ESP32-DevKitC-32EでBluetooth オーディオレシーバーを作ってみた

はじめに

メリークリスマス！！！！！！

こちらの記事は私が所属している研究室のアドベントカレンダーの12月25日(最終日)の記事になります。今日は12月25日のはず……(^_^;)

何を作って書こうか迷ったのですが、折角なので、今年自分が作ろうと思っていたものを作ろうと思い、ESP32マイコンを使ったBluetooth Audioレシーバーを作成しました。誰しも一度は作ろうと思ったことがあるはずです。市販のものを使えば良いじゃんという意見は受け付けません。

ということで、クリスマスですし(?)、素敵なプレゼントとして書いていこうと思います！！！！

出来上がったもの

出来上がったものの動画になります。

私が持っているEDIFIER MR4に挿してBluetooth経由で使用する事もできました。

参考記事

参考にした記事です。もうほぼここに書いてあることをするのですが、プログラムが少し違います。

用意するもの

• ESP32-DevKitC-32E ESP32-WROOM-32E開発ボード 4MB
• ADA-6250
  Adafruit PCM5102 I2S DAC(ラインレベル出力付き)

秋月電子通商と千石電商でそれぞれ購入します。

※以下の物はもし、お持ちで無ければになります。

• ユニバーサル基板
• ピンソケット
• 3.5mmオーディオケーブル
• スピーカー
• アンプ(アンプ内蔵のスピーカーであれば、アンプは別途必要ありません)

回路図

2つのモジュールの接続方法を回路図で書きました。

必要なライブラリ

以下の2つのライブラリが必要となります。
両方、zip形式でダウンロードし、ライブラリをインクルードしてください。
Arduino IDEでのzip形式でライブラリをインクルードする方法はこちらを参考にしてください。

プログラム

#include "AudioTools.h"
#include "BluetoothA2DPSink.h"

I2SStream i2s;
BluetoothA2DPSink a2dp_sink(i2s);

void setup() {
    auto cfg = i2s.defaultConfig(TX_MODE);
    cfg.pin_bck = 26;
    cfg.pin_ws = 25;
    cfg.pin_data = 22;
    cfg.sample_rate = 44100;
    cfg.bits_per_sample = 16;
    cfg.channels = 2;
    i2s.begin(cfg);  // I2Sを初期化

    a2dp_sink.set_auto_reconnect(true);
    a2dp_sink.start("BT_Audio");//BluetoothAudio名
}

void loop() {
  // put your main code here, to run repeatedly:
}

こちらをボードの選択をESP32 Dev Moduleを選択して書き込みます。

そうすると、

a2dp_sink.start("BT_Audio");//BluetoothAudio名

で指定した、機器名でBluetooth Audioとして接続できる状態になります。

解説

ソースコードとハードウェアについて解説していきます。

コード

これは ESP32 用の Bluetooth A2DP オーディオレシーバー のArduinoスケッチです。

概要

スマートフォンなどからBluetoothでオーディオを受信し、I2S DACに出力するプログラムです。

使用ライブラリ

• AudioTools.h - オーディオ処理用ライブラリ
• BluetoothA2DPSink.h - A2DP（Advanced Audio Distribution Profile）受信用

コード解説

グローバル変数（4-5行目）
I2SStream i2s;                    // I2S出力ストリーム
BluetoothA2DPSink a2dp_sink(i2s); // Bluetoothシンク（受信側）

setup()関数（7-18行目）

設定項目	値	説明
pin_bck	GPIO 26	ビットクロック
pin_ws	GPIO 25	ワードセレクト（LRCK）
pin_data	GPIO 22	データ出力
sample_rate	44100 Hz	CD品質のサンプリングレート
bits_per_sample	16bit	ビット深度
channels	2	ステレオ

Bluetooth設定

• set_auto_reconnect(true) - 自動再接続を有効化
• start("BT_Audio") - デバイス名「BT_Audio」でBluetooth待受開始

動作

1. ESP32が「BT_Audio」という名前でBluetoothデバイスとして認識される
2. スマホ等からペアリング・接続
3. 音楽を再生するとI2S DAC経由でアナログ音声が出力される

接続先

PCM5102やMAX98357などのI2S DACモジュールを接続して使用します。

コード変更理由

参考にした記事で用いられているコードを私の環境で実行しようとした際に、コンパイルが通らず以下のエラーが発生しました。

error: 'i2s_pin_config_t' was not declared in this scope; did you 
mean 'gpio_config_t'?

