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音楽再生システムを作ってみた音楽再生機能設計編

Last updated at 2023-08-08Posted at 2023-05-09

1. 今回のやりたいこと

音楽再生システムを作ります。
これを実現するためには、下記4つの機能が必要になります。

表示機能
ダウンロード機能
音楽受信機能
音楽再生機能

詳細については下記リンクを参照ください。
音楽再生システムを作ってみた (前編)

本記事では、音楽受信機能と音楽再生機能の設計編に関する内容を記載します。

2. 音楽受信/再生機能

音声データのフォーマットはWAVファイルとし、BlueTooth経由で受信します。BlueToothデバイスには、HC-06を使用します。（HC-06の詳細についてはKOZOS上で超音波センサのデータを周期的にPCへ送信してみた (設計編)を参照ください）

音楽受信/再生機能のソフトウェア構成図を以下に示します。
下記図の左半分が音楽受信機能、右半分が音楽再生機能になります。

次章から、各ソフトウェアの説明をします。

2.1 音楽受信/再生アプリケーション

改めての説明にはなりますが、音楽データはBlueTooth経由で受信します。BlueToothデバイスとして使用するHC-06の通信インタフェースはUARTであり、その最大通信速度は115200bpsとなっています。音声の仕様としては、1サンプル16bit、モノラル、サンプリング周波数16kHzとなっています。
1サンプルは16bitのため、1サンプルをBlueTooth経由で受信するのに約0.13ms（(1/115200)×16）かかります。1s分の音声を再生するには16000サンプル必要になるため、1s分の音声データを受信するのに約2s(16000×0.13)かかってしまいます。

ある程度連続で音声を再生させたいため、アプリにて音声データをためる必要があります。
音楽データをためるためのバッファ構造を以下に示します。

バッファは2次元配列で定義し、1つ1つのデータが1サンプルに相当します。x方向は160サンプル(10ms分の音声データ)とし、これを1フレームと定義します。今回は、最大3秒分の音声データを格納するようにするため、y方向は300フレームとします。

2.2 WAVファイル解析マネージャ

WAVファイルにはヘッダとデータがあります。ヘッダを解析し、WAVファイルと認識した場合は、データを音楽受信/再生アプリケーションへ通知します。

2.2 BlueToothデバイスドライバ

BlueToothデバイスを制御するためのソフトウェアになります。
BlueToothデバイスドライバ下記2つのタスクから構成されています。

データ受信タスク
BlueToothからのデータを受信するタスクになります。
データを受信するとWAVファイル解析マネージャへ通知します。
データ送信/接続チェックタスク
BlueToothデバイスと接続状態を管理し、接続されている場合はデータをBlueToothデバイスへ送信します。（ただし、今回はデータ送信は行いません。デバッグ用にATコマンドを送信するときにのみ使用します。）
デバイスとの接続方法については結構調べたため、詳しく説明したいと思います。KOZOS上で超音波センサのデータを周期的にPCへ送信してみた (設計編)でも接続方法について記載しているのですが、今回はより詳細に調査いたしました。
今回、HC-06と使用しているマイコンとは以下のように接続しています。

HC-06には、STATE、RXD、TXD、GND、VCC、WAKE UPピンがあります。いろいろ調査したところSTATEピンがデバイスとの接続チェックに使えることがわかりました。
以下に何かしらと接続されているときと接続されていないときのSTATEピンの波形を載せます。
・接続されているときの波形

・接続されていないときの波形

上記の通り、何かしらと接続されているときは常に3.3V、接続されていないときは約200ms周期でhighとlowを繰り返しています。10ms周期でSTATEピンを確認し、16回連続同じ値であれば”接続された”、そうでない場合は"接続されていない"と判断することとしました。