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I2S通信によるハイレゾ音源再生
2020.01.09 / 2020.07.12更新

YouTube 動画でポイントを説明しています。 画像をクリックすると再生できます。

今回は、ラズベリーパイからI2S接続により、デジタルオーディオ変換モジュール(DAC)と通信し、ハイレゾ音源を再生します。
I2S(Inter-IC Sound、アイ・スクウェアード・エス)は、4本のデジタル信号線でステレオ音声をシリアル伝送する規格です。

■PCM5101A I2S DAC

I2S [IIS] 入力DAC PCM5101A搭載32bit 384kHz DAC完成基板
再生に使用するDACは、NFJ製 PCM5101A I2S、Texas-Instruments製のBurrBrown(バーブラウン) PCM5101A DAC ICを搭載しています。
設定に関しては、このPCM5101Aを例に説明します。

■構成図


■配線
Raspberry Pi と DAC を結線します。

今回使用したディストリビューションは、Raspbian Stretch ですが、ここで紹介しているメディアプレイヤーの mplayer は CUI版ですので、Stretch Lite でも問題ありません。

■ドライバー設定

初期設定では、音声はHDMIから出力されるよう設定されているので、DACボードから音を出すには、ドライバーを指定します。
PCM510xA系DACのドライバ名には、hifiberryの名称が使われています。
$ ls /boot/overlays | grep hifiberry
hifiberry-amp.dtbo
hifiberry-dac.dtbo
hifiberry-dacplus.dtbo
hifiberry-dacplusadc.dtbo
hifiberry-dacplusadcpro.dtbo
hifiberry-digi-pro.dtbo
hifiberry-digi.dtbo
$ sudo vi /boot/config.txt
....

# Uncomment some or all of these to enable the optional hardware interfaces
#dtparam=i2c_arm=on
dtparam=i2s=on ← コメントを外す
#dtparam=spi=on

# Enable audio (loads snd_bcm2835)
# dtparam=audio=on ← コメントにする
dtoverlay=hifiberry-dac ←この行を追加
$ sudo reboot

再生デバイスのリストを表示して、デバイスが反映されているか確認します。

$ aplay -l
**** ハードウェアデバイス PLAYBACK のリスト ****
カード 0: sndrpihifiberry [snd_rpi_hifiberry_dac], デバイス 0: HifiBerry DAC HiFi pcm5102a-hifi-0 [HifiBerry DAC HiFi pcm5102a-hifi-0]
サブデバイス: 1/1
サブデバイス #0: subdevice #0

PCM5101A DAC (hifiberry dac)はサウンドカード番号:0。デバイス番号:0になっていることがわかります。
コマンドラインからオーディオデバイスを指定(plughw:カード番号,デバイス番号)して音を鳴らして確認してみます。
再生確認には、aplay コマンドを使用します。aplay はWAVファイルのみ再生できます。

$ aplay -D hw:0,0 /usr/share/sounds/alsa/Front_Left.wav
再生中 WAVE '/usr/share/sounds/alsa/Front_Left.wav' : Signed 16 bit Little Endian, レート 48000 Hz, モノラル
aplay: set_params:1305: チャネル数が使用不可能

$ aplay -D plughw:0,0 /usr/share/sounds/alsa/Front_Left.wav
この問題を解決するのには、plugを付けて明示的にモノラル音声をステレオに変換して再生することを指示します。
これを指定しないと、モノラル(1ch)からステレオ(2ch)には、変更されません。

■サウンドカード設定

hw:[カード番号], [デバイス番号]を指定します。
$ vi ~/.asoundrc
pcm.!default {
	#type hw
	#card 0
	type plug
	slave.pcm "hw:0,0"
}
ctl.!default {
	type hw
	card 0
}
pcm.!defaultがデフォルトの出力先デバイス、ctl.!defaultがデフォルトのミキサーデバイスを設定できます。

