ラズベリーパイでI2S出力

by K.I

2017/03/29〜

Index

概要
- I2Sピン配置
- D級アンプ
- 接続
音を出してみる
- 正弦波生成
- データ作成
- I2S出力設定
- ドライバのマッピング
- ドライバのロード
- ドライバ確認
- サウンドデバイス確認
- 再生
出力信号の確認
- I2S出力波形
- タイムチャート
まとめ
- 参考

概要

ラズベリーパイでの、I2S出力を確認する。

といっても、データ出力の確認が主目的の個人的メモなので、
この記事は一般的なオーディオ出力用としてはあまり役に立たないと思う

設定とかは、 RaspberryPi2にI2S-DACを接続するの記事を参考にさせてもらいました

この記事はPi2でしたが、RaspberryPi3でも全く同じように出来ました。

カーネルの再コンパイルはせずに、インストール済みのドライバを流用する

I2Sピン配置

RaspberryPi2,3のGPIO

I2S出力のピン配置

No	Name	Description
12	BCK	ビットクロック
35	LRCK	L：Left、H：Right、サンプリング周波数と同じ
40	DATA	PCMデータ、通常はMSBファースト

2,4	+5V	+5V電源
6,9,14,20,25,30,34	GND

D級アンプ

実際に音を出してみたかったので、I2S入力のD級アンプを使う

MAX98357A搭載 I2S 3W D級アンプボード

No.	Name	Description
1	Vin	2.5〜5.5Vだが、通常は+5Vとする
2	GND	グラウンド
3	SD_MODE	0.16V以下：Shutdown、0.16〜0.77V：Left+Right、0.77〜1.4V：Right、1.4V以上：Left
4	GAIN	15dB：100kΩPullDown、12dB：GND、9dB：default、6dB：Vin、3dB：100kΩPullUp
5	DIN	Data Input
6	BCLK	Bit Clock
7	LRCLK	Left/Right Clock

SD_MODE端子は、内部100kΩでPullDown、外部で1MΩPullUpされているので、約0.45V（L+R）、

さらに例えば680kΩPullUpで約0.99V（R）、180kΩ以下でPullUpすれば約1.98V以上になる（L）

モノラルアンプなので、ステレオにするためには、２個必要になる。

接続

D級アンプは、以下のように接続した

GAINは、最低の3dBになるように、100kΩでプルアップ
SD_MODEは、右チャンネルが680kΩプルアップ、左チャンネルが100kΩプルアップ

[top]

音を出してみる

実際に、I2S接続で音を出してみよう

正弦波生成

ΔΣ変調器の記事で作ったDDSのプログラムを使う（idds.c）

1つめのパラメータで、生成する周波数
2つめのパラメータで、サンプリング周波数を指定する

% idds 1000 44100 | head -100 | gp_wav > sin1000w.png

データ作成

サンプリング周波数44.1kHzで、1kHz正弦波のwavファイルを作る

$ idds 1000 44100 > dds1k44100.dat
$ txt2wav -44100 dds1k44100.dat
dds1k44100.wav : 44100 Hz sampling, 16 bit, 1 channel
  file size (header + data) = 88236 [Byte]
  PCM type                  = 1
  sampling rate             = 44100 [Hz]
  Byte / second             = 88200 [Byte]
  Byte / block              = 2 [Byte]
  bit / sample              = 16 [bit]
  file size (data)          = 88200 [Byte]
  44100 points write
dds1k44100.wav : 88244 bytes (1 sec)

ステレオのファイルも作る

とは言っても、単に左右同じ音を出すだけなので、本当のステレオとは言えないけど。。

$ idds 1000 44100 | stereo > dds1k44100s.dat
$ txt2wav -44100 dds1k44100s.dat
dds1k44100s.wav : 44100 Hz sampling, 16 bit, 2 channel
  file size (header + data) = 176436 [Byte]
  PCM type                  = 1
  sampling rate             = 44100 [Hz]
  Byte / second             = 176400 [Byte]
  Byte / block              = 4 [Byte]
  bit / sample              = 16 [bit]
  file size (data)          = 176400 [Byte]
  44100 points write
dds1k44100s.wav : 176444 bytes (1 sec)

こんな具合に、８つの1kHz正弦波のwavファイルを作っておく

ファイル名	周波数	サンプリング周波数	ビットレート	モノラル/ステレオ
dds1k44100.wav	1kHz	44.1kHz	705kbps	モノラル
dds1k48000.wav	1kHz	48kHz	768kbps	モノラル
dds1k96000.wav	1kHz	96kHz	1536kbps	モノラル
dds1k192000.wav	1kHz	192kHz	3072kbps	モノラル
dds1k44100s.wav	1kHz	44.1kHz	1411kbps	ステレオ
dds1k48000s.wav	1kHz	48kHz	1536kbps	ステレオ
dds1k96000s.wav	1kHz	96kHz	3072kbps	ステレオ
dds1k192000s.wav	1kHz	192kHz	6144kbps	ステレオ

