reTerminal D1001 オーディオペリフェラルの制御
はじめに
このガイドでは、reTerminal D1001 開発ボード上の I2S オーディオペリフェラルの制御方法を紹介します。システムアーキテクチャは、次の 3 つのコアコンポーネントで構成されています。
- ESP32-P4: オーディオデータストリームを管理し、ペリフェラル設定を制御するメインプロセッサです。
- ES8311: デジタル I2S データをアナログオーディオ信号に変換する、低消費電力モノラルオーディオコーデックです。
- PCA9535: 電力アンプの有効状態を制御するために使用される I2C IO エクスパンダで、ペリフェラル制御用の柔軟な GPIO 拡張を提供します。
オーディオアーキテクチャブロック図
オーディオシステムはデュアルバスアーキテクチャを採用しています。I2S バスは高速デジタルオーディオデータ伝送専用であり、I2C バスはコーデックと IO エクスパンダの両方に対する低速制御コマンドを処理します。
ピン割り当てと動作原理
ESP32-P4 と ES8311（オーディオデータと制御）
| 信号名 | ESP32-P4 ピン | 機能説明 |
|---|---|---|
| I2C_SDA | GPIO20 | シリアルデータ: ES8311 に構成コマンド（音量、サンプルレート）を送信します。 |
| I2C_SCL | GPIO21 | シリアルクロック: I2C データ転送を同期します。 |
| I2S_MCK | GPIO33 | マスタークロック: コーデック内部のデルタシグマ変調器用の高周波基準クロックです。 |
| I2S_BCK | GPIO32 | ビットクロック: オーディオデータストリーム内の各ビットを同期します。 |
| I2S_WS | GPIO31 | ワードセレクト: LRCK とも呼ばれ、新しいオーディオフレームの開始を定義し、左/右チャンネルを選択します。 |
| I2S_DO | GPIO30 | データ出力: ESP32-P4 からコーデックへデジタル PCM オーディオデータを送信します。 |
| I2S_DI | GPIO11 | データ入力: 将来的なオーディオ録音やコーデックからのループバック用に予約されています。 |
ESP32-P4 と PCA9535RGER（GPIO 拡張）
| 信号名 | ESP32-P4 ピン | 機能説明 |
|---|---|---|
| I2C_SDA | GPIO20 | PCA9535 IO エクスパンダを制御するために共有される I2C データバスです。 |
| I2C_SCL | GPIO21 | 共有の I2C クロックバスです。 |
| EN_PA | EXP_GPO11 | PA 有効: PCA9535 上のピン P13 に対応します。これを HIGH に設定すると外部パワーアンプが有効になります。 |
ソフトウェアフロー
GitHub のサンプルリポジトリ
GitHub から reTerminal D1001 の公式リポジトリをダウンロードし、ソースコードとドライバを取得します。
ヒント
このオーディオサンプル用の特定のソースコードとプロジェクトファイルを見つけるには、リポジトリ内の driver_examples/01_I2SCodec ディレクトリに移動してください。
開発時の実行シーケンス
Step 1. I2C IO エクスパンダ（PCA9535RGER）の初期化
外部パワーアンプ（PA）は PCA9535 エクスパンダを介して制御されます。PA を有効にすることは非常に重要で、これが無効のままだと、たとえコーデックが正しく動作していてもスピーカーから音声は出力されません。
static esp_err_t pca9535_write_reg(uint8_t reg, uint8_t data)
{
uint8_t write_buf[2] = {reg, data};
return i2c_master_write_to_device(1, PCA9535_I2C_ADDR, write_buf, sizeof(write_buf), 1000 / portTICK_PERIOD_MS);
}
static void pca9535_init(void)
{
int i2c_master_port = 1; // Use I2C_NUM_1
i2c_config_t conf = {
.mode = I2C_MODE_MASTER,
.sda_io_num = MISC_I2C_SDA,
.sda_pullup_en = GPIO_PULLUP_ENABLE,
.scl_io_num = MISC_I2C_SCL,
.scl_pullup_en = GPIO_PULLUP_ENABLE,
.master.clk_speed = 100000,
};
i2c_param_config(i2c_master_port, &conf);
i2c_driver_install(i2c_master_port, conf.mode, 0, 0, 0);
// Configure Port 0 and Port 1 as output mode (0 = output, 1 = input)
pca9535_write_reg(0x06, 0x00);
pca9535_write_reg(0x07, 0x00);
// Set P13 to HIGH to enable the Power Amplifier
