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M5Stack IoT電子工作 制作したMP3プレーヤとインターネット・ラジオのデモ


Arduino C/C++プロググラミングで作る

制作したMP3プレーヤとインターネット・ラジオのデモ

図1　M5Stackを用いたMP3プレーヤを制作．SDカードから読み出した圧縮データをリアルタイムでデコードし，そのデコード結果をDAC経由でスピーカへ送信する画像クリックで動画を見る．または記事を読む．［提供・著］白阪 一郎
詳細：［VOD/KIT］ M5Stack Core2付き！ESP32で学ぶPython＆Arduinoプログラミング入門

MP3プレーヤのしくみ

M5Stackを用いたMP3プレーヤを制作しました．MP3デコーダを活用し，SDカードに保存されたMP3ファイルを再生します．このしくみは，SDカードから読み出した圧縮データをリアルタイムでデコードし，そのデコード結果をDAC（ディジタルアナログ変換器）経由でスピーカへ送信することで実現されます．ESP32のCPUパワーとメモリは十分で，MP3デコードをソフトウェアで処理できる点が特徴です．

デコードには「Minimalistic MP3 Decoder」などの軽量なMP3デコーダが使用されます．このデコーダはパブリック・ドメインで提供されているため，商用利用やソース配布の自由度が高い利点があります．しかし，リアルタイム処理の安定性を確保するためには，以下のような課題があります．

  1. デコード処理の負荷
    MP3デコードは計算負荷が高く，特にビットレートが高い場合，ESP32のリソースを圧迫する可能性があります
  2. バッファリングの最適化
    音声データが途切れないようにするため，リング・バッファを適切に運用する必要があります

インターネット・ラジオのデモ

インターネット・ラジオでは，MP3プレーヤの技術を基礎とし，ネットワーク通信を追加することで実現します．ESP32はWi-Fi接続が可能であるため，インターネット上のストリームURLからMP3データを取得し，リアルタイムで再生できます．このプロセスでは，以下のステップが重要です．

  1. ストリーム接続
    Wi-Fiを介してラジオサーバに接続し，音声データをダウンロードします
  2. デコードと再生: 受信したデータをリアルタイムでデコードし，スピーカへ出力します

課題として，ストリーミング・データの途切れを防ぐために，データのバッファリングを最適化する必要があります．また，ネットワーク速度の変動に対応するため，ストリーム・データのエラー処理も重要です．

リング・バッファ

リング・バッファとは

リング・バッファ（circular buffer）は，バッファリングの効率を向上させるデータ構造です．リング状に連結した配列で，データの読み書きを循環的に行える特徴があります．M5StackのMP3プレーヤやインターネット・ラジオでは，オーディオ・データのバッファリングに使用されます．

リング・バッファの利点

  1. メモリ効率の向上
    配列を固定長で利用するため，メモリを無駄なく使用できます
  2. 高速アクセス
    リング状の構造により，先頭・末尾へのアクセスが高速に行えます

データの書き込みポインタを$W_p$，読み出しポインタを$R_p$とすると，次のように動作します．

  1. 書き込み
    $W_p$の位置にデータを追加し，次に$W_p+1$に進みます
  2. 読み出し
    $R_p$の位置からデータを取得し，次に$R_p+1$に進みます

オーディオ・データ処理への応用

オーディオ・データを途切れなく再生するためには，デコード結果をリング・バッファに書き込み，DACタスクで順次読み出します．この方法により，タスク間の処理時間差による音声途切れを防ぎます．

M5Stackのようなリソース制限のある環境では，リング・バッファのサイズ（例: 1MB）を適切に設定し，バッファ・オーバーフローやアンダーフローが発生しないように調整することが重要です．

〈著：ZEPマガジン〉

動画を見る，または記事を読む

著者紹介

  • 1977年～2008年　NECで中大型コンピュータの装置開発
  • 2009年　NECラーニングで組み込み研修講師
  • 就労移行支援ベルーフで職業訓練（IT）講師，現在に至る

著書

  1. ［VOD/KIT］STM32マイコン＆Wi-Fiモジュールで学ぶ C/C++プログラミング入門，CQ出版社．
  2. ［VOD/KIT］Python×実習キット×スマホでできる！ESP32マイコン活用術，CQ出版社．
  3. ［VOD/KIT］M5Stack Core2付き！ESP32で学ぶPython＆Arduinoプログラミング入門，CQ出版社．
  4. ARM32ビット・マイコン電子工作キット ブレッドボードで気軽に始めよう，CQ出版社．
  5. 連載，子供向け1500円パソコン IchigoJam誕生，トランジスタ技術, CQ出版社．

参考文献

  1. ［VOD/Pi KIT］ラズベリー・パイで学ぶLinux＆Pythonプログラミング超入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
  2. ［VOD/KIT］実習キットでできる！ラズパイPicoでマイコン入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
  3. ［VOD/KIT］実習キットでできる！ラズパイPico×Wi-FiモジュールでIoT超入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
  4. ［VOD/KIT］一緒に動かそう！Lチカから始めるFPGA開発【基礎編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
  5. ［VOD/KIT］M5Stackで一緒に作ろう！IoTセンシング・エッジ×クラウド連携システム開発［改訂版］，ZEPエンジニアリング株式会社．
  6. ラズベリー・パイ Picoマイコン入門 C言語開発環境の構築 ，ZEPエンジニアリング株式会社．