Bf-034

PCB-MBUS-AquesTalk-pico-LSI

M5Stack用 AquesTalk pico LSIモジュール基板

M-BUS Module of AquesTalk pico LSI for M5Stack

1. 概要

　市販の音声合成専用LSI「AquesTalk pico LSI」（別売）をM-BUSモジュールとしてM5Stackに取り付けるための半完成基板です。
　AquesTalk pico LSIの詳細は、データシートを参照ください。
Data Sheet: 音声合成 LSI 「AquesTalk pico LSI」ATP3011
Data Sheet: 音声合成 LSI 「AquesTalk pico LSI」ATP3012

基板V04の変更点

　2022年10月末から基板V04を提供しています。詳細は、スピーカーの接続の項を参照ください。

• ハンダジャンパJP8, JP9を追加しました。
• ランドJ5を追加しました。

委託販売

（スイッチサイエンス扱い）M5Stack用 AquesTalk pico LSI モジュール基板

動作例

（YouTube）"AquesTalk pico LSI" speaks date and time
（YouTube）M-Bus Module of AquesTalk pico LSI drives the built-in speaker of M5Stack
（YouTube）M-Bus Module of AquesTalk pico LSI for M5Stack
（YouTube）M-Bus Module of AquesTalk pico LSI for M5Stack on Core2

組み立て例

　組み立てにはハンダ付けが必要です。

左側: ATP3011を搭載、音声アナログ信号をGPIO35に入力するためJP5をショート
右側: ATP3012を搭載、音声アナログ信号をGPIO35に入力するためJP6をショート

写真右: M5Stack 取り付け例、J4に外部スピーカを接続

1.1 特徴

• AquesTalk pico LSI（28ピンDIPタイプ）1個を搭載できます。
• ATP3011, ATP3012の両方に対応しています。
• パワーアンプ（LM4871）を内蔵し、スピーカーを直接駆動できます。
• AquestTalk pico LSIを3.3Vで動作させ、M-BUSに直結できます。
• プロトモジュールのモールド（別売）を流用し、M5Stackに取り付けできます。
• スピーカー以外のケーブル接続が不要です。
• DIP スイッチで動作モード・通信モードを設定できます。
• インタフェースをI2C, UART, SPIから選べます。
• AquesTalk pico LSIの音声出力をM-BUSから取り込めます。
• M5StackのリセットでAquesTalk pico LSIをリセットします。
• スタンドアロンモードのためのランドがあります。

DIP: Dual In-line Package
I2C: Inte-Integrated Circuit
UART: Universal Asynchronous Receiver Transmitter
SPI: Serial Peripheral Interface

1.2 商品内容

• M-BUS モジュール基板（半完成品）1枚
• スピーカーケーブル 1組（2ピンPH相当コネクタ付き、20cm片端ストリップ済）
  （秋月電子通商扱い）コネクタ付コード２Ｐ（Ａ）（赤白）DG01032-0045-01(C5679)
• 説明書 1部

※ AquesTalk pico LSIは付属しません。
※ プロトモジュールのモールドは付属しません。
※ スピーカーは付属しません。

商品写真

写真左: 内容物(基板V4)、写真右: 基板V4裏面

1.3 別途必要なもの

• AquesTalk pico LSI（秋月電子通商扱い）
  音声合成ＬＳＩ　ＡＴＰ３０１１Ｆ１－ＰＵ（ゆっくりな女性の音声） ATP3011F1-PU
  音声合成ＬＳＩ　ＡＴＰ３０１１Ｆ４－ＰＵ（かわいい女性の音声） ATP3011F4-PU
  音声合成ＬＳＩ　ＡＴＰ３０１１Ｍ６－ＰＵ（男性の音声） ATP3011M6-PU
  音声合成ＬＳＩ　ＡＴＰ３０１２Ｆ６－ＰＵ（女性の音声明瞭版） ATP3012F6-PU
  音声合成ＬＳＩ　ＡＴＰ３０１２Ｒ５－ＰＵ（小型ロボットの音声） ATP3012R5-PU
• プロトモジュール
  （スイッチサイエンス扱い）M5Stack用プロトモジュール
• スピーカー
  4～8Ω程度、1W以上が望ましいです。
• 工具
  ハンダ、ハンダごて、ニッパー、六角レンチ(1.5mm)、カッター、ピンセットなど
• M5Stack
  サンプルプログラムは、主にM5Stack Core Basicで動作を確認しています。
• Arudino-IDEが動作する環境

2. モジュール基板の組み立て

2.1 AquesTalk pico LSI の取り付け

　別売のAquestTalk pico LSI（28ピンDIPタイプ）1個を取り付けます。ATP3011とATP3012とでは挿入する穴が異なります。基板上のシルク印刷に従ってピンを挿入しハンダ付けします。モジュール基板裏面から飛び出しているピンを短く切ってください。

