h9 }9 i& `" ~" @/ V% V! Y& o( o3 a% ?6 g
7 ?+ v: m9 J9 b1 d) P$ ~) P1 前言
+ t, _% @6 E" F本文将基于STM32F4 Discovery板,从零开始设计并实现一个USB Audio的例子。
9 a: S% e; V9 ]6 ?& n4 S
2 设计构思
所谓的USB AUDIO就是制作一个盒子，这个盒子可以通过USB连接到PC，PC端将其识别为Audio设备，然后在PC端播放音乐的时候，声音可以通过盒子播放出来。

2.1 从原理框图开始

3 X9 W+ S3 L' T. ]2 g如上图所示,我们大概构思一下，为了实现USB AUDIO功能，我们使用一个MCU的USB外设连接PC端，整个流程是这样: PC端播放音乐时，代表音乐的数据流从PC端通过USB传输到MCU端，MCU端然后将其转发给一个外部Codec，最后通过Codec上连接的扬声器或耳机播放音乐。
, n$ ^9 Z  `) A
2.2 硬件支撑
这里选择ST官方的STM32F4-DISCOVERY板来实现，之所以选择这块板子，就是因为其上有USB接口和Codec，正好符合我们设计的要求。
/ R% O- }: W' G0 `
2.2.1 USB接口
. R0 T, l3 X9 N" z$ M如下图为USB接口部分的电路：
3 {& @7 ]) N6 w
这个一个将USB作为OTG的电路设计，在本设计中，我们只是将USB作为device来使用，因此，上图我们关注下面部分就可以了。在本设计中，我们使用到全速USB，从上图可以看出D+与D-引脚分别为PA12，PA11。

& A% {' S9 E7 i% I7 y0 s1 v( s2.2.2 Codec部分
" |% Y; D2 ^% Q3 E如下图所示:

$ M3 S% T& ?3 y3 R( l如上图所示，这里的Codec为具体型号为CS43L22，MCU通过I2C接口(PB9,PB6)连接Codec，作为其控制接口，使用I2S(PC7,PC10,PC12,PA4)作为数据通道，此外，MCU使用PD4这个IO管脚控制Codec的reset。CS43L22的14,15脚连接到外面的耳机插孔，也就是说，我们可以通过插入耳机线的方式来收听PC端播放的声音。
* r! `2 R& x- M9 `3 r5 @2 x
- }$ P# J% J. r3 K5 Y7 t) n  P2.3 软件设计
- N3 `6 N! W+ ^6 |为了简化开发流程，这里使用CubeMx自动生成代码工具来生成初始化代码，首先基于Cube库架构以及USB协议栈的特点，我们得先设计一个合理的软件框架。

0 V* f7 |% Y% c) M
% {( ~* J' D* J; \+ ]7 n5 v6 O" x如上图，蓝色表示的模块为标准模块，不需要我们去修改它，将由CubeMx自动生成，而绿色部分则可能涉及到需要修改，其中BSP部分是需要自己添加的代码，其他的都是由CubeMx生成。

各个模块的工作流程如下设计:

& t% k! F+ a# w. S 初始化流程: 由main开始，它首先对将使用到的外设I2C，I2S初始化，这最终将调到HAL MSP底层部分实现对具体IO管脚和外设的初始化。同时main使用usb description的数据通过调用USB栈初始化接口来完成对USB接口的初始化，这一步还涉及到USB的枚举过程。
USB数据传输过程：PC端软件在播放音乐后，通过USB通道向MCU传输音频数据，音频数据到达MCU时，首先触发USB中断，然后进入到HAL driver层，在回调到 usb conf模块，接着进入到usb core，usb core再转给usb audio class，最后音频数据到达usb audio interface模块，到达这里，就只剩下对音频数据进行处理了。Usb audio interface模块是一个数据接收到数据处理的一个中间对接模块。
( }! J; F% _3 h/ w# |USB音频数据处理过程: usb audio interface 模块将从USB stack底层传上来的音频数据转发给Codec组件，最终通过Codec组件连接的耳机播放出来。
2 d3 @* t% l) G6 c) m# U3 e从以上的音频数据流程来看，最主要的就是usbaudio interface模块，它实现了从USB audio stack到codec驱动的对接。
1 \+ t2 C  p$ y6 ]. l" b) _
. x. v- y) o% [/ T# o$ M  z3 f9 v接下来，我们来看看软件层面上的实现。
9 P" P. s, H  T, @1 ^  s* j
3 软件实现
7 O# K  J) N8 \  N2 z! L/ k还是老办法，采用CubeMx这个工具来生成初始化代码，这样可以节省我们花费在基本外设上的调试初始参数时间。