これでデバイスオプション指定なしで再生することができます。
$ aplay /usr/share/sounds/alsa/Front_Left.wav

補足:ALSA PCM デバイスファイル
ALSA とは Advanced Linux Sound Architecture の略で、Linux 2.6 から採用された Linux のサウンドシステムです。
ALSA デバイスファイルの一覧を表示してみます。
$ ls -la /dev/snd
合計 0
drwxr-xr-x   3 root root      220  1月  7 15:41 .
drwxr-xr-x  15 root root     3560  1月  7 15:41 ..
drwxr-xr-x   2 root root       80  1月  7 15:41 by-path
crw-rw----+  1 root audio 116,  0  1月  7 15:41 controlC0
crw-rw----+  1 root audio 116, 32  1月  7 15:41 controlC1
crw-rw----+  1 root audio 116, 16  1月  7 15:41 pcmC0D0p
crw-rw----+  1 root audio 116, 17  1月  7 15:41 pcmC0D1p
crw-rw----+  1 root audio 116, 18  1月  7 15:41 pcmC0D2p
crw-rw----+  1 root audio 116, 48  1月  7 15:41 pcmC1D0p
crw-rw----+  1 root audio 116,  1  1月  7 15:41 seq
crw-rw----+  1 root audio 116, 33  1月  7 15:41 timer
PCM 再生、録音のデバイスファイル名は 4つの部分に分かれていて、それぞれ命名にルールがあります。
たとえば pcmC0D0p を例にとって分解してみましょう。
pcm:PCM のデバイスであることを意味します。どのデバイスファイルでも pcm です。
C0:サウンドカード番号 0 を意味します。カード 1 なら C1 となります。
D0:デバイス番号 0 を意味します。デバイス 2 なら D2 となります。
p:PCM の再生能力があることを意味します。録音能力の場合は c となります。

■mplayer インストール
MPlayer(エムプレーヤー)は、オープンソースのメディアプレーヤーです。 様々なフォーマットに対応しており、またコマンドラインで使用する際、動画の映像を捨て、音声のみ再生することが可能ですので、とても便利です。
$ apt-cache search mplayer | grep mplayer
....
mplayer - movie player for Unix-like systems
....

$ apt-cache show mplayer | more
Package: mplayer
Version: 2:1.3.0-6
Architecture: armhf
......

$ sudo apt-get install mplayer
$ mplayer -vo null -ao alsa:device=plughw=0.0 sample.mp4
-vo :ビデオ(動画)の出力先
-ao :オーディオ(音声)の出力先

動画 sample.mp4 の音声部分のみを取出し再生しています。
$ mkdir ~/.mplayer
$ vi /home/pi/.mplayer/config
ao=alsa:device=plughw=0.0
vo=null
これでファイルパスを指定するだけで再生することができます。
$ mplayer sample.mp4



それでは、mplayer を使ってみましょう。
最初に、音楽データを保存する際のディレクトリーのレイアウトを検討します。
私の場合、ジャンル→アーティスト→アルバム名の下に楽曲を配置しています。
アルバム内の楽曲が収録順に演奏されるように、曲名の前にインデックスを付けています。
<music>
  +--<classic>
  |     +--<LiseDeLaSalle>
  |     |     +--<Bach>
  |     |     |     +-- 01_BWV903_Fantasie.mp3
  |     |     |     +-- 02_BWV903_Fuge.mp3
  |     |     |     +-- 03_BWV659.mp3
  |     |     |     +--....
  |     |     +--<Rachmaninov&Ravel>
  |     |     +--....
  |     +--<Rubinstein>
  |     +--....
  +--<jazz>
  +--<tango>
  +--....
  +--<favorite>
特定の曲を聴く
$ mplayer ~/music/classic/LiseDeLaSalle/Bach/01_BWV903_Fantasie.mp3

アルバム全曲を聴く
$ mplayer ~/music/classic/LiseDeLaSalle/Bach&Liszt/*

特定アーティストの曲を聴く
$ mplayer ~/music/classic/LiseDeLaSalle/*/*

また、好みの曲は、favorite にも配置しています。

シャッフル
$ mplayer -shuffle ~/music/classic/*/*/*

ループ再生
$ mplayer -loop 0 ~/music/classic/LiseDeLaSalle/Bach&Liszt/*

キー操作で一時停止、ミュート、音量調整なども行えます。
keyboard control
 left or right    seek backward/forward 10 seconds
 down or up       seek backward/forward  1 minute
 pgdown or pgup   seek backward/forward 10 minutes
 p or SPACE       pause movie (press any key to continue)
 ENTER            go forward in the playlist, even over the end.
 q or ESC         stop playing and quit program
 / and *          Decrease/increase volume.
 9 and 0          Decrease/increase volume.
 m                Mute sound.

