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[RPI-PICO] 오디오 쥬크박스 만들기 2

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[RPI-PICO] 오디오 쥬크박스 만들기 1

우선 하드웨어 구성은 아래와 같습니다.

Waveshare Pico-Audio original revision
Waveshare Pico-LCD-1.44
Raspberry Pi Pico
microSD Card Adapter
Waveshare Expander Quad

이중에서 Pico-Audio는 I2C 연결
Pico-LCD-1.44는 SPI 연결
microSD Card Adapter도 SPI 연결이구요

라즈베리파이 피코가 SPI 채널이 두개라, 잘 안겹치게 배정해서 소스코드에 기재하면 됩니다. Expander를 쓰기 때문에 하드웨어적으로는 일단 조정을 잘 안해도 되고 다만 microSD Card Adapter의 경우 핀 구조상으로 Expander에 못끼우기에 점퍼케이블을 female to female로 연결해야 하네요.

본래 Expander Dual을 썼는데 모듈을 하나 더 달아야 해서 Quad로 바꾼 것도 특기해야 합니다.

일단 기존의 샘플 코드를 분석해서 흐름을 꿰찰려고 했는데요. Pico-LCD-1.44의 네개 버튼 시연 코드를 일부 떼어내어 가져와서 메뉴를 구성하고 키값을 구해서 눌린지 확인하는 조건문 코드 안에 Pico-Audio 시연 코드에 들어있는 톤 재생 코드를 두니 버튼 누르면 재생이 되었습니다.

그러나 같은 키를 한번 더 누르면 멈추게 하는 것을 살펴봐야 했고, 이는 제작사에서 제시한 라이브러리로 가능한데요. 음질의 경우 톤으로 내는 것은 소스코드에 텍스트 정보로 톤 정보로만 저장되어 재생되는 구조라 음질이 조금 좋은 부저 정도라, MP3 정도는 되어야 하기에 그만두고 microSD Card Adapter를 구해서 연결해보았습니다. microSD 카드에 MP3를 저장해서 불러오는 용도였죠.

microSD 카드는 킹스턴 제품으로, SDHC class 10 UHS-I 지원 제품인데요. 어떤 이유로 인해 FatFS를 사용하는 모든 기존의 프로젝트에서 f_mount() 실행시 error: physical drivce does not work 같은 오류가 나면서 마운트에 실패합니다.

몇가지 이상 증상은

  • LED 점멸로 상태작동을 보여주는 기능이 작동하다가 안하다가 하는데 무조건 마운트 실패
  • BOOTSEL 연결시 PC에 30초 가량 딜레이가 발생하면서 마우스 커서 버벅임
  • 라즈베리파이 피코 내장 플래시가 2MB인데, 무려 127MB로 60배가 뻥튀기되어 보임
  • 아무런 파일도 기록이 안되던 microSD 카드에 이상한 파일과 디렉토리가 발견

인데요.

뭔가 이상해서 macOS에서도 해보니 똑같이 f_mount()에서 안돕니다.

아무래도 FatFS에서 내부적으로 쓰는 코드 중에 SPI 핀과 SD 카드 명세는 잘 해놨어도 ff.c 같은 파일에서 지정하는 매크로 상수를 튜닝해야 제가 쓰는 microSD 카드와 호환된다는 것 같았는데 위 증상을 보면 석연치 않지만, 일단은 프로젝트 저자들도 SD 카드 브랜드가 문제라고 하기도 하네요. 잘 생각해보면 브랜드마다 사양도 다르고, 특히 블락 크기 설정 같은 설정도 잘 살펴서 해야 할 것 같습니다.

그래서 우선 재껴두고 집에 있는 USB 메모리를 달아 해보려고 하는데요. 라즈베리파이 피코의 USB 단자에 USB 메모리를 장착하고, Expander Quad에 별도로 있는 USB 단자로 전원공급을 해서 해볼 생각입니다. 라즈베리파이 피코를 MSC 호스트로 두고 해보는 것이죠. TinyUSB로 비슷한 작업을 하는게 되던데 잘 살펴보고 있습니다.