左: ATP3011, 右: ATP3012

ICソケットは使用できません

　ICソケットを使用すると、プロトモジュールのモールドには収まらなくなります。収まらなくなることを承知の上で1列タイプのICソケットを使用するとATP3011とATP3012を差し換えることができます。モジュール基板裏面からのピンの飛び出しの対処も大変になります。

• ICソケット（秋月電子通商扱い）
  丸ピンＩＣ用ソケット　（シングル１４Ｐ）　１×１４　 6604S-14
  丸ピンＩＣ用ソケット　（シングル１４Ｐ）　１×１４　 JS-11791SFTD-14 ※在庫限り

2.2 モールドの取り付け

　プロトモジュールのモールドおよびネジ4本（別売）を流用して、M5StackのM-BUSモジュールに仕立てることができます。モールドを基板に取り付ける前に、ボリュームやスピーカー出力コネクタの部分をモールドから切り取ります。

モールドの入手先（スイッチサイエンス扱い）

• M5Stackプロトモジュール用プラスチックフレーム（2個入）
• M5Stack用プロトモジュール [M001]

2.3 スピーカーの接続

• 付属のケーブルでJ4とスピーカー（付属せず）を接続します。GNDには接続しないでください。
• （基板V4）J5にスピーカーを接続することができます。GNDには接続しないでください。
• （基板V4）M5Stack(Core1)の内蔵スピーカーを使用できます。ATP3011の場合はJP8を、ATP3012の場合はJP9をショートしてください。M5Stack本体からGPIO25を使用しないでください。Core2は内蔵スピーカーの回路構成が異なるため、この方法は使えません。

左側: ATP3011を搭載、GPIO25, 35に接続するためJP8, JP5をショート(基板V4)
右側: ATP3012を搭載、GPIO35に接続するためJP6をショート、J5にスピーカを接続(基板V4)

参考：写真のスピーカーは以下を両面テープで固定しています。ATP3012の場合かろうじて収まります。上に重ねるモジュールやボトムによっては収まりません。
（秋月電子通商扱い）
マイクロスピーカー　赤／黒リード付　８Ω
マイクロスピーカー　青／白リード付　８Ω

M5Stackの内蔵スピーカーについて

　M-BUSのGPIO25は、M5Stack内部のオーディオアンプを通して内蔵スピーカーに繋がっています。AquesTalk pico LSIからの音声出力をGPIO25に入力すれば、内蔵スピーカーから音声を出すことができます。ボリューム(VR)の出力を用いることで音量調節が可能です。以下の写真は、ATP3011を載せたモジュールにおいてGPIO25とボリューム出力を導線で接続した例です。ATP3012の場合は、ボリューム出力は1つ左側のピンです。基板V4のJP8, JP9はこれらの導線を埋め込んだものです。M5Stack自身がGPIO25を使わないことが前提です。Core2は内蔵スピーカーの回路構成が異なるため、この方法は使えません。

VR: Variable Resistor

2.4 その他の端子

• J2は、ICSPです。コネクタ等は実装していません。使用にはピンヘッダをハンダ付けするなどの処置が必要です。ICSPのVCCはAquesTalk pico LSIの電源端子に繋がっているほか、M-BUSの3.3Vにも繋がっています。ICSPは、モジュール基板をM5Stackから切り離し、単体にして接続してください。
  ICSP: In Circuit Serial Programming

• J3は、スタンドアロンモードで使用するPC0-3およびGNDの端子です。コネクタ等は実装していません。使用には信号ケーブルを直接ハンダ付けするなどの処置が必要です。

スタンドアロン接続例

　M5Stack用 AquesTalk pico LSIモジュールをM-Busエクステンションに載せ、ダイオードマトリクススイッチ16基板を接続しています。M5Stackの電源とリセットを使用しています。
（スイッチサイエンス扱い）M-Busエクステンション基板キット
（スイッチサイエンス扱い）ダイオードマトリクススイッチ16基板

3. モジュールの設定

3.1 DIPスイッチによる動作モード・通信モードの設定

　動作モードおよび使用するインタフェース（通信モード）に合わせて、モジュール基板上のDIPスイッチを設定します。設定にはピンセットなどが必要です。おすすめはI2C接続です。出荷時の設定は、セーフモード・I2C接続です。DIPスイッチの設定はリセット時に反映されます。AquesTalk pico LSIのリセットはM5Stackのリセットに繋がっています。

※ 1, 2, 3, 4は、DIPスイッチの番号。DIPスイッチはON=GNDのため、ON=0, OFF=1です。
(*1) ATP3011の場合、SLEEP解除後の'?'送信で自動設定します。ATP3012の場合EEPROMに設定します。

