FPGA FMチューナーとRaspberry piのI2S接続

やりたいこと

FPGA FMチューナーは， 特に電波状況が良い場合，信じられないほど良い音がします． これをデジタルで録音しておきたいと考えました． このチューナーにはS/PDIF出力がありますので， これで接続してPC録音するなら簡単です． ただ，一日2時間程度の録音のためにPCを常時上げっ放しにはしたくない．

そこで，Raspberry piで録音できないかと考えました． Raspberry piなら上げっ放しでも良いですし， タイマーで立ち上げることもできます． 録音のためには，「S/PDIF→DAI→RaspiのI2S」というハードを作れば良いわけですが， 実はFMチューナー内部でのFPGAとDAC （PCM1781）の接続はI2Sですので， I2SでRaspiに直結できるのではと考えました． Raspberry piでのI2Sを使った再生（DAC）の情報は沢山あるのですが， 録音に使う話は少ないので，ちょっと詳しく書いてみます．

ハード編

基本的なことを幾つか確認します． まずPCM1781の接続方式です． I2Sと似た方式のright-justifiedなどがあるので確認が必要です． PCM1781の1番ピンはNCですが，内部でpulldownされているので，これでI2Sです．問題なし．

次に電圧．元々のPhilipsのI2Sの規格ではTTLレベルのようですが， Raspberry piのGPIOは3.3Vです． FPGAとPCM1781も3.3V接続ですので，電圧も問題なし．

最後に，I2Sのパラメータです． FPGAとPCM1781のI2S接続は，192,000Hzの24bitとなっていますが， ロジックアナライザで観測したところ，1ワードを32クロックで送信していました． これは特殊なことではなく，I2Sはこういうもののようです． 元々，I2Sにはワード長という概念はありません． I2SではWS信号の切り替わった直後（正確には切り替わった1クロック後）から， データをMSBからLSBの順で送信して行きます． 受信側は，16bitで十分なら16bitで打ち切ればよいわけです． （実際，今回は16bitしか使っていません．） I2Sの設定をしているプログラム (bcm2708-i2s.c) も確認しましたが， このような信号でもちゃんと受信できるようになっています．

接続回路ですが，オリジナルのFMチューナーは次のようになっています． 

FPGA─抵抗(100オーム)─PCM1781
今回はパターンカットしやすさから抵抗とPCM1781の間でカットしました． GPIOは双方向なので，出力が衝突した時の保護のため，更に500オームを挟みました． （何となく5mAくらいなら流れても大丈夫だべ，という適当な値．） 
FPGA─抵抗(100+500オーム)─Raspberry pi I2S (=GPIO)
という接続です．ピン対応は次の通りです．ハードは，とても簡単です． 
DATA (=SD): 元のPCM1781の6番 → GPIO30
BCK (=SCLK): 同7番 → GPIO28
LRCK (=WS): 同8番 → GPIO29
GND: GND

ソフト編 (ドライバー)

ディストリビューションはRaspbian (Wheezy, Sept-2014) で， Linuxカーネルは3.12.28+です． GPIOからI2S入力するためには，ドライバーが必要です． Raspberry pi用のADC/DAC基板が何種類か売られています． これらはI2S接続ですので，それらのドライバーを使わせて貰います．

それらの既存のドライバーを流用して新しいドライバープログラムを作ることも簡単です （Kconfig，Makefile，arch/arm/mach-bcm2708/bcm2708.cをチョコっといじる）が， 今回は横着して，RPI DACのドライバーをそのまま改造してしまうことにしました． （もちろん，これをやると本物のRPI DACは接続できなくなります．） RPI DACを選んだのは，このドライバーが一番シンプルそうだったからです．

RPI DACは，DACとしてpcm1794aを搭載していますので，そちらも修正します． つまり，以下の2つのファイルを修正します．

I2S受信側のドライバー: sound/soc/bcm/rpi-dac.c

	return snd_soc_dai_set_bclk_ratio(cpu_dai, 32*2);
ここは既にこうなっているのですが，重要なところなので確認です． 上の第2引数は，32クロックで2ワード（2チャンネル）を受信するという意味です． 他のドライバーでは， この部分はワード長の2倍としているものもあります． RPI DACは32クロック固定方式のようです． FPGAもたまたま同じ方式だったので修正しなくて良いわけです． 
	.dai_fmt = 〜
		   SND_SOC_DAIFMT_CBS_CFS,
これを次のように変更します． 
	.dai_fmt = 〜
		   SND_SOC_DAIFMT_CBM_CFM,
これはcodec側から見て，bit clockとframe clockを駆動するかどうかの指定です． 元はS (Slave) になっていますが，今回はcodec側が駆動するのでM（Master）にします．

I2S送信側のADC/DACのドライバー: sound/soc/codecs/pcm1794a.c

	.playback = {
この行を次のように変更します． 
	.capture = {
もちろん，再生デバイスではなく，録音デバイスになるという意味です．

最後は不要なのですが，32bit録音したくなるかもという場合は， 

		.formats = 〜
この行に次を追加します． これは，ドライバーが対応可能なフォーマットを指定しているだけで，動作とは関係ありません． 
		.formats = 〜
			   SNDRV_PCM_FMTBIT_S32_LE

あとはカーネルを普通に作成します．カーネルコンパイルの方法はWeb等を参照して下さい．

ソフト編 (ドライバーの設定)

作成したドライバーをロードするための設定をします． Web上の情報が錯綜していますが，Raspbian (Wheezy, Sept-2014)では， HiFiBerryの設定方法をマネるのが一番良いようです．

