Teensy 4.1をモジュラーシンセ開発プラットフォームとして調査した

概要#

DigiKeyでUSB-PD ICのデバッグ用にNUCLEOボードを買おうとしたところ、送料を抑えるためにもう少し何か追加したくなった。そこからモジュラーシンセのデジタルモジュール開発に使えるものを探し始め、最終的にTeensy 4.1に辿り着いた。調べてみるとTeensy 4.1のEurorackエコシステムが予想以上に充実していたので、そのリサーチ結果のまとめ。

きっかけ: DigiKeyの送料問題#

自分はzudo-pdという自作USB-PD電源モジュール（モジュラーシンセ用）を開発している。PCBA v1のデバッグ中に、STUSB4500のNVMプログラミング用としてNUCLEO-F072RBボード（約2,200円）をDigiKeyで購入する必要があった。

DigiKeyは一定額以上で送料が安くなるので、あと約4,000円分何かを追加したい。せっかくならモジュラーシンセのデジタルモジュール開発に使えるものが良い。

最初の調査: Mutable Instruments方面#

まず思い浮かんだのはMutable Instrumentsのような既存モジュールのファームウェア書き換え。Mutable InstrumentsのモジュールはSTM32ベースなので、ファームウェアを書き換えるにはSWDプログラマーが必要。DigiKeyで売っているSTLINK-V3MINIE（約1,809円）が候補になった。

ただ、調べていくうちにNUCLEO-F072RB自体がSWDプログラマーとして使えることがわかった。CN2のジャンパーを外すだけでSTM32のSWDプログラマーになる。つまりSTLINK-V3MINIEを追加購入する必要がない。

プラットフォームの再考#

ここで少し立ち止まった。Mutable Instrumentsは素晴らしいモジュール群だが、設計としては「昔の話」になりつつある。今はもっとハイスペックなプラットフォームがある。

• Daisy Seed (STM32H750)
• Teensy 4.x (NXP i.MX RT1062)
• RP2040
• ESP32

ここで重要な発見があった。現代のプラットフォームはほとんどUSB経由でプログラミングできるため、外部プログラマーが不要。STM32時代のSWDプログラマーが必要という前提自体がもう古い。

Teensy 4.1に決定#

色々調べた結果、Teensy 4.1をDigiKeyで追加購入することに決めた。DigiKeyではSparkFun DEV-16771として販売されている。

スペックは以下の通り。

• プロセッサ: NXP i.MX RT1062, ARM Cortex-M7 @ 600MHz
• Flash: 8MB
• RAM: 1MB（512KB tightly coupled）
• PSRAM: 最大16MB追加可能（2スロット）
• SDカードスロット内蔵
• USB Host対応
• プログラミング: USB経由（Arduino IDE / PlatformIO）、外部プログラマー不要

600MHzのARM Cortex-M7が載っていて、USBケーブル1本でプログラミングできる。送料節約のための追加購入としては十分すぎるスペック。

ADCの注意点#

一つ注意点がある。Teensy 4.1のオンチップADCは、スペック上は12ビットだが実質10ビット程度の精度しかない。EurorackのCV入力では1V/octの精度が求められるので、オンチップADCだと精度が足りない。精密なCV入力には外部ADC（AD7606等）が必要になる。

これは後述するOrnament & Crimeプロジェクトでも外部16bit ADCを採用しているところを見ると、Teensy Eurorackコミュニティでは既知の問題の模様。

Teensy Eurorackエコシステムの調査#

Teensy 4.1を使ったEurorackモジュールの既存事例を調べてみた。かなり活発なエコシステムがあった。

キャリアボード / シールド#

Teensy単体ではEurorackの電圧レベル（+/-5Vや+/-10V）を扱えないので、キャリアボードやシールドが必要になる。

1010music Euroshield 1#

商用キャリアボード。2x audio in/out、MIDI、2ノブ、Teensy 3.x/4.x対応。

• 1010music Euroshield 1
• PJRCでの紹介記事

newdigate/teensy-eurorack#

オープンソースのキャリアボード。14 analog in / 16 analog out（16-bit）、6-in/8-out 24-bit audio。調べた中では最も高機能なオープンソースシールド。

• teensy-eurorack - ハードウェア
• teensy-eurorack-software - ソフトウェア
• eurorack-awesome - Eurorack DIYのキュレーションリスト