■ファイル共有設定

リモートサーバー内のメディアファイルを、mplayer で再生する設定です。

$ sudo apt-get -y install sshfs

$ mkdir ~/Music
$ sshfs ubuntu@server:/home/ubuntu ~/Music
※server には、ホスト名あるいはIPアドレスを指定してください。

$ mplayer ~/Music/*

アンマウント
$ fusermount -u ~/Music

■PCM5101A搭載I2S DAC基板 (North Flat Japan Co., Ltd)

【DIPスイッチ:H=ON L=OFF】
スイッチ1:フィルター設定 ON:IIR(無限インパルス応答) / OFF:FIR(有限インパルス応)
スイッチ2:オーディオフォーマット設定 ON:Left-Justified / OFF:I2S
※必ず電源OFFの状態でDIPスイッチ設定を行ってください。動作モードはIC起動時に読み込まれるため、電源を切らない限りリセットされません。

【製品仕様】
DAC IC:Burr-Brown PCM5101A [SN比]106dB / [ダイナミックレンジ]106dB / [THD]-92dB
動作電圧:DC4.2V?12V
デジタル入力:I2S (IIS) / Left Justified(3線入力/4線入力両対応)
入力端子:[ピンヘッダー]LRCK/BICK(BCLK)/DATA(SDATA)/MCLK/GND
※MCLK出力がない機器の場合はMCLKをGNDに落とせば内部クロックで動作しますが、落とさない場合でもICの仕様により自動的に内部クロックで動作します。
アナログ出力:ステレオRCA端子/3.5mmステレオミニジャック (排他利用)
対応フォーマット:[サンプリングレート]
44.1kHz/48kHz/88.2kHz/96kHz/176.4kHz/
192kHz/352.8kHz/384kHz
[ビットレート]16bit/24bit/32bit
機能:[DACデジタルフィルター演算方式変更機能]
 FIR有限インパルス応答(Normal)/IIR無限インパルス応答(Low)
[入力フォーマット切替機能]I2S & Left-Justified
[MUTE機能]
対応OS:Windows 10/ 8(8.1)&7/ Vista / XP / 2000/ MacOS X / 9.1以降
サイズ:高さ14mm×幅63mm×奥行き49mm
重量:14g

■pimoroni pHAT DAC 2020.05.23追記


購入して放置状態になっていた、pimoroni pHAT DAC を取り付けてみました。
Raspberry Pi Zeroと同サイズの、安価ながら高品質なDAC機能を追加するpHATボードです。 2×20のGPIOピンヘッダで、Raspberry PiのI2Sインタフェースから192 kHz、24ビットのオーディオを出力します。
※現時点で、すでにpimoroni社の製品は Pirate Audio シリーズに移行しており、入手がかなり困難になっています。

DACは、上述のPCM510Xシリーズ製品ですので、Raspberry Pi Zero WH に被せるだけで動作しました。

PCM510xシリーズには、PCM5100、PCM5101、PCM5102の3種類があります。 違いは、SNR(S/N)のスペックです。100、106、112dB で各6dB差があります

新規に組み込む場合は、チュートリアルが示す手順になると思いますが、 マニュアル・セットアップの内容をみると、サウンドカードがカード番号0に指定されてしまいます。
LINE OUTから出力されない場合は、最初に説明しているPCM5101の設定をしてみてください。

チュートリアル(Setting up pHAT DAC)
http://learn.pimoroni.com/tutorial/phat/raspberry-pi-phat-dac-install

Automated Set Up
$ curl -sS https://get.pimoroni.com/phatdac | bash

Manual Set Up

/etc/modprobe.d/raspi-blacklist.conf
This file prevents certain modules from loading at startup. With the file open, comment out the lines corresponding to the modules we want to load by changing:
$ sudo nano /etc/modprobe.d/raspi-blacklist.conf
blacklist i2c-bcm2708
blacklist snd-soc-pcm512x
blacklist snd-soc-wm8804
 ↓
#blacklist i2c-bcm2708
#blacklist snd-soc-pcm512x
#blacklist snd-soc-wm8804
raspi-blacklist.confは初期状態では空でしたので、コメントアウトの必要もありません。

/etc/modules
This file, in contast to the blacklist, lists modules which we do want to load. We're going to remove the default sound driver with a comment, so change the line:
$ sudo nano /etc/modules
snd_bcm2835
 ↓
#snd_bcm2835
初期状態で、snd_bcm2835の記載はありませんでした。

Sound Config
Finally, create a new asound.conf
$ sudo nano /etc/asound.conf
pcm.!default  {
 type hw card 0
}
ctl.!default {
 type hw card 0
}
LINE OUTから出力されない場合は、最初に説明しているPCM5101の設定をしてみてください。

Device Tree
$ sudo nano /boot/config.txt
dtoverlay=hifiberry-dac
#dtparam=audio=on
$ sudo reboot

pHAT DAC は、ピンホールに自分でピンソケットをハンダ付けする必要があります。
製品に添付されてくるピンソケットは足の短いものですが、足の長いピンソケットを使うことで、pHAT DAC で使用していないピンを 有効に活用することができます。