3.1 创建CubeMx工程
由于我们使用到的硬件平台是STM32F4Discovery板，上面搭载的MCU型号是STM32F407VGT6，我们就以此型号创建一个名为Audio_Test的工程。

  K8 m; x, z+ M  C- a9 x5 i* lpinout:

外设有用到USB_OTG_FS(PA11,PA12device模式)，I2C1(PB6,PB9)，I2S3(PC12,PA4,PC10,PC7，半双工主模式),此外Codec的reset使用PD4管脚控制，使用外部8M HSE。其pinout如下图所示：

7 g3 M3 X% u2 Y& [  t' ]1 b6 T+ M
) q3 _; X  u! t* s2 N9 YClock configuration:

时钟树如上设置，主频使用168M，I2S时钟输出初始化为96M。
6 }9 ^+ [$ i9 [3 E- @
, E: S2 z; V0 J7 y7 K% z. o6 y  tConfiguration:

, L+ W$ R5 [0 ~/ ~6 O2 {  HAL层：
4 |  m# m( c# \4 V# S1 |' E6 Y# n6 {Usb_FS：使用默认参数。

I2C：100K速率，7位地址宽度，使用默认参数。

I2S：主发模式，标准16位宽，默认音频为48K，如下图：
* P* @: S3 f8 o0 E3 W4 W
并为I2S发送添加DMA，半字位宽:
. }1 w# t6 @3 h# J  K' a

7 Y4 w" g  t4 O   MiddleWares:
5 @  M, T  G# q) W3 c! T6 Z  S# ]
8 U- ?) A6 b$ X; Z* H5 j5 Z( z) _USB选择Audiodevice class,其配置参数如下：
" Y8 X! H$ H! ^$ k' G7 Y
& W- b0 `7 f6 ?2 E# k! p, S
3 ?  d. J' o. P6 ~6 @这里都是默认参数。
/ w+ [$ k% {. }1 g0 V9 T4 s" h
在描述符参数内得为usb audio class修改两个参数：

PID得修改为0x5730(否则windows驱动会加载出错)
序列号：序列号字符串内不能包含字母，只能是数据(否则windowsaudio驱动在枚举后也不会将音频数据传输下来)。
最后修改工程设置，将堆大小设为4K，栈大小设为1K，如下图：

如此就可以生成工程了，我们生成IAR工程。
$ c5 A& ^( x: S
3.2 生成的IAR工程介绍

/ E% ?8 f7 q0 E9 ~1 @. T如上图所示，生成的IAR工程，主要有User,Drivers,Middleware3个目录。

User目录下为用户源码文件，用户的主要修改也将集中在此目录下，在这里，我们的主要工作是集中在usbd_audio_if.c文件，它对应着之前软件框图中的usbaudio interface模块，主要是实现USB audio协议栈与Codec的对接。其他源文件都保持不变就可以了。
Middlewares目录对应着usb audio stack模块，它由CubeMx自动生成，保持原样就可以，不需要任何修改。
  p0 L' ~7 [4 A4 F* [Drivers目录对应着HAL层，它包含CMSIS，HAL驱动。
& l. {7 v! ]- H7 ^/ x% \
3.3 开发
3.3.1 初次编译测试
0 K" `! G5 E4 m' b' b首先我们不做任何修改，先编译一下工程，发现能顺利编译通过，并烧录进STM32F4DISCOVERY板，运行后通过USB连接上电脑，发现在设备管理器中能正常识别到这个USB AUDIO设备，如下图所示：
% Y9 J8 W1 @- m+ e0 O" P0 i+ Z- u- l
这说明，USB与PC端的连接是OK的，但不知道具体有没有数据。我们使用USB分析仪TOTAL PHASE USB480这个设备对USB总线进行数据监控，能够正常采集USB枚举过程和播放音乐的通信数据，如下图所示：
& @9 m6 B6 [5 j6 o
这表明，到目前为止，从PC端到USB端都是能正常工作的，从PC端发送过来的音频数据已经到达usb audio interface模块，目前只不过还没有对这些数据进行处理，显然，接下来的工作，我们就需要将这些音频数据通过codec驱动发送出去，最终到达外部组件CS32L22.
8 r% b9 ?# S% D, g  p8 u2 I: S
3.3.2 添加codec驱动和audio bsp模块
我们已经知道，我们需要为audio添加BSP模块，在这里，我们将BSP归属于drivers类，因此，在drivers目录下添加BSP目录，通过之前的软件架构图我们可以知道，BSP包含Codec驱动（CS43L22）和Audio bsp模块，因此，我们在BSP目录下有添加了Codec的驱动源码cs43l22.c与bsp_audio.c,如下图所示：

其中cs43l22.c为codec cs32l22的驱动，我们可以从ST的组件驱动中找到它，并copy过来直接使用，不需要修改任何代码。而bsp_audio.c是我们自己写的，它的任务是为usbd_audio_if.c与cs43l22.c提供服务，让这两个模块胜利对接。