ビットレートは１秒あたりのビット数なので¹

例えば、48kHzサンプリング、16bitステレオならば、48000 x 16 x 2 = 1536000

txt2wavについては、こちらを参照

I2S出力設定

Hifiberry DACというのは、ラズベリーパイ用のDACボードらしいが、このドライバを使う

自分の環境は、RaspberryPi3に、Raspbian（Jessie）をインストール済み →RaspberryPi3の設定

upgradeもやっておいた方が良い

$ sudo apt-get update
$ sudo apt-get upgrade
$ sudo rpi-update

rpi-updateは、不用意にやらない方が良いらしいです。（181120追記） →こちらで指摘されてました。。

現状のシステム確認

$ uname -a
Linux raspberrypi 4.4.34-v7+ #930 SMP Wed Nov 23 15:20:41 GMT 2016 armv7l GNU/Linux

最近のRaspbianには、Hifiberryのドライバが含まれているので、設定のみで、

カーネルの再コンパイルはしなくても良いらしい

ドライバのマッピング

/boot/config.txt でドライバのマッピングの指定

dtoverlay=hifiberry-dac

これは、/boot/overlaysにあるファイルを指定するらしい

$ ls -l /boot/overlays/
合計 848
-rwxr-xr-x 1 root root 55994  4月 12 12:45 README
-rwxr-xr-x 1 root root  1411  4月 12 12:45 adau1977-adc.dtbo
-rwxr-xr-x 1 root root  2425  4月 12 12:45 ads1015.dtbo
-rwxr-xr-x 1 root root  2426  4月 12 12:45 ads7846.dtbo
-rwxr-xr-x 1 root root  1130  4月 12 12:45 akkordion-iqdacplus.dtbo
-rwxr-xr-x 1 root root  1011  4月 12 12:45 allo-piano-dac-pcm512x-audio.dtbo
-rwxr-xr-x 1 root root  1668  4月 12 12:45 at86rf233.dtbo
-rwxr-xr-x 1 root root   787  4月 12 12:45 audioinjector-wm8731-audio.dtbo
-rwxr-xr-x 1 root root   575  4月 12 12:45 audremap.dtbo
-rwxr-xr-x 1 root root   449  4月 12 12:45 bmp085_i2c-sensor.dtbo
-rwxr-xr-x 1 root root   983  4月 12 12:45 dht11.dtbo
-rwxr-xr-x 1 root root   663  4月 12 12:45 dionaudio-loco.dtbo
-rwxr-xr-x 1 root root   765  4月 12 12:45 dpi18.dtbo
-rwxr-xr-x 1 root root   789  4月 12 12:45 dpi24.dtbo
-rwxr-xr-x 1 root root   423  4月 12 12:45 dwc-otg.dtbo
-rwxr-xr-x 1 root root   908  4月 12 12:45 dwc2.dtbo
-rwxr-xr-x 1 root root  1279  4月 12 12:45 enc28j60-spi2.dtbo
-rwxr-xr-x 1 root root  1403  4月 12 12:45 enc28j60.dtbo
-rwxr-xr-x 1 root root  1036  4月 12 12:45 gpio-ir.dtbo
-rwxr-xr-x 1 root root   901  4月 12 12:45 gpio-poweroff.dtbo
-rwxr-xr-x 1 root root   779  4月 12 12:45 hifiberry-amp.dtbo
-rwxr-xr-x 1 root root   655  4月 12 12:45 hifiberry-dac.dtbo
-rwxr-xr-x 1 root root  1436  4月 12 12:45 hifiberry-dacplus.dtbo
-rwxr-xr-x 1 root root   949  4月 12 12:45 hifiberry-digi-pro.dtbo
-rwxr-xr-x 1 root root   783  4月 12 12:45 hifiberry-digi.dtbo
-rwxr-xr-x 1 root root  2468  4月 12 12:45 hy28a.dtbo
-rwxr-xr-x 1 root root  2939  4月 12 12:45 hy28b.dtbo
-rwxr-xr-x 1 root root   991  4月 12 12:45 i2c-gpio.dtbo
-rwxr-xr-x 1 root root  2185  4月 12 12:45 i2c-mux.dtbo
：
：

ドライバのロード

/etc/modules で、起動時にドライバをロードするように設定

snd_soc_hifiberry_dac

カーネルのバージョンは、4.4.34-v7+ なんだけど、

$ uname -a
Linux raspberrypi 4.4.34-v7+ #930 SMP Wed Nov 23 15:20:41 GMT 2016 armv7l GNU/Linux