【深層学習関連】
20.11.21 深層学習 第1回環境整備
20.12.19 深層学習 第2回マルコフ連鎖・自動歌詞生成
21.01.02 深層学習 第3回コード進行解析

【画像処理関連】

20.05.28 画像処理 第1回トイカメラ
20.06.09 画像処理 第2回カメラモジュール制御
20.06.28 画像処理 第3回リアルタイムクロック
20.07.08 画像処理 第4回電源回路
20.10.27 画像処理 第5回自作デジカメ初号機完成
20.11.10 画像処理 第6回ドーナツデジカメ
【音楽関連】

20.01.05 第1回 abcjs 楽譜作成・演奏スクリプト
20.01.09 I2S通信によるハイレゾ音源再生
20.01.18 MIDI再生:FM音源YMF825+Arduino編
20.01.24 FM音源YMF825+micro:bit編
20.02.13 Piano Hat & Rosegarden
20.06.22 波形処理 第1回 音の波と三角関数
20.07.22 波形処理 第2回 平均律と純正律
20.08.26 波形処理 第3回 黒鍵と白鍵
21.01.02 深層学習 第3回 コード進行解析
21.01.16 波形処理 第4回 コード演奏
【WEBサイト構築関連】

19.10.15 第1回 前準備
19.10.20 第2回 Ubuntu Server インストール
19.10.27 第3回 Ubuntu Server 詳細設定
19.10.28 番外編 無線LAN接続設定
19.11.02 第4回 Apache WEBサーバ設定
19.11.05 第5回 PHP 設定
19.11.10 第6回 MySQL 設定
19.11.11 第7回 DNS (bind) 設定
19.11.16 第8回 メールサーバ(Postfix)設定・前編
19.11.21 第9回 メールサーバ(Postfix)設定・後編
19.11.24 第10回 ファイアウォール(iptables) 設定
19.11.25 第11回 crontab 設定
19.12.01 第12回 運用準備
19.12.03 第13回 Windowsパソコンに開発環境を作る
19.12.05 第14回 WEBサーバー公開
19.12.10 第15回 動的サイト制作
19.12.11 第16回 簡単なアクセスカウンターを作る
20.03.04 TTGO-Camera による定点観測・WEB公開
【開発環境関連】

19.12.19 Raspbian Stretch LITE インストール
19.12.19 ファイル共有 dokany + Win-sshfs
19.12.26 Arduino開発環境構築 PlatformIO
【SNS関連】

20.03.18 テキスト読み上げ gTTS
20.04.24 Twitter-LINE連携によるビジネス活用
20.05.19 テキスト読み上げ AquesTalk pico LSI
【周辺機器関連】

20.01.01 1280x800 HDMI MONITOR
20.01.12 micro:bitをコマンドラインで使う
20.02.04 サーマルプリンタを使う
20.03.27 M5Stackキーボードを利用する
20.06.29 液晶キャラクターディスプレイLCD1602A
20.08.03 Seeeduino XIAO
20.08.09 LGT8F328P - Arduino clone
20.09.18 電流計測モジュール INA219
【その他】

19.12.13 モバイルバッテリーによる瞬間停電対策
20.02.04 電子組版 upLaTeX
20.04.10 電卓を制御して数字を表示する
20.05.06 箱庭回路 蓄電&昇圧回路
20.09.04 箱庭回路 センサーライト
20.09.29 シガーライターIC s090c
20.10.13 自動給水装置 LM393+NE555
20.12.05 FM放送受信 TEA5767

 トランジスタ技術 2021年1月号
特集: アナログ回路はノイズと闘う ~システムの性能を維持して安定な動作を実現するために~
Interface 2021年1月号
☆特集 Jetson/ラズパイ/PCで自習 Python画像処理100 ☆特別付録:コンピュータ手帳2021
日経Linux 2021年 1月号
★超保存版・冊子付録   Ubuntu完全対応 Linuxコマンド逆引き大辞典   264項目 ★付録DVD 特集連動2本入り「Ubuntu 20.10 日本語Remix」「Ubuntu Server20.10」
ラズパイマガジン2020年12月号
温度、距離、におい、圧力など、さまざまな種類のセンサー350種類を一挙に紹介します。特性や価格を示した一覧表を用意したので、用途に合った適切な製品を選べます。そのうちの34種類のセンサーは、仕組みから配線図まで図解で分かりやすく解説します。
15Stepで踏破 自然言語処理アプリケーション開発入門
エンジニアの実務に役立つ知識に絞り、独自に15の学習ステップを体系化しました。 数値計算にNumPy、形態素解析にMeCab、機械学習にscikit-learn、ディープラーニングに Keras等を使い、Pythonのコードを記述し動かしていきます。
プログラミング・ビットコイン ―ゼロからビットコインをプログラムする方法

