ESP32のI2Sを使ったDAC出力研究

概要

M5StickCを簡易オシロスコープにする その2 事前調査(DAC)

概要前回は事前調査としてADCの速度を調べました。今回は直接はオシロスコープには関係ないですがDACの速度も調べてみたいと思います。高速で動くのであればDDSにもなりそうですね。スケッチ#include <driver/i2s.h>#def...

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2020.09.07

前回いろいろ検証しましたが、ちょっと気になったところを深堀りしてみたいと思います。

スケッチ

#include <driver/i2s.h>
#include "ESP32LiteDebugGPIO.h"
 
#define SAMPLING_RATE (440*256)     // サンプリングレート
#define BUFFER_LEN    (1024)        // バッファサイズ
uint8_t soundBuffer[BUFFER_LEN];    // DMA転送バッファ
 
void setup() {
  Serial.begin(115200);
  delay(500);
  Serial.printf("f= %d\n", SAMPLING_RATE);
 
  // 再生設定
  i2s_config_t i2s_config = {
    .mode                 = (i2s_mode_t)(I2S_MODE_MASTER | I2S_MODE_TX | I2S_MODE_DAC_BUILT_IN),
    .sample_rate          = SAMPLING_RATE,
    .bits_per_sample      = I2S_BITS_PER_SAMPLE_16BIT,
    .channel_format       = I2S_CHANNEL_FMT_RIGHT_LEFT,
    .communication_format = I2S_COMM_FORMAT_I2S_MSB,
    .intr_alloc_flags     = ESP_INTR_FLAG_LEVEL1,
    .dma_buf_count        = 2,
    .dma_buf_len          = BUFFER_LEN,
    .use_apll             = false,
    .tx_desc_auto_clear   = true,
    .fixed_mclk           = 0,
  };
 
  int step = 256;
  int val = 0;
  for (int i = 0; i < BUFFER_LEN; i += 4) {
    soundBuffer[i] = 0;
    soundBuffer[i + 1] = 256 * val / step;
    soundBuffer[i + 2] = 0;
    soundBuffer[i + 3] = 127 + 127 * sin(2 * PI / 256 * val);
    Serial.printf(" %d\n", soundBuffer[i + 1]);
    val += (256 / step);
    if (256 <= val) {
      val = 0;
    }
  }
 
  // 再生設定実施
  i2s_driver_install(I2S_NUM_0, &i2s_config, 0, NULL);
  i2s_set_pin(I2S_NUM_0, NULL);               // 25, 26
  //i2s_set_dac_mode(I2S_DAC_CHANNEL_BOTH_EN);  // 25, 26
  //i2s_set_dac_mode(I2S_DAC_CHANNEL_RIGHT_EN); // 25
  //i2s_set_dac_mode(I2S_DAC_CHANNEL_LEFT_EN ); // 26
  i2s_zero_dma_buffer(I2S_NUM_0);

  delay(1000);
  dispGpio();
}
 
void loop() {
  size_t transBytes;
  i2s_write(I2S_NUM_0, (char*)soundBuffer, BUFFER_LEN, &transBytes, portMAX_DELAY);
}

前回検証したコードを少し手を加えて、ステレオ出力にしてみました。また、GPIOの状態をみるためにESP32LitePackライブラリのESP32LiteDebugGPIO.hを読み込んでいます。

