dsPICでmicroSDからwavファイルの再生

dsPICでmicroSDからPCM音源のWAVファイルを再生してみた

１　仕様

マイコン ： dsPIC33FJ64GP802
SD ：microSDHC Class10 (メーカー： GREEN HOUSE)
再生ファイル ： Fs = 44.1kHz 、分解能16bit、ステレオ音源
クロック源　：　外付けの発信器未使用　完全に内部発振のみ

また、今回はとにかくWAVを再生することだけに専念したので、連続して音楽を再生するようなシステムや、フォルダ分けされた階層などは非対応です。

２　実際に音楽を再生している様子

基板で動いた。電源のノイズは若干ある pic.twitter.com/8qLFZPDGdi

— とりまあ@マルチコプター製作中 (@Trimming_ly) 2015, 8月 27

３　MDDFSでのmicroSDの操作

MDDFSとはMicroChiop社が提供している、PIC向けのファイルシステムで、これを使うことでFATに関する知識が要らなくなる。
そういう意味では、MDDFSの使い方をしっかり理解しないと当然エラーで悩みます。

microSDの読み書きについて過去に記事をかいたので、詳しくはそちらを確認してください。
URLはこちら

４　AudioDACでのDAC出力

dsPIC33FJ64GP802は、分解能16bitのDAコンバーターを内臓しています。
それも、これはただのDAコンバーターではなく、AudioDACというオーディオ用のDACです。
そのため、使い方は基本的に固定されています。
手順をまとめます。

４－１　オーバーサンプリングについて

このAudioDACでは、デジタル補間フィルタを備えており、256倍のオーバーサンプリングを行い補完データを作成します。
これにより、アップサンプリング時に発生するノイズを高音域に追いやる事ができるそうです。

これがAudioDACのブロック図になります。
中央にクロックとして[ACLK] が入力されています。
その先、[CLK DIV] で[ACLK]が分周されます。　この周波数を[DACCLK]とよび、音声のサンプリング周波数の256倍に設定する必要があります。

４－２　DACクロックの計算方法

[ACLK]はどのように計算するかというと、それはクロックの設定についてブロック図を確認します。

（文字がマーカーで青く強調されてるのは、ミスですので気にしないでください。）
ブロック図右下のほうを見ると、[DAC] へ伸びる矢印があり、そこに [ACLK]と書いてあります。
今回は、内部発振を使いたいので、内部発振から生成可能なのは一番近くにある [Fosc] です。

SELACK　で Foscを選択します。
SELACKというレジスタが有るわけではないのですが、設定方法はプログラム中にかいてりますので、ご確認ください。

また、Foscの設定方法もプログラム中に書いてありますが、作成中に発見した問題があります。

PLLは、M、　N1、　N2の値をレジスタで設定することで求まります。
Fosc = 7.3728MHz / N1 * M / N2
上のような式になるのですが、 N2が２より大きい場合にDAC割込みの周期に狂いが出る可能性があるということです。
私のプログラムに問題がある可能性が当然あるのですが、N2を２に設定することをお薦めします。
不思議なのは、システムクロック (Fcy = Fosc / 2)は正しく、ディレイ関数も問題なく動作するのに、DAC割込みのみが狂うという点です。

ちなみにこちらが、PLLでのクロック生成についてのブロック図です。
これとプログラムを照らしあわせて、計算方法をご確認ください。

４－３　DAC割込み関数の記述について

DAC割込みは、ライトチャネルとレフトチャネルそれぞれの割込みがあります。
今回私は夫々の割込みを丁寧に書きましたが、多くの方は片方の割込み処理内で両チャネル分の処理を書いているようです。
それでも動く上に、プログラムの処理も減るのでメモリの削減にはなると思います。

５．プログラム

こちらに今回使用したファイルをひと通り載せておきました。
URLはこちら

読み解いて真似することもできると思いますが、特に注意するべき点はバッファを２つ用意する点です。
バッファがひとつしかないと、次のデータを読み込む間無音になってしまうため、一方のバッファが再生中もう一方のバッファは読み込みをする仕組みになっています。

６．回路図

AudioDACは、さすがAudio用、差動出力になっているのですが、今回は音をだすことだけをまず確認したかったので、ステレオ、ポジティブ出力のみで音を出してみました。
AMPは HT82V739です。
非常に音が大きいので近所迷惑にならないよう…。

７．問題点

電源のノイズが乗っているようで、出力に「ぽうぽうぽうぽうぽう」という方形波のノイズが入ります。
これは、電源ラインにフィルタを入れれば恐らく解決すると思いますが、現段階では未解決です。
解決したら報告します。