Linuxサーバーがゼロから作れる本
このLinuxを使いこなす上で一番手っ取り早いのが自分でLinuxサーバーを構築してみることです。 WindowsやMacのパソコンしか使ったことが無い人でも理解できるよう、 しくみや手順の解説を丁寧にまとめ上げた、ゼロからのサーバー入門ガイドです。

Raspberry Pi 3 Model B V1.2 (日本製) 国内正規代理店品
【仕様概要】CPU:ARM 1.2GHz 4コア、GPU:2コア 3D・動画支援、RAM:1GB、ネットワーク:LAN/Wi-Fi/Bluetooth、インターフェース:USB/HDMI/オーディオ/GPIO(UART/I2C/I2S/SPI...)。

Arduino Nano
ATmega328搭載/ 動作電圧: 5V/ 入力電源電圧(推奨):7~12V/ デジタル入出力ピン: 14本/ PWMチャンネル: 6本/ アナログ入力チャンネル: 8本/ 直流電流(1ピン当り最大): 40 mA/ 直流電流(3.3Vピン、1ピン当り最大): 50 mA/ Flashメモリ: 32 KB (ATmega328) 内2KBはブートローダーで使用/ SRAM: 2 KB (ATmega328)/ EEPROM: 1 KB (ATmega328)/ Clock Speed: 16 MHz
逆引き PIC電子工作 やりたいこと事典
機能が豊富で、速度・アナログ制御・省電力性・コストの面でもアドバンテージをもつPICマイコン。そんなPICマイコンの使い方を、目的別にやりたいことから引ける、逆引きタイプのガイドブックです。
C言語による PICプログラミング大全
2002年に初版、2009年に第2版を発売した名著『C言語によるPICプログラミング入門』 が大幅リニューアルし「大全」として生まれ変わりました。 本書では、機能豊富なPIC16F1シリーズを使いこなすために、統合開発環境を MPLAB X IDEに、CコンパイラはMicrochip Technology社純正のXC8に、それぞれ変更しました。 C言語でPICマイコンのプログラミングを始めたい方から、最新のPICマイコンの機能をとことん使い倒したい方まで、必ず役に立つ1冊です。
PICと楽しむRaspberry Pi活用ガイドブック
「PICマイコン+Raspberry Pi3B」という組み合わせで、高機能な電子工作を簡単に実現し、電子工作を各段に高度化する方法について解説していきます。
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IoT技術の回路とプログラムを解説しました. トランジスタ技術2016年9月号と2017年3月号の特集に 最新の情報を加筆して一冊に仕上げました. 回路とプログラムのサンプル資料として最適です. ラズベリー・パイやIchigoJamを連動させた例も紹介しています
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本書はLinux操作に必要なコマンドを収録したポケットリファレンスです。機能別にコマンドを分類し、各コマンドページでは書式/使用例などをコンパクトにまとめています。またアルファベット順索引も用意しており、名前しかわからなくてもすぐに目的のコマンドを探すことができます。今回の改訂では仮想化、データベース、クラウド時代に対応したネットワークコマンドなどを追加しています。おもなLinuxディストリビューションのCentOS、Fedora、Debian GNU/Linux、Ubuntuに対応し、初心者から上級者まで必携の1冊です。
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MySQL ポケットリファレンス
MySQLはさまざまなWebサービスの中核を担うデータベースです。本書はMySQLの基礎的な内容を中心に、日常的によく使うちょっとしたコマンドや、外部管理ツールとの連携など、MySQLの管理/運用にあたって便利な情報を素早く探し出すことができます。MySQL自体の操作、MySQL特有のコマンド、MySQL専用管理ツール、PHPからの操作など、MySQLを実際に使っているユーザーに役立つ内容となっています。
Postfix詳解―MTAの理解とメールサーバの構築・運用
電子メールの配送システムの中核を担うプログラム「MTA」(Message Transfer Agent)のひとつが、「Postfix」です。 この全容を記した本です。 すところなく解説していきます。
DNSがよくわかる教科書
本書では、DNSの仕組みから、ドメイン名のルール、主なリソースレコードの内容、コマンドによる動作確認、DNSの運用ノウハウ、DNSSECの基礎知識まで、順を追ってやさしく解説します。

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