Fora888 Universal Teensy 4.0 Eurorack Shield#

オープンソース、軽量構成。2x 24-bit audio in/out。

• Universal Teensy 4.0 Eurorack Shield

Teensy 4 Audio Shield（PJRC公式）#

SGTL5000コーデックを載せた公式オーディオシールド。そのままだとライン/ヘッドフォンレベルなので、Eurorackの電圧レベルに対応するには追加回路が必要。

• Teensy 4 Audio Shield Rev D

商用モジュール#

TLM Audio O_C 4.1#

Ornament & CrimeのTeensy 4.1版。Phazerville Suite対応。8 CV out、8 CV in、4 trigger in、stereo audio。Paul Stoffregen（PJRC）が設計しているという点が注目。PJRCはTeensy自体のメーカーなので、リファレンスデザインとしての信頼性が高い。

• TLM Audio O_C 4.1
• ModularGrid

Deftaudio Teensy 4.1 8x14 1U MIDI and Audio Interface#

MIDIルーティングハブ + オーディオインターフェース。オープンソース。

• Tindie

オープンソースプロジェクト#

O_C T41#

Paul Stoffregen設計のOrnament & Crime Teensy 4.1リファレンスハードウェア。外部16bit ADC、DMA、PSRAM対応。

• O_C T41
• PJRCフォーラムのスレッド

Phazerville Suite#

O&Cの拡張ファームウェア。Quadrants（4アプリ同時実行）、バックグラウンドオーディオエンジンなど、オリジナルのO&Cを大幅に拡張している。

• Phazerville Suite
• Phazerville Firmware

squares-and-circles#

O&C向けの代替ファームウェア。ドラム/シンセ/エフェクトエンジンを搭載。

• squares-and-circles

ghostintranslation#

Teensy 4.0ベースのモジュールシリーズ。PSYC03、DS909、DS9、FM Synth、BYTEなど、多数のモジュールをオープンソースで公開している。MOTHERBOARDというプラットフォームで、MIDIベースのモジュール間通信を実現しているのが独自のアプローチ。

• PSYC03
• DS909

Triple Voice Wavetable Synthesizer#

Teensy 4.1で16MB PSRAMを使用し、2048のSerum互換ウェーブテーブルを搭載。PSRAMの実用例として参考になる。

• PJRCでの紹介

Cutlasses Instruments#

Glitch Delay、Audio Freeze、KhronoKrusher等のエフェクトモジュール。

• AudioFreeze
• PJRCでの紹介

usb_midi_clocker#

MIDIクロックジェネレーター＆USB-MIDIハブ。

• usb_midi_clocker

ライブラリ#

Teensy Audio Library（公式）#

ストリーミングオーディオツールキット。グラフィカルデザインツールでオーディオパスを設計できるのが特徴。

• Audio Library
• ドキュメント

DaisySP_Teensy#

Electro-Smith DaisySP DSPライブラリのTeensy移植版。Mutable Instrumentsのソースコード由来のDSPアルゴリズムも含まれている。

• DaisySP_Teensy

書籍#

Teensy MCUでEurorackモジュールを作るための包括的なガイドが出版されている。

• Sound and Music Projects for Eurorack and Beyond（Brent Edstrom, Oxford University Press, 2024）

調査してわかったこと#

調べてみて見えてきたことがいくつかある。

• Ornament & Crime（O&C）プラットフォームがTeensy 4.x Eurorackの事実上の標準になっている。O&Cベースのファームウェアが複数あって、どれもアクティブに開発されている
• オンチップADCの精度問題はコミュニティで広く認識されていて、CV入力の精度が必要なプロジェクトでは外部ADCが標準的な選択肢になっている
• PSRAM（最大16MB追加可能）の用途がかなり広い。グラニュラーシンセ、ロングディレイ、ウェーブテーブル保存など、メモリを大量に使うDSP処理に活用されている
• SDカードスロットもウェーブテーブル保存、パッチリコール、サンプル再生など実用的な用途が多い
• ghostintranslationのMOTHERBOARDプラットフォームのように、MIDI over USBでモジュール間通信するという独自のアプローチもある

まとめ#

DigiKeyの送料を節約するためにTeensy 4.1を追加購入しただけなのだが、調査してみるとTeensy 4.1のEurorackエコシステムはかなり充実していた。特にOrnament & Crimeプラットフォームとその派生ファームウェア群は、モジュラーシンセの「デジタルモジュール入門」として良い出発点になりそう。

リンク集は後で参照用として残しておく。将来的にデジタルモジュール開発に手を出す際のスタート地点ということで。