基于STM32 I2S的音频应用开发介绍 $ t% k2 Q& N% M; h前言 在音频开发中,I2S(Inter-IC Sound)接口被广泛采用。大部分STM32集成了I2S接口。本文主要为了让STM32使用者了解I2S音频接口,及快速实现I2S接口的音频应用开发。 首先,对STM32的I2S接口进行简单介绍,然后描述了几种常见I2S音频应用架构及每种架构音频部分的电路图,最后围绕每种架构给出实现例,以便读者进行参考理解。其中,实现例会围绕STM32CubeMX展开,以便开发者能够参考并快速、简便地实现软件开发。除此之外,在Cube软件包中有I2S外设应用例程,提供了更完善的实现参考。 3 @" G6 |/ O$ p- e ?- v 一 STM32 I2S接口简介 I2S(Inter-IC Sound)是飞利浦公司针对数字音频设备之间的音频数据传输,制定的一种总线标准。- P9 d! q. S! t7 b' h6 T" M4 s STM32 I2S接口信号线构成如下表: 其中,SD和SD_Ext信号线可分别配置为发送或者接收。在Cube驱动库中已对其进行封装,例如当配置SD信号线为发送端时,SD_Ext自动被配置为接收端;配置SD为接收端时,SD_Ext自动被配置为发送端。( @) a* A, ~! C5 g: F 全双工I2S是由两个I2S外设组成,如下图所示。 对于构成全双工I2S的每个I2S外设,都具有单独的寄存器组,如下表所示(以STM32F413xG/H为例)。在Cube驱动库中,全双工下的两个I2S外设操作已经被封装,用户只需像配置一个全双工SPI一样,对一个全双工I2S的API进行调用即可。后续会以实例形式进行描述。 STM32 I2S支持四种接口标准和数据格式,如下表。更多内容请参考对应型号STM32的参考手册。 由表可看出,STM32 I2S支持音频分辨率可为16,24和32位。I2S时钟配置及数据格式选择决定了音频采样率,时钟产生架构如下图所示。不同系列STM32 I2S接口能够支持的最大音频采样率有差异,更多采样率支持情况请参考对应型号STM32的参考手册。 & A! K. m; W! v$ n2 L! D7 \. a 图中MCK、CK分别对应I2S总线上的主时钟和总线时钟。其中I2SxCLK获取路径如下图所示(对应于右侧的I2S clocks)。红色线路或者绿色线路可选,本文中以红色线路为例,利用PLL时钟源获取I2SxCLK时钟。& a4 T" i( N7 z4 ]' |& V 注:下图是 STM32F429时钟配置图的部分。不同型号STM32的时钟树存在差异,具体以实际采用型号的时钟树为准。( V) i# H* c& l: [( U+ n 在遵循I2S标准的实现方案中,采样率公式如下 (注:Fs为采样率,得益于Cube驱动库中的良好API实现,可以直接设置采样率,使用者不需要按照下述公式进行I2SDIV和IDD的计算及配置。): 上述采样率公式不能直接用于PDM输出的MEMS麦克风,通过后一节中介绍可知,PDM麦克风访问只是利用了I2S的数据和时钟线,并且在采集到麦克风位流数据后,需要经过降频操作(PDM转PCM,ST提供了PDM转PCM库支持,更多介绍可参考AN3998),从而获得PCM数据。所以,在这种情况下,主时钟配置为失能,数据位宽需要与帧位宽相同。折算后的采样率为: 其中,DIV为PDM转PCM的降频因子,由调用的API决定。' e9 O5 n* R: i; q+ q; j , r0 H. C0 E9 W5 V$ @ 二 常见I2S接口音频应用实现 I2S接口应用相对固定,整理两种音频支持结构如下。 其中,麦克风与播放器功能的实现相互独立。可根据实现需要决定采用的实现架构。5 I# T$ M; ?' f2 n M 实现1参考电路如下图。原理图摘自STM32F413H-DISCO板,可在ST官网获取完整的原理图及BOM表等资源。其中CODEC_MCK、CODEC_CK、CODEC_WS、CODEC_SD、CODEC_ext_SD分别对应I2S的MCK、CLK、WS、SD和ext_SD信号线。1 q9 W' [: T* G4 W 实现2参考电路如下图。其中单麦电路和双麦电路同时存在仅为读者参考理解,实际开发时可根据应用需要选择单麦或者双麦实现。原理图摘自STM32F411E-DISCO和STM32429I-EVAL板,可在ST官网获取完整的原理图及BOM表等资源。- S, E9 N2 p! ~ 在实现2中,直接采集麦克风数据。市面上MEMS麦克风有PCM输出和PDM输出之分,其中PDM麦克风由于内部结构相对简单,成本更低,被大量采用。图中MP45DT02和MP34DT01TR都为PDM输出的MEMS麦克风。