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【实战经验】基于STM32 I2S的音频应用开发介绍

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zero99 发布时间:2017-11-7 15:09
基于STM32 I2S的音频应用开发介绍

  f( O- I- ]  i! a% s; x前言
9 P; E; j1 R" ?' a& N  i    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。
+ D! [( n; i3 g: A+ i$ {; y7 m6 {8 M% q' v1 B  i' e0 L
一 STM32 I2S接口简介2 c, }7 `3 V1 V( k& D1 k
    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。
4 T+ R5 ?& M: B$ e  i: y# R    STM32 I2S接口信号线构成如下表:
% O8 k+ g2 J9 t  y 11.jpg
5 Y# {8 m6 ^. R: k4 a    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。
  p1 \+ p4 B; b! w    全双工I2S是由两个I2S外设组成,如下图所示。
9 H& d) j' a9 J' S6 ]9 B 12.jpg
9 f0 B1 o$ F" m& f) u    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。
3 M& K: d$ Y/ [4 _, J1 b9 B/ Y8 f 13.jpg
# H; R7 Q& ?4 V" I" m! k  }    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
# [; U. R3 H0 P  a, m 14.jpg " v1 x% O$ I, ]# M
    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。
7 F! u: I; i; J* C 15.jpg
: @2 S& }5 k' \0 ^
$ {/ Z+ g; B# U; G    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。
0 G! `% l1 R$ S5 _( _    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。5 U! i/ p3 \8 m- Y6 v2 \
16.jpg
9 ~/ R" r! y: F    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。):
+ r0 y2 R9 Z9 V( S: ^$ H 17.jpg
4 U2 O5 W, s! ~+ {. g& @    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:
5 h; G# h. p1 v& v, J8 b9 [ 18.jpg
6 B, p  m3 E- J, N4 C    其中,DIV为PDM转PCM的降频因子,由调用的API决定。$ u2 n. I" U5 f3 R+ F
0 j* C* R" Q* ~/ I& }& G8 p" [4 m
二 常见I2S接口音频应用实现% r3 o/ b9 p) R6 z( m
    I2S接口应用相对固定,整理两种音频支持结构如下。
6 E2 U. l8 p8 ^8 W' y 19.jpg 4 X# t+ B6 e& j  e2 I0 r
    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。
/ q# u9 D( M- ]& J! P    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。
0 a1 \" F7 e  o9 O 21.jpg 8 K' ~( S8 [) ]# M8 A
    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。( r# F% [$ U) k% E
22.jpg
2 W( z2 T& l& K5 M1 r: X    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。
* G* o# E, f3 d/ a4 q    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。
1 @, O8 c* l$ Y8 |! j( B2 W 23.jpg
! Z2 u/ O- p/ p, j' h6 ]    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。5 A1 h, e3 ]0 F# f* }
24.jpg
3 s; y( \' S2 r
' J" ?4 L9 a& n3 a三 应用实现例: K0 v4 \6 g: P* @7 w, ?8 p% g9 b% @
    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。
+ U; B* Z$ {: U" f, G% C 25.jpg
$ R* T2 U2 O! u) e) |" I0 K* n& f" y+ z! u" `
3.1 前期准备
* X3 d( u2 E0 X- \* s) [. V: ` 26.jpg . ~( `  S1 N5 J( i) N. z

0 A9 L1 W# Y  C* f! G5 A; j3.2 应用实现
. J! ~+ W: k- W: r0 a+ l7 h0 n
6 F% ~  P! u2 K
! \; C: U0 ?: a" }, y/ W0 Y& M6 P3.2.1 实现1" Q5 k! x+ z2 o1 [
    结合STM32CubeMX的软件开发流程如下图。
* G/ J9 O0 s- @  \1 A% ^: s 27.jpg
& m/ M& }, O, v3 s% L    接下来一步一步呈现实现过程。
! C0 A9 \4 Y% ~" g4 X" c: f    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。
3 `) @: ?# i8 K3 W' { 28.jpg
. z: K8 x, \# I, z1 A/ Y2 A
4 Y8 [# Z) X6 x- p% w! g2 k    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。
2 h5 e( i6 i! Q/ e  [5 X    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。
4 [  s7 F. U8 W' i! q+ v+ [' |    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。
* `8 g% X: g  y1 R 29.jpg 8 e" x! m8 Y! u7 R: ?/ X9 g. g
    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。8 D8 }$ ?# {' b% }# z5 y; J, v
31.jpg 1 [$ T  E7 K6 Q- {7 i' [0 d