同じ名前のフォルダが無いので、一番新しいものが使われるのかな？

$ ls -l /lib/modules/
合計 16
drwxr-xr-x 3 root root 4096 12月 18 20:58 4.4.38+
drwxr-xr-x 3 root root 4096 12月 18 20:58 4.4.38-v7+
drwxr-xr-x 3 root root 4096  4月 12 12:36 4.4.50+
drwxr-xr-x 3 root root 4096  4月 12 12:36 4.4.50-v7+

$ ls -l /lib/modules/4.4.50-v7+/kernel/sound/soc/bcm/
合計 216
-rw-r--r-- 1 root root  7516  3月  3 01:52 snd-soc-adau1977-adc.ko
-rw-r--r-- 1 root root  8424  3月  3 01:52 snd-soc-allo-piano-dac.ko
-rw-r--r-- 1 root root  9936  3月  3 01:52 snd-soc-audioinjector-pi-soundcard.ko
-rw-r--r-- 1 root root 14052  3月  3 01:52 snd-soc-bcm2835-i2s.ko
-rw-r--r-- 1 root root 15860  3月  3 01:52 snd-soc-digidac1-soundcard.ko
-rw-r--r-- 1 root root  7700  3月  3 01:52 snd-soc-dionaudio-loco.ko
-rw-r--r-- 1 root root  7604  3月  3 01:52 snd-soc-hifiberry-amp.ko
-rw-r--r-- 1 root root  7852  3月  3 01:52 snd-soc-hifiberry-dac.ko
-rw-r--r-- 1 root root 11184  3月  3 01:52 snd-soc-hifiberry-dacplus.ko
-rw-r--r-- 1 root root 10776  3月  3 01:52 snd-soc-hifiberry-digi.ko
-rw-r--r-- 1 root root 10900  3月  3 01:52 snd-soc-iqaudio-dac.ko
-rw-r--r-- 1 root root 10400  3月  3 01:52 snd-soc-iqaudio-digi.ko
-rw-r--r-- 1 root root  9032  3月  3 01:52 snd-soc-justboom-dac.ko
-rw-r--r-- 1 root root  9012  3月  3 01:52 snd-soc-justboom-digi.ko
-rw-r--r-- 1 root root 25964  3月  3 01:52 snd-soc-pisound.ko
-rw-r--r-- 1 root root  9764  3月  3 01:52 snd-soc-raspidac3.ko
-rw-r--r-- 1 root root  7456  3月  3 01:52 snd-soc-rpi-dac.ko
-rw-r--r-- 1 root root  8144  3月  3 01:52 snd-soc-rpi-proto.ko

ドライバ確認

再起動後に lsmodで、ロードされているドライバを確認する

$ lsmod
:
:
snd_bcm2835            20447  1
snd_soc_bcm2835_i2s     6354  2
bcm2835_gpiomem         3040  0
bcm2835_wdt             3225  0
snd_soc_pcm5102a        1763  1
uio_pdrv_genirq         3164  0
uio                     8000  1 uio_pdrv_genirq
snd_soc_hifiberry_dac     2511  0
snd_soc_core          125949  3 snd_soc_bcm2835_i2s,snd_soc_hifiberry_dac,snd_soc_pcm5102a
snd_pcm_dmaengine       3391  1 snd_soc_core
snd_pcm                75762  4 snd_bcm2835,snd_soc_core,snd_soc_hifiberry_dac,snd_pcm_dmaengine
snd_timer              19288  1 snd_pcm
snd                    51908  6 snd_bcm2835,snd_soc_core,snd_timer,snd_pcm
:
:

hifiberry_dacが、ちゃんとロードされている

サウンドデバイス確認

サウンドデバイスの割り当てを確認する

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 []
  サブデバイス: 1/1
  サブデバイス #0: subdevice #0
カード 1: ALSA [bcm2835 ALSA], デバイス 0: bcm2835 ALSA [bcm2835 ALSA]
  サブデバイス: 8/8
  サブデバイス #0: subdevice #0
  サブデバイス #1: subdevice #1
  サブデバイス #2: subdevice #2
  サブデバイス #3: subdevice #3
  サブデバイス #4: subdevice #4
  サブデバイス #5: subdevice #5
  サブデバイス #6: subdevice #6
  サブデバイス #7: subdevice #7
カード 1: ALSA [bcm2835 ALSA], デバイス 1: bcm2835 ALSA [bcm2835 IEC958/HDMI]
  サブデバイス: 1/1
  サブデバイス #0: subdevice #0

hifiberry_dacは、カード0,デバイス0に割り当てられている

再生

カード0,デバイス0で、dds1k44100.wavを再生しようとするがエラーになる

$ aplay -D hw:0,0 dds1k44100.wav
再生中 WAVE 'dds1k44100.wav' : Signed 16 bit Little Endian, レート 44100 Hz, モノラル
aplay: set_params:1239: チャネル数が使用不可能