3.2 ハンダジャンパによる信号の接続

　モジュール基板裏面のジャンパJP1-JP9をハンダで短絡（クローズ）することにより、GPIOとAquesTalk pico LSIの信号ピンを接続できます。

JP1, JP2, JP3: インタフェース信号

　使用するインタフェースに合わせてJP1, JP2, JP3をハンダで短絡（クローズ）します。I2Cの場合はJP1, JP2, JP3を全てオープンのままで使用できます。他の用途に影響がなければJP1, JP2, JP3を短絡（クローズ）することで全てのインタフェースを使用可能です。出荷時はオープンです。

SDA: Serial DAta
SCL: Serial CLock
RX: Receive
TX: Transmit
MISO: Master In Slave Out
MOSI: Master Out Slave In
SCK: Serial ClocK
SS: Slave Select

JP4: SLEEP 信号

　AquesTalk pico LSIのSLEEPピンをGPIO13(Core2ではGPIO19)に接続できます。SLEEP=LowでAquesTalk pico LSIがスリープ状態になります。ATP3011のUART接続において9600bpsより速い速度が必要な場合、「セーフモード」ではなく「コマンド入力モード」に設定し、速度設定のためにSLEEPを使用します。出荷時はオープンです。

JP5, JP6: 音声信号の取り込み

　AquesTalk pico LSIの音声出力をGPIO35経由でM5Stackに取り込むことができます。ATP3011の場合はJP5を、ATP3012の場合はJP6をハンダで短絡（クローズ）します。出荷時はオープンです。

JP7: パワーアンプのシャットダウン

　JP7がクローズ（短絡）の場合、パワーアンプのシャットダウン（SD: Shut Down）信号をGNDに接続しパワーアンプを常に動作状態とします。JP7のハンダを取り除く（オープン）にすると、AquesTalk pico LSIのPLAY信号（負極性）がシャットダウン信号となり、パワーアンプの消費電力を減らすことができます。この設定では音声再生の前後でノイズが発生します。出荷時はクローズ（短絡）です。

JP8, JP9（基板V4）: M5Stack(Core1)の内蔵スピーカーへの接続

　AquesTalk pico LSIの音声出力をボリューム調節後にGPIO25経由でM5Stack内蔵アンプ・スピーカーに接続することができます。ATP3011の場合はJP8を、ATP3012の場合はJP9をハンダで短絡（クローズ）します。出荷時はオープンです。

4. サンプルプログラム

　AquesTalk pico LSIをM5Stackに接続し、I2C(Wire), UART(Serial), SPIで動作させるプログラムです。デモの内容は同じです。Arduino-IDE環境で使用します。モジュール基板の設定を予め使用するインタフェースに合わせておく必要があります。

BF-034_Wireフォルダ

　AqeusTalk pico LSIをI2Cで動作させるサンプルプログラムです。

BF-034_Serialフォルダ

　AqeusTalk pico LSIをUARTで動作させるサンプルプログラムです。

BF-034_Spiフォルダ

　AqeusTalk pico LSIをSPIで動作させるサンプルプログラムです。

BF-034_Core2_Wireフォルダ

　Core2にモジュールを装着して、AqeusTalk pico LSIをI2Cで動作させるサンプルプログラムです。M5Stack Core1との違いは以下です

• includeするヘッダーファイル
• WireのGPIOピン番号、SleepのGPIOピン番号

4.1 ボタン操作 .. loop()

　ボタンを押すと、ソースコードのpreset_msgを発声します。初期値はpreset_msg[0]です。

4.2 setup()

• SLEEP ピンをHighにする（デフォルト: 実行する）
  　JP4をクローズ（短絡）すると、GPIO13(Core2ではGPIO19)とAquesTalk pico LSIのSLEEPピンとが接続します。SLEEPをHIGHにしてSLEEPでない状態にします。

• UARTスピードを設定（ATP3011が対象。UARTのみ。デフォルト: 実行しない）
  　AquesTalk pico LSI (ATP3011) のUARTスピードを設定します。GPIO13(Core2ではGPIO19)がAquesTalk pico LSIのSLEEPピンと接続している必要があります。

• UARTスピードを書き換え（ATP3012が対象。UARTのみ。デフォルト: 実行しない）
  　AquesTalk pico LSI (ATP3012) のUARTスピードを書き換えます。

• I2Cアドレスを書き換え（I2Cのみ。デフォルト: 実行しない）
  　AquesTalk pico LSIのI2Cアドレスを書き換えます。

• プリセットメッセージを書き込む（デフォルト: 実行しない）
  　AquesTalk pico LSIにプリセットメッセージとして、ソースコード内のpreset_msgデータを書き込みます。時間がかかります。