PDM数据不能直接使用,需要经过滤波,降频等操作获得PCM数据。 另外,I2S对双麦克风的支持需要结合定时器及2个IO复用引脚。实现框架如下图。7 g, T$ o. n; n 通过定时器对I2S_CLK信号进行两分频输出,然后将获得的信号提供给MEMS麦克风的数据线。实现时序图如下所示。依据I2S 标准(Pilips标准、左对齐标准和右对齐标准)时序, I2S_CLK的上升沿获取数据。而对于文中提及的两种MEMS麦克风,输入时钟(TIM_CLK_OUT)的下降沿使得左通道麦克风(LR引脚下拉)输出有效数据,右通道麦克风(LR引脚上拉)数据线进入高阻态;输入时钟的上升沿,左通道麦克风数据线进入高阻态,右通道麦克风输出有效数据。从而实现双麦克风采集。 三 应用实现例 本节围绕上述介绍的两种典型实现架构,结合ST评估板,介绍I2S接口应用在STM32CubeMX工具上配置实现,以及在生成工程后的API调用,最终实现基于I2S接口的音频数据传输。利用STM32CubeMX,能够更快的实现针对自定义STM32平台的开发。实现流程如下。 3.1 前期准备! a7 e/ C9 L! L0 M H$ C ~, ?/ G+ |0 ]: A' O; v8 x; ]2 [ 3.2 应用实现 ) P# g7 U' n3 M 3.2.1 实现1/ u% F& j' J* _: N 结合STM32CubeMX的软件开发流程如下图。0 D8 ` ]& }$ b9 l) i5 z6 | 接下来一步一步呈现实现过程。 步骤1:在STM32CubeMX中根据硬件选择STM32F413ZHTx、外部时钟、调试接口、I2C通道和I2S通道(利用I2C接口配置和控制编解码器),如下截图。硬件电路原理图可以在上节的链接网址中获取。其中,I2S工作于主模式。 }( I; N' g$ [' b" I 选择各外设后,由于外设功能可关联到不同的引脚,自动分配的引脚可能与硬件连接的引脚不一致。此时,可以在需要重新关联的引脚上按住Ctrl键+鼠标左键按下,出现支持相同功能的全部复用引脚,将其拖动到与硬件设计一致的引脚上。如上图步骤5所示。8 i( g* a4 W9 h& J% a6 e 步骤2:时钟配置。时钟配置涉及环节较多,STM32CubeMX提供了便捷的时钟配置实现,如下图,只需简单的几步,即可获得最高主频运行的时钟配置。需要注意“ Input Frequency ”值,应保持与外部高速时钟一致。 尽管在上述I2S接口介绍中, I2S采样率与时钟配置有关联,但在HAL库实现中会根据I2S中的采样率参数,自动完成时钟参数配置。 步骤3:I2S配置。点击切换到Configuration标签页,按照如下步骤进入I2S配置界面。' r5 M0 q) E/ W: Q: [/ Y 9 {% R, i9 D- @ I2S 参数配置。配置后截图如下。 Transmission Mode: 传输模式。决定SD数据线传输方向(SD_Ext方向相反)。根据硬件设计, I2Sx_SD向编解码器输出数据,所以选择发送模式。 Communication Standard: 传输标准。本文中采用I2S Philips标准(需要利用I2C发送命令配置WM8994工作于相同标准)。 Data and Frame Format: 数据位宽和帧位宽。如同“传输标准”的配置,保持与编解码器配置一致。1 [4 ^! _0 ] N- o Selected Audio Frequency: 音频频率。可选频率8KHz、11KHz、16KHz、22KHz、32KHz、44KHz、48KHz、96KHz、192KHz,这里选择48KHz。如同“传输标准”的配置,保持与编解码器配置一致。 Clock polarity:时钟极性(非激活态时)。5 p* [" u0 w; T4 _7 x I2S DMA设置。切换到DMA Settings标签页,按照下图步骤设置。(图为设置完成后截图。)& X8 i+ T- B% b 步骤4:I2C配置。点击FMPI2C1图标进入FMPI2C配置界面,参数配置如下图。参数介绍请参考对应型号的参考手册。 步骤5:生成IAR工程文件。在菜单栏 \ Project \ Settings打开工程设置界面,设置工程名、工程存放位置以及对应的IDE工具(本文中采用IAR EWARM)。其他保持默认,更多参数介绍请参考UM1718。 点击菜单栏 \ Project \ Generate code生成工程。STM32CubeMX生成工程中包含了时钟、外设等初始化。开发者可以在此基础上增加函数调用实现应用开发。1 `+ `1 Q. c% L; E, [7 L7 D 步骤6:利用IAR EWARM打开工程,添加API调用,实现音频数据传输,具体步骤如下。