８．参考文献＋ご協力くださった方

・フルート吹きのMIDI工房　様

・picfun 様

・Twitter 、FaceBookの皆様

WAVプレイヤーの進捗…

この記事は備忘録的、進捗報告です。

作品は未完成かつプログラムも作成過程ですので、ご了承ください。

• microSDカードの読み書き
• AudioDACの動作

この２つが無事成功しました。

前回、AudioDACのプログラムが動作しないという記事を書いて終わりましたが、こちらのプログラムではDACが動作するようになっているはずなのでこちらを参考に。

（DAC動作までご協力くださった師匠にこの場をお借りしてお礼申し上げます。有難うございます。）

SD読み書きプログラムにAudioADCプログラムを移植

ここで問題が発生。RAM領域がいっぱいになってしまいました。

原因は正弦波を出力するテストモードが大容量であった事。

分解能は16bitで128ポイントの正弦波を予め計算して配列に格納していましたが…　これは排除します。

結果、無事AudioDACは動作しました。
次のプログラムがそのプログラムです。
ひと通りの初期化（DACの有効化など）をするとwhileの無限ループに入り、その中でDAC割込みがただただ無限に発生します。
RA0ピンをみれば44.1kHzで割込みが入っていることが確認出来ます。

/*****************************************************************************
 
                Microchip Memory Disk Drive File System
 
 *****************************************************************************
 * FileName:        main_15_08_11_01.c
 * Dependencies:    FSIO.h
 * Processor:       dsPIC33E, PIC24E
 * dsPIC33F64GP802
 * Compiler:        C30
 * Company:         Microchip Technology, Inc.
 *
 * Note:  This file is included to give you a basic demonstration of how the
 *           functions in this library work.  Prototypes for these functions,
 *           along with more information about them, can be found in FSIO.h
 *****************************************************************************/

//DOM-IGNORE-BEGIN
/********************************************************************
 Change History:
  Rev            Description
  ----           -----------------------
  1.3.4          Initial Revision
********************************************************************/
//DOM-IGNORE-END

/*******************************************************************************
//NOTE : DISABLE MACRO "SUPPORT_LFN" IN "FSconfig.h" FILE TO WORK WITH THIS DEMO
         EFFECTIVELY. DISABLING "SUPPORT_LFN" WILL SAVE LOT OF MEMORY FOR THIS
         DEMO.
********************************************************************************/

/******************************************************************************
 * プログラム内容
 *
 * MDDFSによるmicroSDの読み書きプログラムに44.1kHzのDAC割込みが入るプログラムを
 * 付け足したプログラム。
 * このプログラムを実行すると44.1kHzのDAC割込みが常に入り、割込み関数内でRA0ピンを
 * 反転させている。
 ******************************************************************************/

/***********************************************************************
 *　　　　　　　　　プログラム全体にかかわる、初期設定
 ***********************************************************************/

/********************************
 * 　　ヘッダー　と　定数
 ********************************/
#define FCY 39628800UL
#define PI 3.14159265359
#define SIN(x)  sin(PI/180*x)

#include <xc.h>
#include <math.h>
#include <libpic30.h>
//#include "./p33FJ64GP802.h"
#include "./FSIO.h"

/********************************
 * 　　コンフィギュレーション
 ********************************/
#pragma config BWRP = WRPROTECT_OFF
#pragma config BSS = NO_BOOT_CODE
#pragma config RBS = NO_BOOT_RAM
#pragma config SSS = NO_SEC_CODE
#pragma config GWRP = OFF
#pragma config GSS = OFF
#pragma config FNOSC = FRCPLL
#pragma config IESO = OFF
#pragma config POSCMD = NONE
#pragma config OSCIOFNC = ON
#pragma config FCKSM = CSECMD
#pragma config FWDTEN = OFF
#pragma config FPWRT = PWR16
#pragma config ALTI2C = ON
#pragma config ICS = PGD1
#pragma config JTAGEN = OFF

/********************************
 * 　　　グローバル変数
 ********************************/
const char sendBuffer[] = "Hello MDDFS";
char send2[] = "2";
char receiveBuffer[50];

/********************************
 * ユーザー定義関数　プロトタイプ
 ********************************/
void init_clock(void);      // クロックの初期設定
void init_pps(void);        // ペリフェラルピンセレクトのピン設定
void init_gpio(void);       // 入出力ピンの設定
void init_dac(void);         // AudioDACの初期設定


/***********************************************************************
 *　　　　　　　　　　　　　　　関　数　群
 ***********************************************************************/

/********************************
 * 　　　　メイン関数
 ********************************/
int main (void)
{
    FSFILE * pointer;

    // Activate the RTCC module
    __builtin_write_RTCWEN();
    Nop();
    Nop();
    RCFGCALbits.RTCPTR0 = 1;
    RCFGCALbits.RTCPTR1 = 1;

