Raspberry Piが出力する HiFiBerry Digi+ の制御コマンドを調べてみた

使用した DAC ボードは HiFiBerry Digi+ (の模造品だと思ふ...) です。Raspberry Pi から SPDIF (光ファイバ/同軸)で出力できるアドオンボードです。ボード上には Wolfson のWM8804 というLSIが載っています。I2S→SPDIF に変換します。

The target DAC board is (I guess a copy of) HiFiBerry Digi+, which can output optical/coaxial SPDIF on Raspberry Pi. Wolfson WM8804 is installed on this board, which converts from I2S to SPDIF.

Data Sheet: WM8804 Datasheet V4.5

そのまま I2S の線をつなぐだけでは動かない

注:このボードに I2Sの信号線をつなぐだけでは SPDIFの信号に変更してくれません。
NOTE: You cannot obtain SPDIF signals when I2S signals are simply connected to this board.

WM8804 には、ハードウェア制御モードとソフトウェアモード(2-wire, 3-wire)の電源オン(リセット回復)時の入力ピンの状態に応じてどちらの制御モードで動作するかが決定されます。このボードは 2-Wire (I2C) のソフトウェア制御モードで動作するように回路が作られています。つまり、電源オン後に外部からI2C (I2Sではない) で設定を与える必要があります。ラズパイのピンヘッダの 3番, 5番ピンが I2C の信号 (SDA, SCL) になっています。

WM8804 has two operation modes: hardware control mode and software control mode (2-wire & 3-wire). WM8804 decides the mode by state of input signals in power-on or reset. This board, HiFiBerry DiGi+, is made run in the software control mode by 2-wire (I2C). So, you need to give configurations to WM8804 by I2C (not I2S) after power-on. RPi has I2C control signals on pin #3 and #5, SDA and SCL respectively.

Board configuration:

SCLK	SWIFMODE/GP0	HWMODE/SDIN	GPO2/SDOUT	CSB/GPO1	Note
pull-up	pull-down	pull-up	pull-up	pull-up	2-wire software control mode. I2C address=0x76

ロジアナで I2C 信号を観察する

今回はこの pin3, 5をロジアナにつないで、ラズパイ3 上で aplay コマンドで各種WAVファイルを再生したときに、どのようなI2C信号が出ているのか、そのやり取りを観察してみました。なお、このボードの I2Cアドレスは 0x3B (R/Wビットを含めると0x76/0x77)で、RPiから出る I2C のクロック(SCL)は 100kHz でした。ボード上のXTALは27MHzで、そのままWM8804のXin/Xout端子に直結しています。　

In this study, I observed the I2C signal behaviors when aplay command is invoked on RPi3, connecting pin #3 & #5 to the logic analyzer. In addition, I2C address of DiGi+ is 0x3B (0x76/0x77 including R/W bit), and I2C clock frequency (SCL) that comes from RPi3 is about 100KHz. XTAL on this board is 27MHz, which is connected to Xin/Xout of WM8804 directly.

See also: [Pin headers on Raspberry Pi] (https://www.raspberrypi-spy.co.uk/2012/06/simple-guide-to-the-rpi-gpio-header-and-pins/)

kernel boot 時

OSが起動したときに特定の信号が出ます。どのボードが接続されているかを調査しているように見えます。RPiのI2CはACK/NACK信号の判定をしないらしいので観測時に注意が必要です。

When OS is booting up, the specific I2C signals appear below. I guess that RPi will try to obtain what board is connected. I2C interface on RPi seems to ignore ACK/NACK status.

R/W	DevID	Adrs	Write Data	Read Data	#Reg	Note
R	0x77	0x00	-	0x05	DEVID1	Constant by Fab. to identify WM8804
R	0x77	0x01	-	0x88	DEVID2	Constant by Fab. to identify WM8804
R	0x77	0x02	-	0x04	DEVREV	Revision E
W	0x76	0x00	0x00	-	RST	Reset chip
						interval 182 us.
W	0x76	0x1E	0x0F	-	PWRDN	See *1
						interval in 2.4 us.
W	0x76	0x1C	0x46	-	AIFRX	See *2
NOTE: After DevID's bit shifting, I2C address to write = 0x76, to read = 0x77 because LSB is appended as R/W mode.

(*1) PWRDN (0x1E) = 0x0F

Item	Status
PLL	Power down
SPDIF-Rx	Power down
SPDIF-Tx	Power down
Oscillator	Power down
I2S I/F	Power up
All outputs	Tri-stated

(*2) AIFRX (0x1C) = 0x46

Item	Status
I2S Rx format	I2S mode
I2S Rx length	20bits
I2S Rx BCLK	Not inverted
I2S Rx LRCLK	Not inverted
I2S Rx mode	Master mode
I2S Rx sync	LRCLK/BCLK are not output

aplay コマンド実行時

各種周波数・ビット長に応じた情報をまとめておきます。上から順に発行され、周波数やビット長によって書き込むデータが変わります。意外だったのは AIF (=I2S) は slave ではなく master で動作させていることでした。各設定値の詳細はWM8804 のデータシートを参照してください。

Here is summary table for each sampling frequency or bit length. I2C commands are issued from the top to the bottom, and data to write are changed corresponding to frequency and bit length. Unexpectedly, RPi runs AIF Rx (=I2S Rx) as master mode (not slave). Refer to WM8804 datasheet above for detail of each configuration.

