a.ino: In function ‘void setup()’: C:\Users\mars\AppData\Local\Temp.arduinoIDE-unsaved202605-25548-rsalr.vk5v6\sketch_jan5a\sketch_jan5a.ino:55:6: error: expected unqualified-id before ‘.’ token 55 | I2S.setBCLK(I2S_BCLK); | ^ C:\Users\mars\AppData\Local\Temp.arduinoIDE-unsaved202605-25548-rsalr.vk5v6\sketch_jan5a\sketch_jan5a.ino:56:6: error: expected unqualified-id before ‘.’ token 56 | I2S.setDATA(I2S_DOUT); | ^ C:\Users\mars\AppData\Local\Temp.arduinoIDE-unsaved202605-25548-rsalr.vk5v6\sketch_jan5a\sketch_jan5a.ino:57:6: error: expected unqualified-id before ‘.’ token 57 | I2S.setBitsPerSample(16); | ^ C:\Users\mars\AppData\Local\Temp.arduinoIDE-unsaved202605-25548-rsalr.vk5v6\sketch_jan5a\sketch_jan5a.ino:61:11: error: expected primary-expression before ‘.’ token 61 | if (!I2S.begin(SAMPLE_RATE)) { | ^ C:\Users\mars\AppData\Local\Temp.arduinoIDE-unsaved202605-25548-rsalr.vk5v6\sketch_jan5a\sketch_jan5a.ino:68:3: error: ‘USBHost’ was not declared in this scope 68 | USBHost.begin(0); // USB Controller 0 (RP2040 default) | ^~~ C:\Users\mars\AppData\Local\Temp.arduinoIDE-unsaved202605-25548-rsalr.vk5v6\sketch_jan5a\sketch_jan5a.ino:71:3: error: ‘MidiHost’ was not declared in this scope 71 | MidiHost.setNoteOnCallback(noteOn); | ^~
C:\Users\mars\AppData\Local\Temp.arduinoIDE-unsaved202605-25548-rsalr.vk5v6\sketch_jan5a\sketch_jan5a.ino: In function ‘void loop()’:
C:\Users\mars\AppData\Local\Temp.arduinoIDE-unsaved202605-25548-rsalr.vk5v6\sketch_jan5a\sketch_jan5a.ino:79:3: error: ‘USBHost’ was not declared in this scope
79 | USBHost.task();
| ^~~
C:\Users\mars\AppData\Local\Temp.arduinoIDE-unsaved202605-25548-rsalr.vk5v6\sketch_jan5a\sketch_jan5a.ino:80:3: error: ‘MidiHost’ was not declared in this scope
80 | MidiHost.read();
| ^~~~
C:\Users\mars\AppData\Local\Temp.arduinoIDE-unsaved202605-25548-rsalr.vk5v6\sketch_jan5a\sketch_jan5a.ino: In function ‘void loop1()’:
C:\Users\mars\AppData\Local\Temp.arduinoIDE-unsaved202605-25548-rsalr.vk5v6\sketch_jan5a\sketch_jan5a.ino:148:6: error: expected unqualified-id before ‘.’ token
148 | I2S.write(sample); // Left
| ^
C:\Users\mars\AppData\Local\Temp.arduinoIDE-unsaved202605-25548-rsalr.vk5v6\sketch_jan5a\sketch_jan5a.ino:149:6: error: expected unqualified-id before ‘.’ token
149 | I2S.write(sample); // Right
| ^
exit status 1

Compilation error: ‘Adafruit_USBH_Midi’ does not name a type; did you mean ‘Adafruit_USBH_CDC’?

実行結果をLLMへ報告して得た回答

エラーログの共有ありがとうございます。原因は主に2点あります。

I2Sライブラリの使い方の齟齬: RP2040（Earle Philhower版コア）のI2Sライブラリは、I2Sという「クラス」を提供するだけなので、実体（インスタンス）を作成してから使う必要がありました（私の前回のコードでは、クラスを直接操作しようとしてエラーになっています）。
USBホスト定義の不足: USBHost や Adafruit_USBH_Midi が認識されていないのは、オブジェクトの生成漏れ、またはIDEの「USB Stack」設定が適用されていない可能性があります。

これらのエラーを修正し、コンパイルが通るように修正したコード（v1.0.2）を作成しました。

修正前の重要確認事項

コードを書き込む前に、Arduino IDEのメニューで以下の設定が確実に行われているか再確認してください。これが間違っていると、コードが正しくても同じエラー（Adafruit_USBH_Midi does not name a type）が出ます。