일단 USB 표준부터 보고 있고 단행본 입수전에 연구논문과 학위논문을 찾아서 일반적인 해설을 한 부분을 집중해서 보려고 하네요.

FatFS가 작동하면 128kbps 44.1kHz MP3 파일을 네개 저장해서 불러와서 LCD의 키로 메뉴 선택후 I2S로 재생하는 것을 할 것입니다.

FatFS로는 일단 집에 있는 USB 메모리로 해보고, 시간이 가면 microSD 카드를 최대한 작은 용량으로 오래전 사양으로 맞추어보려고 합니다. 둘다 안되면 FatFS 소스코드를 뒤적여서 하드웨어 명세를 맞추어줘야죠.

오디오 재생은 제가 쓰는 Pico-Audio original revision이 PCM5101A를 디코더로 쓰는데요. 32비트 384kHz까지 감지한다고 되어 있고 다이나믹 레인지가 106dB입니다. 44.1kHz 128kbps MP3 재생에 지장이 없습니다. 라즈베리파이 피코 C SDK에 포함된 USB 사운드 카드 모드로 돌려보면 음질이 좋습니다.

일단 USB MSC부터 살펴보면서 공부한 것을 정리해서 올리겠습니다.

[RPI-PICO] 오디오 쥬크박스 만들기 1

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라즈베리파이 피코로 쥬크박스를 만들어보려고 합니다. 하드웨어 구성은 살펴볼 필요가 없이 아래처럼 조합했습니다.

라즈베리파이 피코 (RP2040)
Waveshare Pico-LCD-1.44
Waveshare Pico-Audio
Waveshare Dual GPIO Expander

이구요.

https://www.waveshare.com/wiki/Pico-LCD-1.44
https://www.waveshare.com/wiki/Pico-Audio

에서 사양과 해설이 나옵니다. 라이브러리도 제공되네요.

LCD 모듈은 SPI 연결이고 TFT-LCD라고 되어있구요. 스위치가 제공되어 메뉴에서 항목 선택시 해당 기능을 실행하게 하는게 가능합니다. 쥬크박스 메뉴 표시와 선택기로 쓸 것이구요. 라이브러리가 잘 되어 있어서 LCD 구동후 표시한 메뉴에서 스위치문으로 신호를 받아 메뉴가 구현됩니다.

오디오 모듈은 I2C 연결이구요. PCM5101A 디코더가 탑재되어 있습니다. 32비트 384kHz의 사양에 다이나믹 레인지가 106dB이네요. 오디오 모듈 상품에 스피커가 포함되어 있습니다.

둘다 전원은 따로 연결하지 않고 라즈베리파이 피코와 연결된 핀으로 받는 것 같은데 자세한 것은 생략합니다.

우선 PCM 원리를 해설하고 들어가겠습니다.

우리 주변의 소리는 아날로그입니다. 음악소리가 스피커에서 나온다든지, 천둥 소리가 들린다는 것은 아날로그 형태의 음압이 발생해서 사람의 귀로 들어가 뇌가 인식하는 것입니다.

음압을 매질이 진동한다고 보면 파형이 되어 그래프처럼 표현하는게 됩니다.

아날로그 소리는 그래프가 매끄럽게 연결된 상태로 그려지구요. 이를 디지털 기기에서 처리할때는 샘플링이라고 해서 표본값을 얻어내서 좌표에 점찍고 처리가 되는 것으로 유비가 됩니다.

우리가 수학시간에 배웠던 것처럼 그래프를 그릴때 함수값에 따라 얻어진 변화값을 구해서 그래프 용지에 찍고나서 이들을 연결하라고 하죠? 이 연결 전의 점을 얻어내는 변화값 추출이 샘플링이고, 이를 이어주는 것이 고음질로 되는 비법입니다.

