ArduinoでDAWからBPMを取得する

はじめに

「ぼくがかんがえたさいきょうの MIDI コントローラー」を作る過程で副産物が少しばかり生まれたので、可能な範囲で書き起こします。諸々の前提知識をすっ飛ばしますのでご了承ください。

ソースコードは GitHub にも載せています。

https://github.com/aSumo-1xts/MIDI-HARD/tree/main/Arduino/Clock-and-BPM

環境

Windows 11
Arduino IDE 2.3.3
Ableton Live 12 Suite

背景と目的

Arduino で Ableton Live から BPM を取得したいです。適当に検索をかけると Arduino 側を MIDI クロックジェネレータとして運用する方法が多くヒットしますが、実際の演奏場面を考えるとクロックの主導権は Live 側に握らせた方が安心です。

DAW によっては MIDI タイムコードという内部データ的なものを吐き出してくれるんですが、Ableton Live は公式のヘルプページ曰く

MIDI タイムコード（MTC）の出力： Live は受信する MIDI タイムコードと同期することができますが、Live だけでは、MIDI タイムコードを送信することができません。ただし、 MIDI タイムコードを出力する Max のデバイスを利用することができます（Max Runtime が必要です）。

とのことなので、タイムコードは諦めて

Live から同期クロックを出力
Arduino で受信して BPM に変換

の方向性で行くことにしました。

もっとも Push シリーズは普通に BPM の読み書きが可能なので、タイムコードの機能自体は備わっていて我々に解放されていないだけなんじゃないかと疑っていますが…

スケッチ

実はMIDIUSB ライブラリのexampleディレクトリに、本記事と全く同じ目的で書かれたMIDIUSB_clock.inoなるスケッチが存在します。これを下敷きにしつつ、フォーラムなども参考にしました。

ベーシック ver

コメントアウトを出鱈目に英語で書いてしまったのでアレですが、大体の流れは以下の通りです。

DAW からは 1/24 拍の間隔でクロックが送られてくる
これをカウントしておいて、24 クロックになったら 1 拍として記録
BPM に換算（カウントはリセット）

特にgetSerialMIDI関数の0xF8なる定数、こいつが構造体midiEventPacket_tの先頭として飛び込んできたら「クロックが来たぞ！」の合図になるようです。

ほとんど同じ仕組みで、MIDIUSB ライブラリじゃなくControl Surface ライブラリを使って書くこともできました。Control Surface はめちゃくちゃ便利な神ライブラリです。

getBPM-MIDIUSB.inogetBPM-Control_Surface.ino

cpp

#include <MIDIUSB.h>


void getSerialMIDI(int16_t *vals) {
    int16_t kago[3] = {-1, -1, -1};
    midiEventPacket_t rx;       // Open the mailbox. If empty, header=0.

    do {                        // Retrieve received letters and store them in kago.
        rx = MidiUSB.read();
        if (rx.header != 0) {
            kago[0] = rx.byte1; // read command byte
            kago[1] = rx.byte2; // read next byte
            kago[2] = rx.byte3; // read final byte
        }
    } while (rx.header != 0);   // Repeat until mailbox is empty.

    for (uint8_t i=0; i<3; i++) {
        vals[i] = kago[i];
    }
}


uint16_t    BPM       = 0;  //!< global BPM
uint8_t     ppqn      = 0;  //!< 24 Pulses Per Quarter Note
uint32_t    startTime = 0;  //!< for Timer
void clock2BPM() {
    float   preBPM = 0;         // temporary BPM as a result of a single calculation
    int16_t MIDIvals[3];        // means kago

    getSerialMIDI(MIDIvals);    // Bring the letters from the mailbox into the living room.

    if (MIDIvals[0] == 0xF8) {  // System Realtime Message about Clock.
        if (ppqn == 0) {                        // the first Clock
            startTime = micros();               // start Timer
        }
        ppqn++;                                 // count up Clock

        if (ppqn > 24) {                        // 24 Clocks = 1 bar
            preBPM  = 6.0e+07 / float(micros() - startTime);    // stop Timer, calculate BPM
            if(20 <= preBPM && preBPM <= 999) {                 // adopt if reasonable
                BPM = round(preBPM);
            }
            Serial.println(BPM);                // or just "Serial.println(preBPM)"
            ppqn = 0;                           // reset Clock
        }
    }
}


//! @brief setup function
void setup() {
    Serial.begin(115200);
}


//! @brief loop function
void loop() {
    clock2BPM();
}

cpp

#include <Control_Surface.h>
USBMIDI_Interface midi_usb;


uint16_t  BPM       = 0;  //!< global BPM
uint8_t   ppqn      = 0;  //!< 24 Pulses Per Quarter Note
uint32_t  startTime = 0;  //!< for Timer
bool realTimeMessageCallback(RealTimeMessage rt) {
    float preBPM = 0;                   // temporary BPM as a result of a single calculation

    if (ppqn == 0) {                    // the first Clock
        startTime = micros();           // start Timer
    }
    ppqn++;                             // count up Clock

    if (ppqn > 24) {                    // 24 Clocks = 1 bar
        preBPM  = 6.0e+07 / float(micros() - startTime);    // stop Timer, calculate BPM
        if(20 <= preBPM && preBPM <= 999) {                 // adopt if reasonable
            BPM = round(preBPM);
        }
        Serial.println(BPM);            // or just "Serial.println(preBPM)"
        ppqn = 0;                       // reset Clock
    }

    return true;
}


//! @brief setup function
void setup() {
    Control_Surface.begin();
    Control_Surface.setMIDIInputCallbacks(nullptr, nullptr, nullptr, realTimeMessageCallback);
}


//! @brief loop function
void loop() {
    Control_Surface.loop();
}

Control Surface 版は動作の最中に Arduino IDE のシリアルモニタを開閉すると何故か停止しますが、実際の使用状況ではそもそも IDE を開かないのでヨシ！としています。とは言えあまり健全ではないので、ゆるゆると原因調査中です。

結果

Live の再生ボタンを押して BPM=120 のクロックを読み込ませたところ、とりあえず BPM を教えてくれました（利用するライブラリに関わらず同様です）。しかしながら、BPM=120 のはずなのに値がかなりブレブレです。このあと BPM=200 とかになるともっと酷いことになりました。

ベーシックver

誤差低減 ver

何とかならないかと思い、四捨五入やらローパスフィルタやら色々と試してみましたが結果はあまり芳しくなかったです（上、スクショ撮り忘れ）。ちなみに Live より Studio One の方がクロック精度は高いようで（下）、なぜなんだ～と思いつつ手を引くことにしました。

誤差低減ver

誤差低減ver（Studio One）

おわりに

あわよくば Arduino 側で 7 セグ LED を使って BPM を逐一表示～とか妄想してたんですが、こうも値がブレると演奏中には逆効果です。電源周りとかも含めてそれなりに色々試したんですが今のところ効果は無いので、何か改善案をお持ちの方がいたら是非お知らせください。今のままでも単純に LED を点滅させれば視覚的なメトロノームぐらいにはなるかな…

ArduinoでDAWからBPMを取得する ​

はじめに ​

環境 ​

背景と目的 ​

スケッチ ​

ベーシック ver ​

結果 ​

誤差低減 ver ​

おわりに ​