GPIO LEVEL MODE   ADC PULLUP PULLDOWN OPEN_DRAIN I/O NOTE 
-----------------------------------------------------------------------------
   0 HIGH  INPUT      PULLUP                     I/O 
   1 LOW   OUTPUT                                I/O [O]U0TXD_OUT_IDX
   2 LOW   INPUT             PULLDOWN            I/O 
   3 HIGH  INPUT                                 I/O [I]U0RXD_IN_IDX
   4 LOW   INPUT             PULLDOWN            I/O 
   5 HIGH  INPUT      PULLUP                     I/O 
   6 LOW   OUTPUT     PULLUP                     I/O [O]SPICLK_OUT_IDX
   7 HIGH  INPUT      PULLUP                     I/O 
   8 LOW   OUTPUT     PULLUP                     I/O [O]SPID_OUT_IDX
   9 HIGH  INPUT      PULLUP                     I/O 
  10 HIGH  INPUT      PULLUP                     I/O 
  11 HIGH  INPUT      PULLUP                     I/O 
  12 LOW   INPUT             PULLDOWN            I/O 
  13 LOW   INPUT             PULLDOWN            I/O 
  14 HIGH  INPUT      PULLUP                     I/O 
  15 HIGH  INPUT      PULLUP                     I/O 
  16 HIGH  OUTPUT     PULLUP                     I/O [O]SPICS0_OUT_IDX
  17 HIGH  OUTPUT     PULLUP                     I/O [O]SPIQ_OUT_IDX
  18 HIGH  INPUT                                 I/O 
  19 LOW   INPUT                                 I/O 
  20 LOW   INPUT                                 I/O 
  21 HIGH  INPUT                                 I/O 
  22 HIGH  INPUT                                 I/O 
  23 LOW   INPUT                                 I/O 
  25 LOW   INPUT  ADC                            I/O 
  26 LOW   INPUT  ADC                            I/O 
  27 LOW   INPUT                                 I/O 
  32 LOW   INPUT                                 I/O 
  33 LOW   INPUT                                 I/O 
  34 LOW   INPUT                                 I   
  35 LOW   INPUT                                 I   
  36 LOW   INPUT                                 I   
  37 LOW   INPUT                                 I   
  38 LOW   INPUT                                 I   
  39 LOW   INPUT                                 I   

んー、現状のdispGpio()だとRTC経由でADCやDACに接続していることは、わかりますがDACかADCかはもう少し深いレジスタを見ないとわからないみたいです。出力もデジタル出力は使っていないのでINPUTのままですね。

データ出力です。

GPIO	データ	波形
25	データ２	正弦波
26	データ１	ノコギリ波

データは最初にノコギリ波、次に正弦波を入れてあります。

I2S_CHANNEL_FMT_ALL_RIGHT

両方とも正弦波になりました。つまり右チャンネルは正弦波。

I2S_CHANNEL_FMT_ALL_LEFT

当たり前ですがノコギリ波になりました。

I2S_CHANNEL_FMT_ONLY_RIGHT

ステレオデータではなく、モノラルデータなので両方ノコギリ波にしてみました。あれ、、、ステレオで出力されている、、、

I2S_CHANNEL_FMT_ALL_RIGHTとI2S_CHANNEL_FMT_ONLY_RIGHTはデータ形式の差であって、両方ともステレオ出力されちゃうのね。。。

I2S_CHANNEL_FMT_ONLY_LEFT

I2S_CHANNEL_FMT_ONLY_RIGHTとI2S_CHANNEL_FMT_ONLY_LEFTの差がないように思えるけれど、、、

まとめ

GPIO	データ	ステレオ
25	データ２	右(RIGHT)
26	データ１	左(LEFT)

GPIO的には25が右、26が左ですがデータは左、右の順番で設定しないとだけみたいです。そしてI2SでのDAC出力は常にステレオになります。片チャンネルだけ出力することはできませんでした！

そして、モノラル転送をすると波形がおかしくなるので、常にステレオモードで転送をおすすめします。つまりI2S_CHANNEL_FMT_RIGHT_LEFTで、どちらのチャンネルにどのデータを出力するのかを明示的に指定しないといけません。

ATOMなどでGROVE端子に出ているGPIO26に、I2S経由のDAC出力をすると、I2Cで利用している25にも出力が出ちゃうのでI2Cが使えなくなります！

モノラル設定でも両チャンネルに出力されちゃうのはバグな気もしますが、現状はこの動作なので気をつけて使う必要がありますね。。。Arduinoで使われているESP-IDFのバージョンが古すぎるので、現行バージョンのESP-IDFだと修正されているかもしれません。。。早く4系に更新されないかな、、、

追記(2020/09/25)

コメント欄でi2s_set_dac_mode()関数を教えていただきました！

初期化方法	出力GPIO
i2s_set_pin(I2S_NUM_0, NULL)	25, 26
i2s_set_dac_mode(I2S_DAC_CHANNEL_BOTH_EN)	25, 26
i2s_set_dac_mode(I2S_DAC_CHANNEL_RIGHT_EN)	25
i2s_set_dac_mode(I2S_DAC_CHANNEL_LEFT_EN )	26

上記の初期化方法があるとのことです。おそらくDACのときにはi2s_set_pin()関数ではなく、i2s_set_dac_mode(I2S_DAC_CHANNEL_BOTH_EN)で初期化したほうが良さそうですね。