진폭을 Y축으로 시간을 X축으로 두고 파형을 그렸을때 1초의 소리 신호를 Y축에 따라 높낮이가 그려지는데요. 이때의 소리 신호를 1초에 몇개의 샘플로 얻어내는지에 의해 그래프가 더 매끄럽게 되듯이 샘플링 레이트가 중요한 사양이 됩니다.

즉 1초에 44100개의 샘플이 가능하면 샘플링 레이트는 44.1kHz가 되고 48000개로 가능하면 48kHz가 되죠. 이는 디지털화되었을때 아날로그값이 손실되는 정도를 줄여주고, 음질도 향상시켜줍니다. 그래서 오디오 CD와 DVD-Audio를 구분하기도 하네요.

이와 함께 몇비트라고 할때는 양자화 단계를 의미합니다. 8비트 양자화가 되면 2의 8승인 256 단계가 가능해지구요. 16비트는 2의 16승, 32비트는 2의 32승이 됩니다. 비트는 두가지 값만 가능하니 전체 가능한 단계가 비트로 표현되면 2의 멱수가 됩니다. 이역시도 비트수가 높아지면 정밀한 파형이 되어 음질이 좋아지게 되죠.

이를 펄스로 다룬다고 해서 pulse구요.

샘플이 취해지고 양자화가 이루어지면 각 샘플에는 이진수가 주어집니다. 16비트라면 0000 0000 0000 0000에서 1111 1111 1111 1111가 가능해지는데 이게 코드(code)입니다.

즉 PCM(pulse code modulation)은 소리를 펄스화해서 코드로 바꾸는 변조라는 의미입니다.

이는 ADC(Analog to Digital Converter)로 자연상태의 소리를 디지털화하게 되구요. DAC(Digital to Analog Converter)를 쓰면 음악파일을 스피커로 출력하는 모듈에 채택이 됩니다. 둘다 가진 모듈이 있고 하나만 가진 모듈도 있는 것 같습니다.

사양적으로 32비트, 384kHz를 제공하는 경우에는 이 전체 사양을 다 만족하는 오디오 데이터라고 해도 늘 이 전체를 다 쓰는건 아니구요. 다이나믹 레인지와 필터링, 인터폴레이션, 밴드 리미트 등의 처리를 해야 되는 알고리즘의 특성상, 사양 그대로보다는 입력 데이터와 처리 알고리즘의 특성에 의해 다 쓰이는 것은 아니죠.

다이나믹 레인지는 보통 6dB 마다 1비트씩 는다고 보면 된다는데, 106dB인 경우 대충 17.6 비트네요.

필터링, 인터폴레이션, 밴드 리미트와 같은 기술은 파형으로 다루는 소리 데이터에 노이즈를 적게 하는 용도로도 쓰이고, 파형 자체를 증폭하거나 커트해야 할 필요에 의해 제정된 기술인데 이게 제작사의 기술력과 관련이 있네요.

PCM5101A 데이터시트에 나온 사양도 이로부터 이해가 됩니다.

일단 이론 공부는 대충 이렇게 해두구요. 조만간 코딩도 해서 올려보겠습니다.

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제작사에 문의해보니 제가 구한 제품이 rev2.1이라던데 다시 확인해보니 오리지날 리비전으로 밝혀졌습니다.

rev2.1은 시러스로직의 CS4344를 디코더로 쓰고 오리지날 리비전은 텍사스 인스트루먼트의 PCM5101A를 쓰는데요. 이둘이 거의 같아보여도 후자가 사양이 좋습니다. CS4344는 32비트 192kHz까지 감지가 되는 기종이고 PCM5101A는 32비트 384kHz까지 감지가 되는데요. 다이나믹 레인지가 106dB이니 출력되는 음질은 비슷할 수도 있습니다. 물론 여러 변인이 존재하니까요.

리비전 문제로 인해 며칠 확인작업을 했는데, 전에 쓴 글에 문의를 다시 보낸다고 언급했으나 새로 쓴 글에서 언급을 안해두어 인상이 나빠질 듯하여 추가해둡니다.