ESP32-WROOM-32EでMicroPythonを使い開発(I2S編)

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I2S通信の概念図
wavファイルからデータを読み出し、
ESP32で音楽データを取り出しI2S規格のシリアル・データに変換して
それをDACモジュールがアナログ信号に変換し音楽が再生されるといった感じぃ。

電源はUSB接続で、回路電源はボード出力3.3Vです。
GPIO32 - DIN、GPIO33 - BCLK、GPIO25 - WSELを配線しています。

# "play-mono-wav-from-sdcard.py"をベースに作成しています。
# SDカード上のWAVファイルから16ビットオーディオサンプルを読み取る
# オーディオサンプルをI2SアンプまたはDACモジュールに書き込む
#
from machine import Pin, SDCard
from machine import I2S, freq
import uos

freq(240000000)  # CPUクロックを240MHzに変更

WAV_FILE    = 'Summer-time-magic-16k.wav'
SAMPLE_RATE = 16000

BCLK_pin  = Pin(33)
LRCLK_pin = Pin(25)
SDATA_pin = Pin(32)

# wavファイルのヘッダ部を読み飛ばしてデータ部を探す処理
def find_data():
    wav_f.seek(0)
    while True:
        if wav_f.read(1) == b'd':
            if wav_f.read(1) == b'a':
                if wav_f.read(1) == b't':
                    if wav_f.read(1) == b'a':
                        wav_f.seek(4)
                        break

# チャネルフォーマット設定
i2s = I2S(
    I2S.NUM0,
    bck=BCLK_pin, ws=LRCLK_pin, sdout=SDATA_pin,
    standard=I2S.PHILIPS,
    mode=I2S.MASTER_TX,
    dataformat=I2S.B16,
    channelformat=I2S.RIGHT_LEFT,
    samplerate=SAMPLE_RATE,
    dmacount=16, dmalen=512)

# SDカードの初期化とマウントを行う
# d1/d3のピンは外部でプルアップする事
d0 = Pin(2, Pin.PULL_UP)
d2 = Pin(12, Pin.PULL_UP)
sd = SDCard(slot=1, width=4, freq=40000000)
uos.mount(sd, "/sd")

wav_f = open('/sd/' + WAV_FILE, 'rb')
find_data()

# オーディオデータバッファ配列を割り当てる
# memoryviewを使ってwhileループでヒープ割り当てを減らす為に使用される
wav_buf = bytearray(8192)
wav_buf_mv = memoryview(wav_buf)

print('Starting')
# WAVファイルからオーディオデータを継続的に読み取り、I2Sに書き込みます
while True:
    try:
        read_su = wav_f.readinto(wav_buf_mv)
        written_su = 0
        # WAVファイルの終わりか？
        if read_su == 0:
            # データ部の最初のバイトまでシークします
            find_data()
        else:
            # 全てのオーディオデータがI2Sに書き込まれるまでループします
            while written_su < read_su:
                written_su += i2s.write(wav_buf_mv[written_su:read_su], timeout=0)
    except (KeyboardInterrupt, Exception) as e:
        print('caught exception {} {}'.format(type(e).__name__, e))
        break
# 終了処理
wav_f.close()
uos.umount("/sd")
sd.deinit()
i2s.deinit()
import gc
gc.collect()
print('Done')

《音の録音》

今度は音を録音してSDカードにwavファイルで記録したいと思います。

I2S通信の概念図
"SPH0645LM4H-B"と言うデバイスで、拾った音をI2Sデータとして出力してくれるマイクです。
これを使い(下記図)ESP32に送り、SDカードにwavファイルで保存します。

　”

電源はUSB接続で、回路電源はボード出力3.3Vです。
GPIO32 - DOUT、GPIO33 - BCLK、GPIO25 - LRCLKを配線しています。
図では割愛していますが、SDカードスロットを接続しています、Slot1のSD/MMC配線での接続です。
詳しくはこちらを参照しましょう。
又、"SEL"ピンは、GND接続なので左チャンネルを選択しています。