( `% g6 \, n2 v- {* Y 1. 添加编解码器wm8994的驱动函数。为简化操作,直接采用Cube软件包中提供的wm8994驱动文件wm8994.c,wm8994.h和audio.h(文件位于STM32Cube_FW_F4_V1.16.0\Drivers\BSP\Components\wm8994和STM32Cube_FW_F4_V1.16.0\Drivers\BSP\Components\Common)。其中wm8994.c复制到src文件夹中,wm8994.h和audio.h复制到inc文件夹中,并添加到工程中,如下图。 2. 按照下表增添应用代码。实现如下音频数据流向。为简便起见,直接将I2S接收和发送关联到同一个存储空间,并同时执行,在实际应用中,应加以优化完善,避免读写位置交错引起的错误。- P) w( G4 ]3 S) m( @ 另外,由于硬件上仅有一路麦克风通道输入,尽管采用双麦克风通道配置,但有一路麦克风通道无有效数据,体现在耳机输出上,有一路无有效输出。4 {: r) [5 g3 {! k9 _0 x6 F( L 3. 编译生成执行文件,下载运行。 注:下表中省略号表示,之间有其他未列出的代码部分。 , t, @8 T* E. o/ w , b& u: e: R: o% t, C 由上述添加及修改,可知在利用STM32CubeMX配置、生成工程后,I2S数据接收和发送实现方便,只需要调用HAL库提供的API即可。工作较多集中在STM32的音频接口了解和编解码器功能配置方面。编解码器方面,一般编解码器厂商会有文档、配套工具或者配置例程提供。 ; F4 f% M; H- b0 C: w 3.2.2 实现2 这种架构实现例,可参考Cube软件包中提供的例程,不再做展开介绍。例程路径如下: 1.STM32Cube_FW_F4_V1.16.0\Projects\STM32F401-Discovery\Applications\Audio\Audio_playback_and_record3 F. @: Y4 e& A- }+ d2 q 2.STM32Cube_FW_F4_V1.16.0\Projects\STM32F411E-Discovery\Applications\Audio\Audio_playback_and_record- {& T& j' |$ r8 h5 {, b+ G 四 低功耗设计 不同功耗模式下,I2S工作情况如下表。 注1. 不同系列STM32,低功耗模式有差异,具体以参考手册为准。 注2. 批处理模式(BAM)并非所有STM32产品都支持,支持情况请以对应型号的STM32参考手册中描述为准。BAM能够实现在睡眠模式下,批量获取数据,然后再退出睡眠模式进行运算处理等操作。能够进一步实现功耗的降低。更多关于BAM介绍可参考RM0430。 3 z3 R, m7 X2 H/ R$ B# U' P 五 小结 在STM32音频开发中,结合STM32CubeMX和Cube软件包中提供的例程,容易完成基于STM32的音频平台搭建。I2S各协议时序清晰,开发过程中,出现异常时,开发者可以先利用示波器,判断波形对应时序是否正确,以此缩小问题范围,加快问题定位及解决。3 Z: n- L- p. z. a6 t 0 E- [, c6 q) V; N 参考文档 RM0430 STM32F413/423 advanced ARM®-based 32-bit MCUs* r5 y! o4 n4 |& G- \ AN2739 How to use the high-density STM32F103xx microcontroller to play audio files with an external I²S audio codec% g3 G/ m! Z% g AN3998 PDM audio software decoding on STM32 microcontrollers' {" A" h* e) E+ _6 G( S5 a UM1718 STM32CubeMX for STM32 configuration and initialization C code generation7 l' k1 }; l/ [& Q$ o; I% p6 m / {0 S5 o. A4 C- N8 d/ H . o) F# {; `! s" W 文档下载1>> 文档下载2>> 更多实战经验>> # q7 e& H: U. b K |
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您好,那个实现二,没找到。能提供一下吗。