PCM1802 + STM32F407VET6 音同期ガイド

概要・特徴

• 高精度音声解析: PCM1802による24bit/32-48kHzサンプリング
• リアルタイム処理: STM32F407VET6 + CMSIS-DSPによる低レイテンシ解析（目標 <10ms）
• DMX制御: 周波数スペクトル・ビート検出結果をDMX演出エンジンへ出力
• カスタマイズ性: Roland VC-1-DMXを上回る柔軟性とコスト優位性

3D構成イメージ

できました！こちらが、利幸さんの構成「PCM1802 + STM32F407VET6 + UART出力 → 音楽同期照明制御」の3Dイメージです：

🧠 イメージの構成要素（3D視点）

• RCA IN端子：赤・白のライン入力（左下）
• PCM1802 ADC：アナログ音声 → I2Sデジタル変換（中央）
• STM32F407VET6 DSP：CMSIS-DSPでFFT/RMS解析（右中央）
• UART出力：解析結果をPCや照明制御ユニットへ送信（右端）
• Visualizer画面：RGBバーで音楽の周波数分布を表示
• LEDブリック：赤・緑・青のLEDが音楽に同期して発光

このイメージは、利幸さんの構成を視覚的に理解しやすくするために設計されています。照明演出やDMX制御を加えたバージョンも描けますので、必要なら次のステップに進めましょう！

ハードウェア構成

接続構成

RCA入力 → [RC Filter] → PCM1802 → I2S → STM32F407VET6 → DMX出力
                                    ↑
                              24.576MHz MCLK
                              (必要に応じて外部生成)

電源・GND設計

• PCM1802の AGND/DGND を一点でSTM32のアナログGNDに合流
• ノイズ低減のためアナログ・デジタル電源分離
• フェライトビーズやデカップリングコンデンサによるEMI対策

ファームウェア構成

I2S・DMA設定

• PLLI2S設定: PLLI2SN=271, PLLI2SR=2 で48kHz生成
• SPI2/I2S2ext: フルデュプレックス・スレイブ受信モード
• DMA2_Stream0/3: 循環モードでPing-Pongバッファ管理
• 割り込み処理: DMAハーフ転送・転送完了で処理フック

データフロー

PCM1802 (24bit左詰め) → DMA → Ping-Pong Buffer 
                                        ↓
float32変換 → 前処理 → FFT → バンド集約 → DMX出力

DSP解析パイプライン

🔄 処理ステップ

1. 前処理
   • DCオフセット除去（移動平均）
   • ハニング窓適用でスペクトル漏れ抑制
2. FFT変換
   • arm_rfft_fast_f32で512/1024ポイントFFT
   • 複素数→実数パワースペクトル変換
3. バンド集約
   • 人間の聴感帯域に合わせて8〜16バンドへ統合
   • arm_mean_f32/arm_sum_f32でエネルギー算出
4. 正規化・AGC
   • arm_max_f32でピーク検出
   • 各バンドを0.0〜1.0範囲にスケーリング
5. ビート検出
   • 短時間エネルギー(STE)と一次差分利用
   • beat_gain閾値超えで候補抽出
   • beat_refractory_framesで誤検出抑制

📊 出力データ構造

typedef struct {
    uint32_t timestamp;        // タイムスタンプ
    float band_level[16];      // バンド別エネルギー(0.0-1.0)
    uint8_t beat_flag;         // ビート検出フラグ
    float overall_rms;         // 全体RMSレベル
    float tempo_bpm;           // 推定BPM (将来拡張)
} audio_analysis_t;

参考実装関数

🔧 コア関数

• audio_capture_init(): I2Sクロック・GPIO初期化
• audio_dma_start(): DMA循環設定・Ping-Pongバッファ登録
• audio_buffer_convert(): 24bit左詰め→float32正規化
• audio_apply_window(): ハニング窓適用
• audio_compute_fft(): arm_rfft_fast_f32によるFFT
• audio_accumulate_bands(): 周波数→バンドマッピング
• audio_update_agc(): AGCによるダイナミクス制御
• audio_detect_beat(): RMS・一次差分ビート検出
• audio_analysis_publish(): DMX制御スレッドへ結果通知

DMX演出への統合

🎨 演出マッピング例

• 色彩制御: 低域→赤、中域→緑、高域→青の基本マッピング
• 明度制御: 正規化レベル→PWM値の線形/対数変換
• ストロボ演出: ビート検出→最短4フレーム間隔での発光制御
• シーン切替: エネルギーレベルに応じた自動シーン変更

🔗 統合パイプライン

audio_analysis_t → normalScene/seasonPreview → DMX出力
                 ↓
        16色カラーボックス可視化（デバッグ用）

チューニングと検証

🧪 検証プロセス

1. 基本動作確認
   • サイン波・ホワイトノイズ注入でFFTピーク確認
   • バンドレベルの想定値チェック
2. レベル校正
   • 0dBV入力でRMS=0dBFSに調整
   • PCM1802 PGA・外部利得の最適化
3. レイテンシ測定
   • 入力→DMX出力遅延をオシロで測定
   • 演出要件（<20ms）の達成確認
4. 実音源テスト
   • ジャンル別（EDM/Rock/Jazz）での挙動確認
   • 閾値・AGCパラメータの最適化

将来性と拡張可能性

Roland VC-1-DMX との比較優位性

🎯 推奨用途