# The MIT License (MIT)
# Copyright (c) 2019 Michael Shi
# Copyright (c) 2020 Mike Teachman
# https://opensource.org/licenses/MIT
#
# 目的：
# - I2Sマイクの左チャンネルから32ビットオーディオサンプルを読み取る
# - 各32ビットマイクサンプルから上位16ビットを切り取ります
# - WAV形式を使用して16ビットサンプルをSDカードファイルに書き込む
#
# 記録されたWAVファイルの名前は次のとおりです：
#   "mic_left_channel_16bits.wav"
#
# テスト済みのハードウェア：
# - Adafruit I2S MEMS Microphone Breakout module　（SPH0645LM4H）

from machine import Pin
from machine import SDCard
from machine import I2S
import uos

# ======= ユーザー設定  =======
RECORD_TIME_IN_SECONDS = 5  # 録音時間
SAMPLE_RATE_IN_HZ = 22050   # サンプリングレート
# ======= ユーザー設定  =======

WAV_SAMPLE_SIZE_IN_BITS = 16
WAV_SAMPLE_SIZE_IN_BYTES = WAV_SAMPLE_SIZE_IN_BITS // 8
MIC_SAMPLE_BUFFER_SIZE_IN_BYTES = 4096
SDCARD_SAMPLE_BUFFER_SIZE_IN_BYTES = MIC_SAMPLE_BUFFER_SIZE_IN_BYTES // 2  # なぜ2で割るのですか？ 唯一の32ビットサンプルの16ビットを使用
NUM_SAMPLE_BYTES_TO_WRITE = RECORD_TIME_IN_SECONDS * SAMPLE_RATE_IN_HZ * WAV_SAMPLE_SIZE_IN_BYTES
NUM_SAMPLES_IN_DMA_BUFFER = 256
NUM_CHANNELS = 1

# snip_16_mono(): 32ビットのモノラルサンプルストリームから16ビットのサンプルを切り取る処理
# 仮定 : モノラルマイクのI2S構成。 例えば I2S channelformat = ONLY_LEFT or ONLY_RIGHT
# example snip:
#   samples_in[] =  [0x44, 0x55, 0xAB, 0x77, 0x99, 0xBB, 0x11, 0x22]
#   samples_out[] = [0xAB, 0x77, 0x11, 0x22]
#   notes:
#       リトルエンディアン形式で配置されたsamples_in []フォーマット：
#           0x77は、32ビットサンプルの最上位バイトです。
#           0x44は、32ビットサンプルの最下位バイトです。
# returns:  切り取られたバイト数(samples_out[])
def snip_16_mono(samples_in, samples_out):
    num_samples = len(samples_in) // 4
    for i in range(num_samples):
        samples_out[2 * i] = samples_in[4 * i + 2]
        samples_out[2 * i + 1] = samples_in[4 * i + 3]

    return num_samples * 2

# wavファイルのヘッダ部を作成する処理
def create_wav_header(sampleRate, bitsPerSample, num_channels, num_samples):
    datasize = num_samples * num_channels * bitsPerSample // 8
    o = bytes("RIFF", 'ascii')   # (4byte) ファイルをRIFF識別子としてマークします
    o += (datasize + 36).to_bytes(4, 'little')  # (4byte) これとRIFF識別子を除くファイルサイズ（バイト単位）
    o += bytes("WAVE", 'ascii')  # (4byte) File type ("WAVE"or"AVI ")
    o += bytes("fmt ", 'ascii')  # (4byte) fmt識別子
    o += (16).to_bytes(4, 'little')  # (4byte) fmtチャンクのバイト数
    o += (1).to_bytes(2, 'little')   # (2byte) 音声フォーマット(1 - PCM)
    o += (num_channels).to_bytes(2, 'little')  # (2byte) チャンネル数(モノラルは1、ステレオは2)
    o += (sampleRate).to_bytes(4, 'little')    # (4byte) サンプリング周波数(Hz)
    o += (sampleRate * num_channels * bitsPerSample // 8).to_bytes(4, 'little')  # (4byte) バイト／秒　１秒間の録音に必要なバイト数
    o += (num_channels * bitsPerSample // 8).to_bytes(2, 'little')  # (2byte) ブロック境界　ステレオ16bitなら、16bit*2=32bit = 4byte
    o += (bitsPerSample).to_bytes(2, 'little')  # (2byte) ビット／サンプル　１サンプルに必要なビット数
    o += bytes("data", 'ascii')  # (4byte) data識別子としてマークします
    o += (datasize).to_bytes(4, 'little')  # (4byte) wavデータサイズ（バイト単位）
    return o