    // Set it to the correct time
    // These values won't be accurate
    RTCVAL = 0x0011;
    RTCVAL = 0x0815;
    RTCVAL = 0x0108;
    RTCVAL = 0x2137;
    RCFGCAL = 0x8000;

    init_clock();
    init_pps();
    init_gpio();
    init_dac();

    while(1);
    
    while (!MDD_MediaDetect());
    // Initialize the library
    while (!FSInit());

/*
   // Open file 1 in read mode
    pointer = FSfopen ("FILE1.TXT", "r");
    if (pointer == NULL){
        //ERROR();
        while(1);
    }

   // Read one "r_byte"-byte object
    r_byte = 5; // 1バイト読み取り
    if(FSfread (receiveBuffer, r_byte, 1, pointer) != 1){
        //ERROR();
        while(1);
    }

   // Check if this is the end of the file- it shouldn't be
    if (FSfeof (pointer)){
        //ERROR();
        while(1);
    }
    // Close the file
    if (FSfclose (pointer)){
        //ERROR();
        while(1);
    }
    __delay_ms(1000);
    if(receiveBuffer[0] == 'a') LATAbits.LATA0 = 1;
    __delay_ms(1000);
    if(receiveBuffer[1] == 'b') LATAbits.LATA1 = 1;
    __delay_ms(1000);
    if(receiveBuffer[2] == 'c') LATAbits.LATA2 = 1;
    __delay_ms(1000);
    if(receiveBuffer[3] == 'd') LATAbits.LATA3 = 1;
    __delay_ms(1000);
    if(receiveBuffer[4] == 'e') LATAbits.LATA4 = 1;
*/

    // Create a file
    pointer = FSfopen ("FILE2.TXT", "w");
    if (pointer == NULL){
      while(1);
    }
    
    // Write 21 1-byte objects from sendBuffer into the file
    if (FSfwrite (sendBuffer, 1, sizeof(sendBuffer), pointer) != sizeof(sendBuffer)){
        while(1);
    }
 
    // FSftell returns the file's current position
    if (FSftell (pointer) != sizeof(sendBuffer)){
        while(1);
    }

    // FSfseek sets the position one byte before the end
    // It can also set the position of a file forward from the
    // beginning or forward from the current position
    if (FSfseek(pointer, 1, SEEK_END)){
      while(1);
    }

    // Close the file
    if (FSfclose (pointer)){
        while(1);
    }
    while(1);
}

/********************************
 * ペリフェラルピンセレクトの設定
 * 　主にSPIピンの設定
 ********************************/
void init_pps()
{
    /*
     * ----Initialize Peripheral Pin Select of SPI----
     *      <入力の割り当て>
     * [入力名]                      [機能名]   [レジスタ]   [コンフィグレーションビット]
     * SPI1データ入力                 SDI1      RPINR20      SD1R
     * SPI1クロック入力               SCK1      RPINR20      SCK1R
     *
     *      <出力の割り当て>
     * [出力名]                      [機能名]    [RPnR]
     * RPnをSPI1データ出力に接続      SDO1        00111
     * RPnをSPI1クロック出力に接続    SCK1OUT     01000
     *
     * CS(Chip Select)  は   RB5
     */
    TRISBbits.TRISB5 = 0;       // CSは出力端子

    /**************************************************
     *            Un lock Registers                   *
     **************************************************/
    __builtin_write_OSCCONL(OSCCON & 0xDF);

    /**************************************************
     *            Configure Input functions           *
     **************************************************/
    // Assign "SDI1" To Pin "RP2"   (RB2)
    RPINR20bits.SDI1R = 2;

    // Assign "SCK1" To Pin "RP3"  dsPICがマスターだから使わないかも。
    //RPINR20bits.SCK1R = 3;a

    /**************************************************
     *            Configure Output functions          *
     **************************************************/
    // Assign "SDO1" To Pin "RP3"
    RPOR1bits.RP3R = 0b00111;
    // Assign "SCK1OUT" To Pin "RP4"
    RPOR2bits.RP4R = 0b01000;

    /**************************************************
     *                Lock Registers                  *
     **************************************************/
    __builtin_write_OSCCONL(OSCCON | 0x40);
}

/********************************
 * 　　　汎用入出力の設定
 ********************************/
void init_gpio()
{
    AD1PCFGL = 0xFFFF;
    TRISA = 0x00;
    TRISBbits.TRISB2 = 1;       // RB2(SDI1) is in pin
    TRISBbits.TRISB3 = 0;       // RB3(SDO1) is out pin
    TRISBbits.TRISB4 = 0;       // RB4(CKOUT)is out pin