/etc/modprobe.d/rasp-blacklist.confの中の次の行をコメントアウトします．
（下の2行はコメントアウトしなくていいと思いますが．） 

blacklist i2c-bcm2708
blacklist snd-soc-pcm512x
blacklist snd-soc-wm88704

/etc/modulesに以下の行を追加します． 

snd_soc_bcm2708
bcm2708_dmaengine
snd_soc_rpi_dac
snd_soc_pcm1794a
/etc/asound.confを作成します．これはsoxしか使わないなら関係ないかも． 
pcm.!default {
  type hw card 0
}
ctl.!default {
 type hw card 0
}
これでリブートして， 
arecord -l
とやってRPI DACが（入力デバイスとして）見えれば成功です．

ソフト編 (録音ソフト)

arecord -c2 -r192000 -f S16_LE out.wav
とすれば録音はできます．が，実際は音がブツブツと途切れて聞けたものではありません． バッファリング時間を調整して，--buffer-time=100000 とすると良いようです．

現在はarecordでなく，soxを使っています． 

export AUDIODEV=hw:0,0
export AUDIODRIVER=alsa
rec -q --buffer 50000 -c2 -b16 -r192000 out.wav
bufferサイズを指定しなくても録音できますが，時々overrunが出ます． 上の値が一番良いようです．（この値が65535を越えると無限にエラーが出続けます．）

ただし，それでもSDカード (TranscendのSDHC Class10 16GB, カタログスペック 20MB/S) への保存だと1〜2分に一回程度のoverrunが出ます． USBメモリへ直接保存するとかなり減少し，2時間で0回ということもあります．

48,000Hzに落として，ついでにflacにします． 

sox -q --buffer 50000 -c2 -b16 -r192000 -d -r48000 out.flac downsample 4
これで2時間で500MBくらいでしょうか． overrunはほぼ出ません．

RTCタイマーによるRaspberry piの電源オン

やりたいこと

Raspberry piとタイマーのI2C接続ができたので， 元々の目的であった，指定時刻でのFM放送の録音を考えます． そのためには，ある時刻に電源を入れる必要があります． 最初は，安いプログラムタイマーを使っていましたが， もう少し何とかならないかと考えてみました．

Raspi用のRTCとしては，DS3231を組み込んだモジュールが販売されています （例えばこちら）． DS3231にはAlarm機能が付いていますので，これを使ってみます．

ハード

Raspberry piの電源回りはとてもシンプルで， 単に電源が入れば立ち上がります．リセット信号もありません． DCのオン・オフにはSSRは適していないようなので，リレーを使います． 回路はこんな感じ．

[回路部品の説明]

抵抗の値は，手元にある適当なものでだいたい動くと思います． 実際，今の回路は図の値とは少し違います．

リレーは OMRON G6B-1114P-US DC5V です．接点定格は30V 5A．

コンデンサは，Raspberry piがrebootする時にUART TxDが一秒程度落ちる間， 電源を維持するために必要です． 現在は220μが入っていますが，100μでも十分な気がしますので，回路図ではこの値にしてあります．

トランジスタ，特に前段の2SC1815はほとんど何でもいいと思います． それに2SC1815オリジナルは製造中止なので， 互換品（例えばKSC1815）を使うことになります．

電源オンのスイッチはチャタリングする可能性があるので，2SA1015のベースでなく， コンデンサのところに付けています． 今は220μなので，やや長目に押す必要がありますが，100μならチョン押しでいいはずです．

[動作の説明]

DS3231 INT（3番ピン）は，通常はハイインピーダンスで，Alarm指定時刻でLowになります． これを使って2SA1015をオンにします．（なお，INTは後述するA1Fがクリアされるまで， ずっとLowのままです．）

一旦立ち上がったら，Raspberry pi側でshutdownを実行するまで， INTの値に関係なく電源はオンのままでなければなりません． それには，Raspが生きていることをハード側で知る必要があります． いろいろ調べたところ， UART TxD（8番ピン）が内部でプルアップされていることを使うのが良さそうです． ただし，UARTは本来の用途には使えなくなってしまいます． （GPIO4を使うと良いという情報もありました．）

以上については，こちらを参考にしました．

なお，電源の容量ですが，安い5V 2AのACアダプタを使っていた時には， DS3231がリセットされる現象に悩みました． 突入電流で電圧が降下していたようです． 定常状態での電流は実測で0.9A（Raspi＋チューナー＋ファン）ですが， 突入電流は2A以上になると思われます．

ソフト

DS3231は，I2CでRaspberry piに接続します．I2Cをいじるには，i2c-toolsを使います． なお，DS3231のI2Cアドレスは0x68です．

現在は，次のような流れで録音しています．

Alarmレジスタの設定は，DS3231のデータシートを見れば分かると思いますので，注意点だけ． 時間はすべてUTCですので，AlarmレジスタにはUTCの値を書き込む必要があります． 曜日の数え方も次のようにずれています．（個人的には日曜日=0で始まるべきだと思うんですけどね．）

ケースへの組込み

全基板をシャープのBSチューナーTU-HD1のケースに入れてみました．

電源基板が傾いているのは，既存のホールを利用したためです． 電源は5V 10Aなので，ちょっと大き過ぎです．そのうち小型のものに変えます． FMチューナー基板はアンテナコネクタがリアパネルに出るように， Raspberry pi基板はLANケーブルがリアから挿せるように配置しました． I2S接続基板は再利用品なので汚いです．

POWER ONのスイッチと電源オン表示のLEDは，TU-HD1のフロントパネルのものを利用しています． また，USBメモリは頻繁に使うので， Raspberry piのUSBコネクタをフロントパネルに移設しました．

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