• EEPROMデータをダンプ（デフォルト: 実行しない）
  　AquesTalk pico LSIのEEPROMデータをシリアルモニタに表示します。時間がかかります。

• AquesTalk pico LSIのバージョンをシリアルモニタに表示

• チャイムJを発声

• チャイムKを発声

5. ライブラリ

　AquesTalk pico LSIを使用するためのライブラリです。

5.1 BF_AquesTalkPico.h

　I2C, UART, SPI共通の基本クラスです。接続するインタフェースに依ってI2C(Wire), UART(Serial), SPIのいずれかの派生クラスを使用する必要があります。

(1) virtual int Send(const char* msg) = 0

　AquesTalk pico LSIに文字列msgを送信します。送信の様子をシリアルモニタに出力します。純粋仮想関数として定義し、使用するインタフェースに合わせて派生クラスで実装します。

(2) virtual size_t Recv(char* res, size_t res_size) = 0

　AquesTalk pico LSIから文字列を受信します。受信完了は、'>'または'*'で判断します。純粋仮想関数として定義し、使用するインタフェースに合わせて派生クラスで実装します。

(3) virtual bool Busy() = 0

　発声中などAquesTalk pico LSIが処理中の場合trueを応答します。falseの場合発声が終了したと判断できます。純粋仮想関数として定義し、使用するインタフェースに合わせて派生クラスで実装します。I2C, SPIではおのずとポーリングができますが、UARTではSend()による明示的なポーリングが必要です。

(4) int ShowRes(int res_length_to_show = 1)

　AquesTalk pico LSIからの応答をシリアルモニタに出力します。res_length_to_showに2を渡すと、応答が1文字以下の場合にシリアルモニタへの出力を抑止できます。I2C、SPIのポーリングによる応答が正常（'>', 1文字）の場合のシリアルモニタへの出力を省略できます。

(5) int DumpEeprom()

　AquesTalk pico LSIのEEPROM (アドレス0x000-0x3FF) の値をシリアルモニタに出力します。

(6) int WriteEeprom(int address, int data)

　AquesTalk pico LSIのEEPROMにデータを書き込みます。

(7) int WritePresetMsg(const char* msg[], int num_of_msg)

　AquesTalk pico LSIのEEPROMにプリセットメッセージを書き込みます。書き込みの様子をシリアルモニタに出力します。

(8) int WriteSpeed(int speed)

　発話速度をEEPROMに設定します。50～300を設定できます。デフォルトは100です。

(9) int WritePause(int pause)

　文末ポーズの長さをEEPROMに設定します。256～65535を設定できます。65535を設定すると自動になります。デフォルトは65535です。

(10) int WriteSerialSpeed(int serial_speed)

　AquesTalk pico LSI (ATP3012) のシリアル通信速度を書き換えます。デフォルトは9600です。

(11) int WriteI2cAddress(int i2c_address)

　AquesTalk pico LSIのI2Cアドレスを書き換えます。デフォルトは0x2Eです。

5.2 BF_AquesTalkPicoWire.h

　AquesTalk pico LSIとI2Cでインタフェースする派生クラスです。

int Begin(TwoWire &wire, int i2c_address = 0x2e);

　AquesTalk pico LSIを接続するI2CとI2Cアドレスを指定します。

5.3 BF_AquesTalkPicoSerial.h

　AquesTalk pico LSIとUARTでインタフェースする派生クラスです。

int Begin(Stream &stream);

　AquesTalk pico LSIを接続するUARTを指定します。

5.4 BF_AquesTalkPicoSpi.h

　AquesTalk pico LSIとSPIでインタフェースする派生クラスです。

int Begin(SPIClass &spi, int ss);

　AquesTalk pico LSIを接続するSPIとSSとして使用するGPIOを指定します。

6. BF-034_Clockフォルダ

　M5StackのLCDに日付・時刻を表示する置時計のデモです。

• リセット後はsetupの状況を表示します。setupが完了しボタンCを押すと時計表示になります。
• ボタンBで日付を音声で読み上げます。ボタンCで時刻を音声で読み上げます。

ご注意

　WiFi動作中に発声すると電圧低下を検出してリブートすることがあります。

参考情報

• Qiita: ESP32のWiFiおよびtzapu/WiFiManagerにおいて回復処理を試行錯誤した
• Qiita: ESP32 において NTP の時刻同期を捕まえて RTC を更新する
• Qiita: M5Atom, M5Stack Core 用の I2C リアルタイムクロック基板を作って動かす

7. 参考

• Qiita: AquesTalk pico LSI を M5Stack の I2C, UART, SPI で動かす