R/W	DevID	Adrs	#Reg	44.1kHz,16b	48kHz,16b	Note
W	0x76	0x1E	PWRDN	0x07	0x07	See *3
W	0x76	0x06	PLL4	0x16	0x17	Set divider & PLL-N
W	0x76	0x07	PLL5	(0x16)	(0x16)	Cannot be output sometime
W	0x76	0x03	PLL1	0x25	0xA6	PLL-K
W	0x76	0x04	PLL2	0x2B	0x08	PLL-K
W	0x76	0x05	PLL3	0x2C	0x12	PLL-K
W	0x76	0x1E	PWRDN	0x06	0x06	See *3
W	0x76	0x15	SPDTX4	0x70	0x72	TXSRC=DAI
W	0x76	0x1B	AIFTX	0x02	0x02	I2S mode, 16b
W	0x76	0x1C	AIFRX	0x42	0x42	I2S master mode, 16b
						Interval 176 us.
W	0x76	0x1E	PWRDN	0x02	0x02	See *3

In 24bit-length, command sequence is different a little.

R/W	DevID	Adrs	#Reg	96kHz,24b	192kHz,24b	Note
W	0x76	0x1E	PWRDN	0x17	0x17	See *3
W	0x76	0x06	PLL4	(0x07)	(0x07)	Cannot be observed
W	0x76	0x07	PLL5	0x15	0x1C	Set divider
W	0x76	0x03	PLL1	0xA6	0xA6	PLL-K
W	0x76	0x04	PLL2	0x08	0x08	PLL-K
W	0x76	0x05	PLL3	0x12	0x12	PLL-K
W	0x76	0x1E	PWRDN	0x16	0x16	See *3
W	0x76	0x15	SPDTX4	0x7A	0x7E	TXSRC=DAI
W	0x76	0x1B	AIFTX	0x0A	0x0A	I2S mode, 24b
W	0x76	0x1C	AIFRX	0x4A	0x4A	I2S master mode, 24b
						interval 1000 us.
W	0x76	0x1E	PWRDN	0x06	0x06	See *3
W	0x76	0x1E	PWRDN	0x02	0x02	See *3

From other perspective;

OSC CLK	PRESCALE	CLKOUTDIV	MCLKDIV	FREQMODE	PLL-N	PLL-K	Note
27.0MHz	1	(01)	(0)	(10)	6	0x2c2b25	16bit, 44.1kHz
27.0MHz	1	(01)	(0)	(10)	7	0x1208A6	16bit, 48kHz
27.0MHz	(0)	01	0	01	7	0x1208A6	24bit, 96kHz
27.0MHz	(0)	01	1	00	7	0x1208A6	24bit, 192kHz

aplay コマンド完了後

下表のコマンドが出ている。SPDIFを停止しているようだ。
After aplay command is finished, the signals below is outputted. RPi seems to make SPDIF go down.

R/W	DevID	Adrs	Write Data	Read Data	#Reg	Note
W	0x76	0x1E	0x06	-	PWRDN	See *3
						Interval 100 us or more.
W	0x76	0x1E	0x16	-	PWRDN	See *3

(*3) PWRDN (0x1E)

Item	Write 0x17	Write 0x16	Write 0x07	Write 0x06	Write 0x02	Note
PLL	Power down	Power up	Power down	Power up	<-
SPDIF-Rx	Power down	<-	<-	<-	<-	Always power-down
SPDIF-Tx	Power down	<-	<-	<-	Power up
Oscillator	Power up	<-	<-	<-	<-	Always power-on
I2S I/F	Power down	<-	Power up	<-	<-	Set when bit length change
All outputs	Tri-stated	<-	<-	<-	<-	Always tri-stated

おまけ / Appendix

Volumio2 上でこのカードから音声を出力させることがなかなかできませんでした。過去何十回と設定を変えてますが2回しか成功してないですね...。aplay からは音が出るのでソフトウェア(Volumio2)側の問題だと思いますが。

今回、英文併記を試みていますが、文法などについて non-native からの指摘には応じませんので、ご了承ください。キリがないので。

As for me, I tried to make Digi+ output SPDIF so many times with some configuration changes on Volumio2 but I succeeded only twice. I think it is a software (Volumio 2) issue, not hardware because I can make it by aplay command.