【linaAudio】45円CPUで作るUSB-Audioだにょ②【動作編】

概要

USB Audio デバイスを小型マイコンで作る試みです。最終的に CH552E で USB サウンドカード（linaAudioPro）として動作させることができました。

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1. CH32V003 J4M6 にて USB Audio 認識

まず手元にあった CH32V003 J4M6 で USB Audio Class として PC に認識させることに成功しました。

しかし音声ストリーミングは不可能でした。理由は USB Audio のアイソクロナス転送には Full-Speed（12Mbps）以上が必要ですが、CH32V003 は Low-Speed（1.5Mbps） のみ対応しているため、Windows がアイソクロナス転送を拒否します。

• linaAudio(認識編)

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2. nanoCH55x（CH552G）にて初 try

ch55xduino 0.0.25 の UsbAudioSpeaker サンプルをそのまま使い、nanoCH55x 基板で動作確認しました。

• 24kHz モノラル
• P3.4（PWM2）から音声出力
• PC に USB サウンドカードとして認識

初回書き込みのポイント

CH552系のCHIPは書込み保障回数が最高200回程度とされています　ここ注意です

nanoCH55x はボタンを押しながら USB 接続でブートローダーモードに入ります。初回のみ Zadig でドライバ（libusb-win32）を当てる必要があります。

2回目以降は以下の PowerShell スクリプトで書き込めます：

# flash.ps1
$hex = Get-ChildItem "$env:TEMP\arduino_build_*\*.hex" | Sort-Object LastWriteTime -Descending | Select-Object -First 1
& "C:\arduino-1.8.19\portable\packages\CH55xDuino\tools\MCS51Tools\2023.10.10\win\vnproch55x.exe" $hex.FullName

注意点

src/ 配下にバックアップファイル（__xxx.c など）を置くと Arduino IDE がコンパイル対象にしてしまいます。バックアップは拡張子を .bak にするか別フォルダに置いてください。
CH552系のCHIPは書込み保障回数が最高200回程度とされています　ここ注意です

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3. CH552G チップにて P1.5 にポートを変更

nanoCH55x 基板は P3.5 が引き出されていないためステレオ化できません。また CH552E への移植を見据えて、音声出力を P3.4（PWM2）から P1.5（PWM1）に変更しました。

変更点

.ino

// 変更前（P3.4 / PWM2）
pinMode(34, OUTPUT);
PIN_FUNC &= ~(bPWM2_PIN_X);
PWM_CK_SE = 1;
PWM_CTRL |= bPWM2_OUT_EN;
PWM_DATA2 = 128;

// 変更後（P1.5 / PWM1）
pinMode(15, OUTPUT);
PIN_FUNC &= ~(bPWM1_PIN_X);
PWM_CK_SE = 1;
PWM_CTRL |= bPWM1_OUT_EN;
PWM_DATA1 = 128;

USBAudioSpeaker.c

アセンブリ内の PWM_DATA2 を PWM_DATA1 に変更。PWM1 は PWM2 のようなバグがないため nop 処理も不要ですが、同じ方式で安定動作します。

PWM ピン対応表

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4. CH552E チップにて完了

CH552E（MSOP-10、ピッチ 0.5mm）単体での最小回路で動作確認しました。なお CH552G（SOP-16）のピッチは 0.74mm です。

最小回路

ブートローダーモード

P1.5 を 10kΩ を介して V33（3.3V）に接続した状態で電源投入するとブートローダーモードに入ります。

デバイス名の変更

USBconstant.c の Prod_Des[] を変更することで PC 上でのデバイス名を変えられます（UTF-16LE 形式）：

// linaAudioPro（12文字）
__code uint8_t Prod_Des[] = {
    0x1A, 0x03,
    'l', 0x00, 'i', 0x00, 'n', 0x00, 'a', 0x00,
    'A', 0x00, 'u', 0x00, 'd', 0x00, 'i', 0x00,
    'o', 0x00, 'P', 0x00, 'r', 0x00, 'o', 0x00};

最終的な .ino

#ifndef USER_USB_RAM
#error "This example needs to be compiled with a USER USB setting"
#endif
#include "src/USBAudioSpeaker/USBAudioSpeaker.h"

#define SOUND_PIN 15

void setup() {
  USBInit();
  pinMode(SOUND_PIN, OUTPUT);
  PIN_FUNC &= ~(bPWM1_PIN_X);
  PWM_CK_SE = 1;
  PWM_CTRL |= bPWM1_OUT_EN;
  PWM_DATA1 = 128;
}

void loop() {
}

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結果

PC に linaAudioPro として認識され、24kHz モノラルで音声ストリーミングが動作しました。CH552G・CH552E 両対応です。

CH552系のCHIPは書込み保障回数が最高200回程度とされています　ここ注意です

ローパスフィルタ

PWM 出力にはノイズが含まれるため、LPF を追加すると音質が改善します：

P1.5 ──[100Ω]──┬── スピーカー(+)
             [0.1uF]
               │
              GND