今度は、plughwで、リサンプリングでの再生を試みるが、やはりエラーになる

$ aplay -D plughw:0,0 dds1k44100.wav
再生中 WAVE 'dds1k44100.wav' : Signed 16 bit Little Endian, レート 44100 Hz, モノラル
aplay: set_params:1297: hw params のインストールに失敗しました:
ACCESS:  RW_INTERLEAVED
FORMAT:  S16_LE
SUBFORMAT:  STD
SAMPLE_BITS: 16
FRAME_BITS: 16
CHANNELS: 1
RATE: 44100
PERIOD_TIME: (125011 125012)
PERIOD_SIZE: 5513
PERIOD_BYTES: 11026
PERIODS: 4
BUFFER_TIME: (500045 500046)
BUFFER_SIZE: 22052
BUFFER_BYTES: 44104
TICK_TIME: 0

ステレオのデータを再生してみる

$ aplay -D hw:0,0 dds1k44100s.wav
再生中 WAVE 'dds1k44100s.wav' : Signed 16 bit Little Endian, レート 44100 Hz, ステレオ

これは再生できた！

モノラルの音は再生できないみたいだ

¹WAVファイルは圧縮されてないので計算は簡単だが、圧縮されている場合は圧縮形式によりビットレートが変わるので、単純に比較できない。

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出力信号の確認

ロジックアナライザのプロトコル解析機能を使って、I2S出力信号を確認してみた

I2S出力波形

BCKは、音声出力の約0.5ms前から出力されるようだ

USB Audioで、BCKやLRCLKが出っ放しなのとはちょっと違っている

出力終了後は、約0.1msぐらいでBCKが停止する

LRCLKは、音声出力時のみ出力されている

データはそのまま出力されている

サンプリング周波数が、44.1k、48k、96k、192kHzでもちゃんとそのまま出力されている。

但し、192kHzは、データ出力はされているが、再生されなかった
- おそらくD級アンプのDACが対応していないと思われる

タイムチャート

L/Rの１データあたりのBCLKは、16bitになっている

データ長が16bitを超えると、おそらく32bit/1データになると思う²

LRCLKの変化から、1BCLK分遅らせて、DATAのMSBからBCLKの立ち上がりで読み込む

16bit/1データの場合は16ビット、32bit/1データの場合は24ビットのデータ長として読み込めば良さそう³

²でも16bit以上のデータの出力方法がわからないので未確認。
³おそらく、それで良いと思うが、実際に16bitより多ビットのデータの再生が出来ていないので未確認。

[top]

まとめ

ステレオの16ビットwavファイルであれば、サンプリング周波数に関わらず、データがそのまま出力される。

それなりの速度でリアルタイムのデータ転送を行う手段として、有効だと思う

USB_Audioでは、データをそのまま出力するのは、いろいろ面倒だったので、

単純に出力だけなら、こちらの方がずっと簡単そうだ。

でも、ラズベリーパイのI2S出力のクロックの精度は不明

本当は、直接再生する場合は、外部クロックによって転送したいところなんだけど。。

ラズベリーパイは外部クロックによってI2S入出力も出来るらしいが、

カーネルの再コンパイルが必要になるらしいので、今回はパス

ラズベリーパイのI2S入出力は、標準のドライバというものは無くて、

サードパーティのボード用の専用のドライバになっているみたいで、
互換の仕様の回路じゃないと、動作させるのが難しいと思う

とりあえず出力だけなら単純なので、適当なドライバを流用できそうだが、

入出力となると、制御用の接続も必要だったりして、ちょっと厄介だ

まぁでも、そのうちI2S入力もやってみたい。

FPGAでデジタルフィルタという記事で、

RaspberryPiのI2S出力に、FPGAで作ったデジタルフィルタを掛けてみました（170607追記）

参考

RaspberryPi2にI2S-DACを接続する

このページの設定方法を、主に参考にさせていただきました

RaspberryPiのI2S信号について

RaspberryPi_I2Sをスレーブ設定にして外部クロック同期でＤＡＣを再生

外部クロックによるI2S出力を試している

RaspberryPiで外付けI2SのADCを動かせるのか

I2S入力を試している

FPGA_FMチューナーとRaspberryPiのI2S接続

これも同様

RaspberryPi3でI2S接続のオーディオインタフェースを試す

Audio Injectorというボードは、I2S入出力が出来るらしい

RaspberryPiでi2s-DACを音声出力にして高品位な音楽を聴く

ドライバの設定方法等参考になる

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