どうやら、ESP32-A2DPライブラリ v1.8.8 は、ESP-IDF v5.x に対応するためにAPIが変更されたらしく、以下の古いAPIが使えないそうです。

• i2s_pin_config_t
• i2s_config_t
• set_pin_config()
• set_i2s_config()

なので、ライブラリの作者が推奨する arduino-audio-tools ライブラリを使用する新しい書き方に変更しました。

なぜ、ESP-IDF?思った方もいると思いますが、Arduino　IDEを用いてESP32のボードを開発する際は、arduino-esp32ライブラリを用いて開発しているのです。このarduino-esp32ライブラリはリリースノートを見るとわかるように、ESP-IDFをベースに作られています。
なので、このESP-IDFのバージョンの変更に伴い、古いAPIが使用できなくなっています。

I2S（Inter-IC Sound）

デジタルオーディオをIC間で転送するためのシリアル通信規格です。1986年にPhilips（現NXP）が開発しました。

3本の信号線

信号名	別名	役割
BCK (Bit Clock)	BCLK, SCK	ビット同期用クロック
WS (Word Select)	LRCK, FS	左右チャンネルの切替（L=Low, R=High）
SD (Serial Data)	DOUT/DIN	実際の音声データ

タイミング図（簡略）

BCK:  __|‾|__|‾|__|‾|__|‾|__|‾|__|‾|__|‾|__|‾|__|‾|__|‾|...

WS:   ________|‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾|__________________|‾‾‾...
         Left Channel            Right Channel

SD:   --<D15><D14><D13>...<D1><D0><D15><D14>...<D1><D0>--

特徴

• 同期式 - クロックに同期してデータ転送
• 低遅延 - リアルタイムオーディオ向き
• ノイズ耐性 - デジタル転送なので劣化しない
• 柔軟性 - 16/24/32bit、様々なサンプルレートに対応

ESP32での使用例

cfg.pin_bck = 26;      // GPIO26 → DACのBCK端子へ
cfg.pin_ws = 25;       // GPIO25 → DACのLRCK端子へ
cfg.pin_data = 22;     // GPIO22 → DACのDIN端子へ

接続図

┌─────────┐         ┌─────────────┐
│  ESP32  │         │  I2S DAC    │
│         │  BCK    │  (PCM5102等)│
│  GPIO26 ├────────→│ BCK         │
│  GPIO25 ├────────→│ LRCK        │───→ アナログ
│  GPIO22 ├────────→│ DIN         │     音声出力
└─────────┘         └─────────────┘

I2Sを使う理由

方式	品質	用途
PWM/DAC内蔵	低〜中	簡易的な音声出力
I2S + 外部DAC	高	高音質オーディオ

ESP32内蔵DACは8bitですが、I2Sで外部DACを使えば16/24bit高音質を実現できます。

ESP32-DevKitC-32E採用理由

まず、最初にBluetoothで、音声等のデータを扱う場合、Bluetooth Classicに対応している必要があります。私は普段SeedStudioのXIAO ESP32シリーズのマイコンを使用しているので、ESP32S3等でやろうかなと考えていたのですが、どうやら、Bletooth Classicには非対応とのこと。色々調べていると、ESP32-DevKitC-32Eが良いとの結論になり、今回使用しました。技適も通っているので、安心して使用できますね。

おわりに

今回はESP32-DevKitC-32EとADA-6250 Adafruit PCM5102 I2S DAC(ラインレベル出力付き)を用いてBluetooth Audio レシーバーを作成しました。プログラムは、ほぼライブラリで完結するし、ハードウェア部分もADA-6250 Adafruit PCM5102 I2S DAC(ラインレベル出力付き)が便利すぎて、はんだ付けも少なく楽に作ることができました。
皆さんも是非作ってみてね。

アドベントカレンダーも本当はAWSのS3　Vectorsを使った記事を書こうと思っていたりしたのですが、作りたいもの、欲しい物を優先しちゃった(´>∀<｀)ゝ

少々遅れてしまいましたが、これにて2025年のアドベントカレンダーを締めくくらせていただきます。

それでは皆様、良いお年を！！！