BCLK_pin  = Pin(33)  # BCLK
LRCLK_pin = Pin(25)  # LRCLK
SDATA_pin = Pin(32)  # DOUT

# チャネルフォーマット設定
i2s = I2S(
    I2S.NUM0,
    bck=BCLK_pin, ws=LRCLK_pin, sdin=SDATA_pin,
    standard=I2S.PHILIPS,
    mode=I2S.MASTER_RX,
    dataformat=I2S.B32,
    channelformat=I2S.ONLY_LEFT,
    samplerate=SAMPLE_RATE_IN_HZ,
    dmacount=50,
    dmalen=NUM_SAMPLES_IN_DMA_BUFFER
)

# SDカードの初期化とマウントを行う
# d1/d3のピンは外部でプルアップする事
d0 = Pin(2, Pin.PULL_UP)
d2 = Pin(12, Pin.PULL_UP)
sd = SDCard(slot=1, width=4, freq=40000000)
uos.mount(sd, "/sd")

wav_f = open('/sd/mic_left_channel_16bits.wav', 'wb')

# WAVファイルのヘッダーを作成してSDカードに書き込む
wav_header = create_wav_header(
    SAMPLE_RATE_IN_HZ,
    WAV_SAMPLE_SIZE_IN_BITS,
    NUM_CHANNELS,
    SAMPLE_RATE_IN_HZ * RECORD_TIME_IN_SECONDS
)
num_bytes_written = wav_f.write(wav_header)

# マイクデータバッファ配列を割り当てる
# memoryviewを使ってwhileループでヒープ割り当てを減らす為に使用される
mic_buf = bytearray(MIC_SAMPLE_BUFFER_SIZE_IN_BYTES)
mic_buf_mv = memoryview(mic_buf)  # 32ビットオーディオサンプルのバッファ
wav_buf = bytearray(SDCARD_SAMPLE_BUFFER_SIZE_IN_BYTES)
wav_buf_mv = memoryview(wav_buf)  # 上位16ビットを切り取ったバッファ

num_buf_bytes_written_to_wav = 0

print('Starting')
# I2Sマイクから32ビットサンプルを読み取り、
# 上位16ビットを切り取り、切り取ったサンプルをWAVファイルに書き込みます
while num_buf_bytes_written_to_wav < NUM_SAMPLE_BYTES_TO_WRITE:
    try:
        # I2Sマイクからサンプルのブロックを読み取ってみてください
        # DMAバッファがいっぱいでない場合、readinto() メソッドは0を返します
        num_bytes_read_from_mic = i2s.readinto(mic_buf_mv, timeout=0)
        if num_bytes_read_from_mic > 0:
            # 各32ビットマイクサンプルから上位16ビットを切り取ります
            num_bytes_snipped = snip_16_mono(mic_buf_mv[:num_bytes_read_from_mic], wav_buf_mv)
            num_bytes_to_write = min(num_bytes_snipped, NUM_SAMPLE_BYTES_TO_WRITE - num_buf_bytes_written_to_wav)
            # サンプルをWAVファイルに書き込む
            num_bytes_written = wav_f.write(wav_buf_mv[:num_bytes_to_write])
            num_buf_bytes_written_to_wav += num_bytes_written
    except (KeyboardInterrupt, Exception) as e:
        print('caught exception {} {}'.format(type(e).__name__, e))
        break
# 終了処理
wav_f.close()
uos.umount("/sd")
sd.deinit()
i2s.deinit()
print('Done')
print('%d sample bytes written to WAV file' % num_buf_bytes_written_to_wav)
import gc
gc.collect()

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