pca9535_write_reg(0x02, 0x00);
pca9535_write_reg(0x03, 0x08);
ESP_LOGI(TAG, "PCA9535 initialized, P13 set to HIGH");
}
Step 2. I2S ドライバの設定
I2S はデジタルオーディオ伝送専用の同期式シリアル通信プロトコルです。ここでは ESP32-P4 を I2S マスターとして構成し、コーデックに対して BCLK と WS クロックを供給します。
static esp_err_t i2s_driver_init(void)
{
i2s_chan_config_t chan_cfg = I2S_CHANNEL_DEFAULT_CONFIG(I2S_NUM, I2S_ROLE_MASTER);
chan_cfg.auto_clear = true; // Prevents playing stale data from the buffer
ESP_ERROR_CHECK(i2s_new_channel(&chan_cfg, &tx_handle, &rx_handle));
i2s_std_config_t std_cfg = {
.clk_cfg = I2S_STD_CLK_DEFAULT_CONFIG(EXAMPLE_SAMPLE_RATE),
.slot_cfg = I2S_STD_PHILIPS_SLOT_DEFAULT_CONFIG(I2S_DATA_BIT_WIDTH_16BIT, I2S_SLOT_MODE_STEREO),
.gpio_cfg = {
.mclk = I2S_MCK_IO,
.bclk = I2S_BCK_IO,
.ws = I2S_WS_IO,
.dout = I2S_DO_IO,
.din = I2S_DI_IO,
.invert_flags = {
.mclk_inv = false,
.bclk_inv = false,
.ws_inv = false,
},
},
};
std_cfg.clk_cfg.mclk_multiple = EXAMPLE_MCLK_MULTIPLE;
ESP_ERROR_CHECK(i2s_channel_init_std_mode(tx_handle, &std_cfg));
ESP_ERROR_CHECK(i2s_channel_init_std_mode(rx_handle, &std_cfg));
ESP_ERROR_CHECK(i2s_channel_enable(tx_handle));
ESP_ERROR_CHECK(i2s_channel_enable(rx_handle));
return ESP_OK;
}
Step 3. ES8311 コーデックの初期化
ES8311 は、ESP32-P4 で定義した I2S 設定（サンプルレート、データ幅）と一致するように構成する必要があります。これは I2C バス経由で行います。プロジェクトをビルドする前に、main/example_config.h 内のマクロを変更することでオーディオ動作をカスタマイズできます。
| マクロ | 説明 | 設定の指針 |
|---|---|---|
| EXAMPLE_SAMPLE_RATE | オーディオサンプルレート（Hz） | オーディオサンプルの周波数を定義します。一般的な値としては 16000（音声）や 44100 / 48000（音楽）などがあります。 |
| EXAMPLE_MCLK_MULTIPLE | MCLK と LRCLK の比率 | マスタークロック（MCLK）はサンプルレートの整数倍である必要があります。256 は 16 ビット用の標準値ですが、より高精度が必要な場合は 384 がよく使用されます。 |
| EXAMPLE_VOICE_VOLUME | 再生音量 | 0 から 100 の範囲です。ES8311 コーデックの初期出力レベルを設定します。 |
| EXAMPLE_MIC_GAIN | マイクゲイン（dB） | デュアルマイクの感度を調整します。値を大きくすると音量は上がりますが、ノイズが増える場合があります。 |
| EXAMPLE_RECV_BUF_SIZE | DMA バッファサイズ | DMA によって処理されるデータチャンクのサイズを制御します。バッファを大きくすると音切れを防げますが、その分オーディオ遅延が増加します。 |
static esp_err_t es8311_codec_init(void)
{
const i2c_config_t es_i2c_cfg = {
.sda_io_num = I2C_SDA_IO,
.scl_io_num = I2C_SCL_IO,
.mode = I2C_MODE_MASTER,
.sda_pullup_en = GPIO_PULLUP_ENABLE,
.scl_pullup_en = GPIO_PULLUP_ENABLE,
.master.clk_speed = 100000,
};
i2c_param_config(I2C_NUM, &es_i2c_cfg);
i2c_driver_install(I2C_NUM, I2C_MODE_MASTER, 0, 0, 0);
es8311_handle_t es_handle = es8311_create(I2C_NUM, ES8311_ADDRRES_0);
const es8311_clock_config_t es_clk = {