ライブラリマネージャで “Adafruit TinyUSB Library” がインストールされていること。

Tools (ツール) > USB Stack メニューで、“Adafruit TinyUSB” を選択していること。（デフォルトの “Pico SDK USB” では動きません）

修正版回答のコード

// code_name: pico_usb_synth_fixed.ino
// version: 1.0.2
// description: Fixed I2S instantiation and USB Host objects for RP2040

#include <Arduino.h>
#include <Adafruit_TinyUSB.h>
#include <Adafruit_GFX.h>
#include <Adafruit_ST7789.h>
#include <SPI.h>
#include <I2S.h>

// --- 設定: ディスプレイ (ST7789) ---
#define TFT_CS        17
#define TFT_RST       20
#define TFT_DC        16
#define TFT_MOSI      19
#define TFT_SCLK      18

// 画面解像度
Adafruit_ST7789 tft = Adafruit_ST7789(TFT_CS, TFT_DC, TFT_MOSI, TFT_SCLK, TFT_RST);

// --- 設定: オーディオ (I2S PCM5102A) ---
// I2Sクラスのインスタンスを作成 (OUTPUTモード)
// これがないと "expected unqualified-id before '.' token" エラーになります
I2S i2s(OUTPUT); 

const int I2S_BCLK_PIN = 26;
const int I2S_LRCK_PIN = 27;
const int I2S_DOUT_PIN = 28;
const int SAMPLE_RATE = 44100;

// --- シンセサイザー変数 ---
volatile float currentFreq = 0.0;
volatile bool isNoteOn = false;
float phase = 0.0;
float phaseIncrement = 0.0;

// --- USB MIDI Host オブジェクト ---
// USBHostオブジェクトとMidiHostオブジェクトを明示的に作成します
Adafruit_USBH_Host USBHost;
Adafruit_USBH_Midi MidiHost;

// --- 関数プロトタイプ ---
void noteOn(uint8_t channel, uint8_t pitch, uint8_t velocity);
void noteOff(uint8_t channel, uint8_t pitch, uint8_t velocity);

// --- セットアップ (Core 0) ---
void setup() {
  Serial.begin(115200);

  // 1. LCD初期化
  tft.init(240, 240);
  tft.setRotation(2);
  tft.fillScreen(ST77XX_BLACK);
  tft.setTextColor(ST77XX_WHITE);
  tft.setTextSize(2);
  tft.setCursor(10, 10);
  tft.println("USB Synth v1.0.2");

  // 2. I2S初期化
  // クラス(I2S)ではなく、インスタンス(i2s)を使います
  i2s.setBCLK(I2S_BCLK_PIN);
  i2s.setDATA(I2S_DOUT_PIN);
  i2s.setBitsPerSample(16);
  
  if (!i2s.begin(SAMPLE_RATE)) {
    tft.println("I2S Init Failed!");
    while (1);
  }

  // 3. USB MIDI Host初期化
  USBHost.begin(0);
  
  MidiHost.setNoteOnCallback(noteOn);
  MidiHost.setNoteOffCallback(noteOff);
  MidiHost.begin();
}

// --- メインループ (Core 0) ---
void loop() {
  USBHost.task();
  MidiHost.read();
}

// --- MIDI ノートON ---
void noteOn(uint8_t channel, uint8_t pitch, uint8_t velocity) {
  if (velocity == 0) {
    noteOff(channel, pitch, velocity);
    return;
  }
  
  currentFreq = 440.0 * pow(2.0, (pitch - 69.0) / 12.0);
  phaseIncrement = currentFreq / (float)SAMPLE_RATE;
  isNoteOn = true;

  tft.fillScreen(ST77XX_BLACK);
  tft.setCursor(10, 50);
  tft.print("Note: ");
  tft.println(pitch);
  tft.print("Freq: ");
  tft.println(currentFreq);
}

// --- MIDI ノートOFF ---
void noteOff(uint8_t channel, uint8_t pitch, uint8_t velocity) {
  isNoteOn = false;
  tft.fillScreen(ST77XX_BLACK);
  tft.setCursor(10, 50);
  tft.println("Release");
}

// --- オーディオ処理 (Core 1) ---
void setup1() {
  delay(100); 
}

void loop1() {
  int16_t sample = 0;

  if (isNoteOn) {
    phase += phaseIncrement;
    if (phase >= 1.0) phase -= 1.0;
    sample = (int16_t)((phase * 65535.0) - 32768.0);
  } else {
    sample = 0;
    phase = 0;
  }

  // writeもインスタンス(i2s)経由で呼び出します
  i2s.write(sample);
  i2s.write(sample);
}

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