脳汁portal

アメリカ在住(だった)新米エンジニアがその日学んだIT知識を書き綴るブログ

ラズベリーパイの音声をDAC(pcm5102a)でI2S出力する

電子工作

普段音声出力はRaspberryPi3のオーディオジャック(アナログ出力)から行っていますが、DACを介すことでI2S出力（デジタル出力)に変更する方法です
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I2S

I2Cじゃありません. Inter IC SoundでI2Sです
4本(または3本)の信号線でステレオ音声をシリアル伝送する規格

名前 rasPiのpin No. 説明
BCK(BCLK) 12 ・bit clock
・serial clock(SCLK)とも呼ばれる
LRCK(LRCLK) 35 ・Left Right Clock
・ステレオにおいて、LチャネルとRチャネルを区別するための信号
DATA 40 ・PCM Data
・serial data
・デジタル化された音声データのビット列
MCK - ・Master Clock
・ラズパイのGPIOからは出力されていない
・ICによっては上記3信号と同期するように自動で調整してくれるものもあり、その場合は不要
　　(今回使うPCM5102AもBCKから生成してくれるので不要)
・System Clock(SYSCLK)とも呼ばれる

Inter-IC Sound - Wikipedia

DAC

Degital Analog Converter
ラズパイからI2Sで出力したデジタル信号をスピーカーやヘッドフォンで使えるアナログ信号に変換するもの
今回はPCM5102AというDACチップを利用します
デジタル-アナログ変換回路 - Wikipedia

使ったもの

世の中には既に全て実装済みのDACボードがありますが、今回はチップを買って全てブレッドボード上に1から組み上げます

item 買ったところ 個数
IC&変換基板 http://akizukidenshi.com/catalog/g/gK-11836/ 1
ブレッドボード http://akizukidenshi.com/catalog/g/gP-00315/ 1
ブレッドボード用電源モジュール https://www.sengoku.co.jp/mod/sgk_cart/detail.php?code=EEHD-4RAW 1
抵抗(47Ω) http://akizukidenshi.com/catalog/g/gR-25470/ 3
抵抗(470Ω) http://akizukidenshi.com/catalog/g/gR-25471/ 2
コンデンサ(2.2nF) http://akizukidenshi.com/catalog/g/gP-07686/ 2
コンデンサ(0.1μF) http://akizukidenshi.com/catalog/g/gP-10147/ 4
コンデンサ(2.2μF) http://akizukidenshi.com/catalog/g/gP-08152/ 2
コンデンサ(10μF) http://akizukidenshi.com/catalog/g/gP-04621/ 4

回路図

公式ページのデータシートに回路図例があるので、その通りに組み込みます
http://www.tij.co.jp/jp/lit/ds/symlink/pcm5102a.pdf
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注意する点としては

  • GNDに落とすところはグランドバウンス対策で47Ω抵抗をはさんでいる
  • SCK(MCK)は今回ラズパイからとれないので、GNDに落とすことでpcm5102AがBCKから生成してくれる
  • ブレッドボード電源モジュールは3.3Vで使用
  • 上記のデータシートの回路図はなぜかICチップ逆になっているので注意

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ケーブル接続

次にラズパイと上記のDACセットを接続する
I2Sは普通に調べても表記されていないことが多く、以下のサイトがわかりやすいです
https://bluefish.orz.hm/sdoc/raspi_i2sout.html

ソフトウェア側設定

ハードのほうの組み込みが完了したら、次はラズベリーパイ側の設定を行っていきます
pcm5102Aのドライバはデフォルトでラズベリーパイにインストールされている(/boot/overlays/以下で確認できるか)ので、利用するための記述のみ行います
ドライバのマッピング

sudo vi /boot/config
### 以下の1行を末尾に追加
dtoverlay=hifiberry-dac

ドライバのロード
起動時にドライバをロードするように設定する

sudo vi /etc/modules
### 以下の1行を末尾に追加
snd_soc_hifiberry_dac

上記の設定が済んだら一度再起動する

確認
以下のようにドライバ変更が反映されていたらOK

$ lsmod | grep dac
    snd_soc_hifiberry_dac     2511  0
    snd_soc_core          125885  3 snd_soc_bcm2835_i2s,snd_soc_hifiberry_dac,snd_soc_pcm5102a
    snd_pcm                75698  4 snd_bcm2835,snd_soc_core,snd_soc_hifiberry_dac,snd_pcm_dmaengine

$ aplay -l
    **** List of PLAYBACK Hardware Devices ****
    card 0: sndrpihifiberry [snd_rpi_hifiberry_dac], device 0: HifiBerry DAC HiFi pcm5102a-hifi-0 []
      Subdevices: 1/1
      Subdevice #0: subdevice #0
    card 1: ALSA [bcm2835 ALSA], device 0: bcm2835 ALSA [bcm2835 ALSA]
        .
        .
    card 1: ALSA [bcm2835 ALSA], device 1: bcm2835 ALSA [bcm2835 IEC958/HDMI]
        .
        .

DACがcard0のdevice0に割り当てられていることが確認できる

音声出力確認

wavファイルで確認
注意点として、この構成ではモノラルの音源は再生できず、再生しようとすると以下のようなエラーになってしまう

$ aplay -D hw:0,0 /usr/share/sounds/alsa/Noise.wav
    Playing WAVE '/usr/share/sounds/alsa/Noise.wav' : Signed 16 bit Little Endian, Rate 48000 Hz, Mono
    aplay: set_params:1239: Channels count non available

なので適当にフリーの音源サイトからwavファイルをダウンロードしてきてそれを再生する

$ aplay -D hw:0,0 /home/pi/fanfare.wav
    Playing WAVE '/home/pi/fanfare.wav' : Signed 16 bit Little Endian, Rate 44100 Hz, Stereo

mp3で確認
mp3で確認する場合はmpg321等を利用する

$ mpg321 #{mp3file}

環境によってはエラーが出るが、sudoで実行するとうまくいくことがある

以上で完了。想像以上にてこずった。

ケーブルを整理してラズパイから給電に変更したもの

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