.mclk_inverted = false,
.sclk_inverted = false,
.mclk_from_mclk_pin = true,
.mclk_frequency = EXAMPLE_MCLK_FREQ_HZ,
.sample_frequency = EXAMPLE_SAMPLE_RATE
};
es8311_init(es_handle, &es_clk, ES8311_RESOLUTION_16, ES8311_RESOLUTION_16);
es8311_sample_frequency_config(es_handle, EXAMPLE_SAMPLE_RATE * EXAMPLE_MCLK_MULTIPLE, EXAMPLE_SAMPLE_RATE);
es8311_voice_volume_set(es_handle, EXAMPLE_VOICE_VOLUME, NULL);
es8311_microphone_config(es_handle, false);
return ESP_OK;
}
Step 4. メインエントリとタスク生成
メインアプリケーションはペリフェラルを初期化した後、再生ロジックを専用の FreeRTOS タスクに引き渡します。
void app_main(void)
{
pca9535_init();
if (i2s_driver_init() != ESP_OK) {
ESP_LOGE(TAG, "i2s driver init failed");
abort();
}
if (es8311_codec_init() != ESP_OK) {
ESP_LOGE(TAG, "es8311 codec init failed");
abort();
}
xTaskCreate(i2s_music, "i2s_music", 4096, NULL, 5, NULL);
}
Step 5. DMA 事前ロードとデータ再生
DMA（Direct Memory Access） を利用することで、CPU の介入なしに I2S ペリフェラルがメモリから直接データを取得できます。DMA バッファを事前ロードすることは、I2S ハードウェアが空のバッファから動作を開始した際に突然の DC オフセット変化が生じ、「ポップ」ノイズが発生するのを防ぐための重要なテクニックです。
static void i2s_music(void *args)
{
esp_err_t ret = ESP_OK;
size_t bytes_write = 0;
uint8_t *data_ptr = (uint8_t *)music_pcm_start;
// Preload data to avoid initial "pop" sound
ESP_ERROR_CHECK(i2s_channel_disable(tx_handle));
ESP_ERROR_CHECK(i2s_channel_preload_data(tx_handle, data_ptr, music_pcm_end - data_ptr, &bytes_write));
data_ptr += bytes_write;
ESP_ERROR_CHECK(i2s_channel_enable(tx_handle));
while (1) {
ret = i2s_channel_write(tx_handle, data_ptr, music_pcm_end - data_ptr, &bytes_write, portMAX_DELAY);
if (ret != ESP_OK) {
ESP_LOGE(TAG, "[music] i2s write failed");
abort();
}
data_ptr = (uint8_t *)music_pcm_start; // Loop playback
vTaskDelay(1000 / portTICK_PERIOD_MS);
}
}
トラブルシューティング
Q1: スピーカーから音が出ない
- 確認: パワーアンプ (PA) が有効になっているか確認します。
EN_PA信号は PCA9535 IO エクスパンダの P13 ピンで制御されています。pca9535_init()が呼び出され、出力レジスタ (ポート 1、ビット 3) が正しく設定されていることを確認してください。 - 確認: I2S 接続を確認し、TX チャネルに対して
i2s_channel_enable()関数が呼び出されていることを確認します。
Q2: 音声が歪んでいる、またはパチパチというノイズが入る
- 確認: I2S クロック構成 (MCLK、BCLK、WS) が、オーディオファイルのサンプルレートと一致していることを確認します。
EXAMPLE_SAMPLE_RATEの不一致は、ピッチや再生速度の問題を引き起こす可能性があります。 - 確認: ステップ 5 で示したように DMA プリロードが実装されていることを確認します。プリロードにより、空のバッファでチャネルを開始することによって発生する「ポップ音」を防ぐことができます。
Q3: ES8311 または PCA9535 との I2C 通信エラー
- 確認: I2C SDA (GPIO20) と SCL (GPIO21) の配線を確認します。これらのピンと競合する他のペリフェラルがないことを確認してください。
- 確認: I2C アドレスが正しいことを確認します。PCA9535 は 0x20、ES8311 は 0x18 です。