    LATA = 0x0000;              // PORTAを全て0で初期化
    LATB = 0x0000;
}

/********************************
 * 　　　動作クロックの設定
 ********************************/
void init_clock()
{
    // Initialize and configure Primary PLL, and enable Secondary Oscillator
    // Fvco = 7.3728MHz / N1 * M = 158.515MHz
    // Fosc = Fvco / N2 = 158.515MHz / 2 = 79.258MHz
    // Fcy = Fosc / 2 = 39.629MHz
    PLLFBDbits.PLLDIV = 41;     // M = 43
    CLKDIVbits.PLLPOST = 0;     // N2 = 2
    CLKDIVbits.PLLPRE = 0;      // N1 = 2

    CLKDIVbits.ROI = 0;         // Interrupts have no effect on the DOZEN bit
    CLKDIVbits.DOZE = 0;        // Fcy / 1
    CLKDIVbits.DOZEN = 0;       // disable DOZE
    CLKDIVbits.FRCDIV = 0;      // FRC/1(default)

    ACLKCONbits.AOSCMD = 0b00;  // 補助オシレータ(Aosc)を無効にする(規定値だけど)
                                // 必然的に補助クロックはPLL出力を参照
    ACLKCONbits.APSTSCLR = 0b111;
}

/********************************
 * 　　Audio DACの設定
 ********************************/
void init_dac()
{
    DAC1STATbits.ROEN = 1;      // Right Channel DAC Output Enabled
    DAC1STATbits.LOEN = 1;      // Left Channel DAC Output Enabled

    DAC1STATbits.RITYPE = 0;    // Right Channel Interrupt if FIFO is empty
    DAC1STATbits.LITYPE = 0;    // Left  Channel Interrupt if FIFO is empty

//    DAC1STATbits.LMVOEN = 0;    // Midpoint DAC output is anabled
//    DAC1STATbits.RMVOEN = 0;    // Midpoint DAC output is anabled

    DAC1CONbits.AMPON = 0;      // Amplifier Disabled During Sleep and Idle Modes
    // Fs = 44.1kHz
    // Fs(kHz) * 256 = 11.2896MHz
    // Fvco(MHz) / 11.2896MHz = 14.041 ≒ 14
    DAC1CONbits.DACFDIV = 13;   // Divide Clock by 14
    DAC1CONbits.FORM = 0;       // Data Format is Unsigned

    DAC1DFLT = 0x8000;          // Default Value set to Midpoint when FORM

    IFS4bits.DAC1RIF = 0;       // Clear Right Channel Interrupt Flag
    IFS4bits.DAC1LIF = 0;       // Clear Left  Channel Interrupt Flag

    IEC4bits.DAC1RIE = 1;       // Right Channel Interrupt Enabled
    IEC4bits.DAC1LIE = 1;       // Left  Channel Interrupt Enabled

    DAC1CONbits.DACEN = 1;      // DAC1 Module Enabled
}

/********************************
 * 　　Audio DAC　割込み関数
 ********************************/
//-- ライトチャネル
void __attribute__((interrupt, no_auto_psv))_DAC1RInterrupt(void)
{
    LATAbits.LATA0 =  ~LATAbits.LATA0;
    IFS4bits.DAC1RIF = 0;       // Clear Right Channel Interrupt Flag
    DAC1RDAT = 0x8000;          // User Code to Write to FIFO Goes Here
}

//-- レフトチャネル
void __attribute__((interrupt, no_auto_psv))_DAC1LInterrupt(void)
{
    IFS4bits.DAC1LIF = 0;       // Clear Right Channel Interrupt Flag
    DAC1LDAT = 0x8000;          // User Code to Write to FIFO Goes Here
}

wavファイルからデータチャンクを探す

wavファイルのファイル構造について、書籍やネットで色々見ました。
しかししっかり頭には入っていません。
ひとまずわかった事

分解能： 16bit or 8bit
チャンネル： ステレオ or　モノラル
サンプリングレート： 44.1kHz or 48kHz

これらの可能性があり、ファイルのヘッダに書かれているようです。

これらを考慮するとDACのクロック設定を弄る必要が出てしまい、手間がかかるので

分解能： 16bit
チャンネル：　ステレオ
サンプリングレート：　44.1kHz

という条件のファイルを用意することにしました。

①　ファイルから４キロバイトのデータをバッファに読み込む
②　memmem関数を作り、dataというデータを探す
③　dataが見つかった場所＋４バイト（データサイズを表す領域）の先にポインタをセット
④　順次データを読み出し

このような手順を取ります。

参考サイト

・memmem関数の作成について(URL)
教えてgoo!より、jacta様の解答がそのまま使えそうだったので使わせて頂きました。