内蔵DACによるWAV再生
2024.01.07
YouTube でも紹介しています。画像をクリックすると再生できます。
今回は、マイコン内蔵8ビットDACによるWAV音源再生を行います。
まずはWAV音源を用意しましょう。
AudacityなどでMP3ファイルを読み込んでWAVファイルに変換します。
ここでは、後述の説明のためにステレオ16ビットのWAVファイルで書き出ししています。
再生のみを目的とする場合は、モノラル符号なし8ビットWAVファイルを指定して書き出してください。
次にテスト環境を構築します。ESP32系のマイコンボードを使用していますが、Arduino UNOなどを使う場合には、WAV音源のサンプリング周波数を下げたほうがよいかもしれません。
●Adafruit QT Py ESP32-S2 WiFi Dev Board with STEMMA QT
・ESP32-S2 240MHz
・4 MB Flash & 2 MB PSRAM
・2.4 GHz Wi-Fi (SoC)
・Two I2C ports
・Hardware UART
・Hardware SPI
・Hardware I2S on any pins
・3.3V regulator with 600mA peak output
Adafruit QT Py ESP32-S2
microSDカードモジュールとの配線は下記の通りです。
| microSD | - | ESP32-S2 | - | SPEAKER |
| | - | A0 | - | speaker(+) |
| CS | - | A3 | | |
| SCK | - | SCK | | |
| MISO | - | MISO | | |
| MOSI | - | MOSI | | |
| Vin | - | 3.3V | | |
| GND | - | GND | - | speaker(-) |
●AGPtEK R08 ポータブル FMラジオ MP3プレーヤー 録音/音楽再生機能付き
FMラジオ(日本向け受信周波数：76－108 MHz)/MP3プレーヤー(64GBマイクロSDカード対応)/録音機/スピーカー。
本体寸法：約（幅）103×（高さ）62×（奥行）23mm。amazon 2246円
本体側面には、3.7Vリチウムイオン電池800mAh充電用のミニUSB、φ3.5mm外部音声入力ジャック、イヤホン、音量ダイヤルを装備。
外部入力端子付きラジオをスピーカーとして使いました。
ESP32のDAC端子からの出力をそのままスピーカーに入力してもノイズが多く音もはっきりしません。
そこで、DAC端子とスピーカーの外部入力端子の間に下記の回路を挟み込みます。
8086ベースのPC エミュレータ(FabGL)用モジュールとして公開されている回路の一部です。
ESP32 Display Controller and Graphics Library
秋月電子で販売している両面TH丸型ユニバーサル基板（ペットボトル基板）27mm に配線しました。
これを1つ作っておくとなにかと便利です。
これらを繋ぎ合わせると下記のようになります。
●プログラム概要
WAVファイルのヘッダー情報を解析します。
サンプリング周波数44.1KHz、16ビット・ステレオの場合を表示しています。
サンプリング周波数から再生する音の間隔を算出します。
DAC端子からのアナログ出力と休止を繰り返します。
ここではある程度纏まった単位でデータを読み込んでいます。
ステレオ16ビットWAV音源では1データの最小単位は左右合わせて4バイトですが、
この単位で頻繁に読み込みを行うと処理への負荷が高まり、音の再生が安定しません。
16ビット・ステレオデータは符号付き2バイト整数値で左→右→左→右のように格納されています。
さらにこの2バイトデータは下位バイト・上位バイトの並びで格納されているので、並び替えて変数に格納します。
ここでは左右の音のうち右のみを抜き出してモノラル音源にしています。
データは符号付き整数値(-32,768～32,767)なので、これを符号なし整数(0～65,535)側にシフトさせます。
続いて。内蔵8bit DACを使用するので、8ビットシフトさせて1バイト整数値にします。
※ちなみに8ビットWAV音源の場合は予め符号無し整数(0～255)としてWAVファイルに格納されています。
●開発環境
ラズベリーパイを繋いでソースコードをビルドします。
ソースコードのビルドには、PlatformIOを使用しています。
Arduino開発環境構築 PlatformIO
●Stereo 16bit → Monoral 8bit 再生
それでは8bit DAC による演奏です。
暮れてゆく空は
アーティスト： 遊佐未森
アルバム： ハルモニオデオン
リリース： 1989年
下記の演奏は、DAC端子を外部入力端子(LINE IN)に接続、再生すると同時に録音ボタンを押して、microSDカードに保存したデータです。
暮れてゆく空は - 遊佐未森
8bit という貧相なDACを備えた安価なマイコンでもそこそこ聴けます。
●音質変換
この部分では16ビット・モノラル音源を8ビット右にシフトさせて、8ビット・モノラル音源に変換しています。
これは、16ビットモノラル音源の(0～255)の範囲の数値を1纏めにして8ビット・モノラル音源の0に、(256～511)は１にしてしまっています。
ある意味、正比例の関係にあるわけですが、この関係性をちょっと変更するような数式を考えてみるのも面白いかもしれません。
ソースコードのこの個所を書き換えてみてください。
uint8_t WavTools::mono16to8(unsigned short mono) {
return mono>>8;
}
ただし、ここで数学関数などを用いると処理が重くESP32程度の処理能力では再生速度への影響とノイズの原因になってしまいます。
●ソースコード
Stereo 16bit → Monoral 8bit
●補足：STEMMA QT/Qwiic互換 AD5693R搭載I2C接続16bit DAC基板
オーディオ用途ではない通常の16bit DACに、16bitモノラルWAV音源を流し込んでみました。
ノイズが入らなければ良い音のようなのですが、次の音がでるまので待ち時間が長すぎて使えませんでした。
・D/Aコンバータ：アナログデバイセズ AD5693R
・分解能：16 bit
・INL: 最大±2 LSB
・出力振幅：2.5 Vまたは5 V
・3.3 V駆動時は2.5 Vのみ
・I2C通信速度：最大400 kHz／最大3.4 Mbps
・I2Cアドレス：0x4C（既定値）／0x4E
・アナログ電圧出力端子：2P端子台またはピンヘッダ
・動作温度範囲：-40～105°C
・電源電圧：3.3 Vまたは5 V
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