* Z( a5 n& q$ S' |0 Z3 u    I2S 参数配置。配置后截图如下。# f4 W; M8 l# O: ^! y( m/ }
32.jpg / H5 r% j$ X% Q! h) N
    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。- `8 s$ z2 d6 D. `
    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)。
% E. w' e( x0 x7 y0 [' m/ N: w* m8 z6 G    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。
/ X( r4 w8 l. T; C1 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。- i$ _1 {/ f4 c4 @  n: k  j
    Clock polarity:时钟极性(非激活态时)。4 g1 Z: X0 d% B3 U, `& f. ?: z
    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。)
- y) J/ Y) W7 W( h( B 33.jpg
/ k4 {7 {' ~4 \    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。' |% v6 H2 F' S# ^
34.jpg " u1 a) c4 T( \( D
    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。
1 f8 B% x0 k* J) f3 l, p& o    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。
+ o( {$ g  i3 s2 Q: F  |    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。
+ H4 t: }" L! H# g$ @. f    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 l0 ?9 B$ q% i3 U3 R4 T9 H
35.jpg
8 U5 ~! H/ t/ H* w    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。
! Z1 t! U6 K: n    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。/ M+ b/ ~) l  d3 [1 L$ Y0 u
36.jpg - w; F7 B, k& y: h: A. X% t
    3. 编译生成执行文件,下载运行。
; d7 c) z: n- Z+ C9 t    注:下表中省略号表示,之间有其他未列出的代码部分。  F1 k# F% y# {  y/ Q7 O6 }/ ]

% I  T' K0 Q5 V- U+ V 37.jpg 38.jpg   W" v/ E7 b& U: W1 u! u) H' B9 i4 v- S
39.jpg " j3 d! Q, e* }2 |! R
  Q9 I9 a% O; n3 T: y
    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。+ ~3 S. u  S# o/ ?) T

3 N/ j% S7 o8 I" k3.2.2 实现2" d3 z. h8 C5 g7 j: i
    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:, u* V) m, Q) D
    1.STM32Cube_FW_F4_V1.16.0\Projects\STM32F401-Discovery\Applications\Audio\Audio_playback_and_record
9 P# j9 M# W+ J    2.STM32Cube_FW_F4_V1.16.0\Projects\STM32F411E-Discovery\Applications\Audio\Audio_playback_and_record
. b7 l% T/ h0 U( w2 m( L7 F+ Z) V) X/ O1 H" c* D8 H' H
四 低功耗设计, J" j- P, x. A1 s
    不同功耗模式下,I2S工作情况如下表。- k! J  ~0 L5 U' d
41.jpg
" M2 F1 k; K2 d9 f; `, H    注1. 不同系列STM32,低功耗模式有差异,具体以参考手册为准。
& Y4 _$ B2 Q# Q/ b2 _    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。
2 Z2 y* ]- h& Q' ^' \& N, A; F9 M! {, q. S$ d" V: e
五 小结/ B5 Z" p. l3 B
    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。
; ^! k9 T$ P. t# r) R3 F
0 Q& z9 ^- B( N# w& M6 J$ I# ]* }0 C3 L% R' d/ M3 J5 E
参考文档
; V& z1 ^+ S" D2 j2 m+ K$ A, e$ M& D8 `RM0430  STM32F413/423 advanced ARM®-based 32-bit MCUs
& A! ~* T; ]2 d) c. LAN2739  How to use the high-density STM32F103xx microcontroller to play audio files with an external I²S audio codec
  J& O/ @5 R0 L4 F0 e4 k& qAN3998  PDM audio software decoding on STM32 microcontrollers
+ p, J/ g: h% Z: _1 XUM1718  STM32CubeMX for STM32 configuration and initialization C code generation- A* |1 K- b$ }' ~
  i, z- M8 h6 W5 q0 l
  p0 H4 h' r% ?4 s. g3 [: x
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收藏 5 评论5 发布时间:2017-11-7 15:09

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5个回答
adlu 回答时间:2017-11-7 17:38:27
腻害了!
typhoon5168 回答时间:2019-2-15 11:16:05
剛好需要這資料, 學習了
chunzhang 回答时间:2019-6-3 17:41:12
本帖最后由 chunzhang 于 2019-6-3 17:42 编辑
& Z; w2 S1 H5 m
# m2 ]7 t& N6 a您好,那个实现二,没找到。能提供一下吗。
pkoko 回答时间:2020-5-9 10:32:45
详细,谢谢分享
灯火通明yun 回答时间:2022-7-6 16:09:37
一点自己的东西都没有,你还不如直接分享《基于STM32_I2S的音频应用开发介绍.pdf》来的爽快,净是些Copy
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