$ g' m& I; ?0 e1 A0 z- M# C7 y3.3.2.1 Codec与HAL的对接
: r$ s6 k/ [- a% ~8 J, B首先我们来看Codec驱动文件cs43l22.c源文件，这个文件需要使用这个外部需要提供的接口：
. P, s' y# k, p

1. [cpp] view plain copy
   
2. AUDIO_IO_Init()  
   $ [& s, r, `1 r; h$ I4 I3 s# S' ]
3. AUDIO_IO_DeInit()  
   
4. AUDIO_IO_Write()  
   * q& f" f' K; _1 U/ J+ ^7 k. [$ J6 ?
5. AUDIO_IO_Read()  

复制代码

这个都是Codec的基本控制接口，是通过I2C来控制的。都是需要用户在驱动外部来提供这些接口给到驱动，于是，我们在bsp_audio.c文件中来提供这个接口的实现：
( ?, T5 {4 Q0 I) E

1. [cpp] view plain copy
   
2. //---------------------for c43l22 port--------------------------//  
   - t$ ]0 k. M/ x! ]# h) n
3. static void I2Cx_Error(uint8_t Addr)  
   
4. {  
   
5.   /* De-initialize the IOE comunication BUS */  
   $ `" e$ B" I; k* l  I
6.   HAL_I2C_DeInit(&hi2c1);  
   
7.   
   
8.   /* Re-Initiaize the IOE comunication BUS */  
   - R- r' d- y8 Q$ c# m% f: Q
9.   //I2Cx_Init();  
   
10.   //MX_I2C1_Init();  
    
11. }  
    
12. static void CODEC_Reset(void)  
    
13. {  
    * \" ~5 {' K3 p! v( H
14.     HAL_GPIO_WritePin(AUDIO_RESET_GPIO_Port, AUDIO_RESET_Pin, GPIO_PIN_RESET);  
    ( ~- S& C2 h/ h9 H
15.     HAL_Delay(5);  
    ) t$ t+ f! j& p! v5 ^* K
16.     HAL_GPIO_WritePin(AUDIO_RESET_GPIO_Port, AUDIO_RESET_Pin, GPIO_PIN_SET);  
    
17.     HAL_Delay(5);  
    0 G5 N% W; G+ F1 D8 v( X3 c. T% ~
18. }  
    " A( p4 W, a2 ]+ N# ~
19. void AUDIO_IO_Init(void)  
    # L) b' v7 n* ]  J8 [
20. {  
    
21.   //I2Cx_Init();  
    $ ?) o: `0 Z) @) P8 j8 n& s. U
22. }  
    
23. void AUDIO_IO_DeInit(void)  
    2 Y$ Q* B5 V, A& R5 F
24. {  
    ; o6 |; k; O- v' z  i! H2 ], L
25.   
    7 v  Q% Y+ S% Y) b
26. }  
    
27. /**
    
28.   * @brief  Writes a single data.
    ! n; ?# v' ~2 ?4 K) e" f
29.   * @param  Addr: I2C address
    
30.   * @param  Reg: Reg address
    7 O, ?0 U% Y7 p. ?' @# q' t
31.   * @param  Value: Data to be written
    
32.   */  
    
33. static void I2Cx_Write(uint8_t Addr, uint8_t Reg, uint8_t Value)  
    7 v' V/ d' o6 G" r; T. ^
34. {  
    4 h) D+ i# N+ a: d3 I
35.   HAL_StatusTypeDef status = HAL_OK;  
    
36.   
    3 ^+ ~* v  C$ ?; W) S) o
37.   status = HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1, Addr, (uint16_t)Reg, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, &Value, 1, I2C_TIMEOUT);  
    
38.   
    % r2 S) N( x; r0 l+ o  k
39.   /* Check the communication status */  
    
40.   if(status != HAL_OK)  
    ! h5 ^' r6 j, O+ F5 \# T
41.   {  
    ( k' T% j' o! U, @
42.     /* I2C error occured */  
    
43.     I2Cx_Error(Addr);  
    ( l7 J  n5 R# L8 R5 U! e7 I: h4 j$ Y
44.   }  
    4 Z, D1 a3 ]+ q6 p" R4 q/ a# k
45. }  
    / s' z. T. a( l* ?( \
46. void AUDIO_IO_Write(uint8_t Addr, uint8_t Reg, uint8_t Value)  
    
47. {  
    
48.   I2Cx_Write(Addr, Reg, Value);  
    2 C* b+ C3 D; x# @4 T5 d  F: R1 K
49. }  
    ; J: N$ ~: q2 D0 ~1 }  M- _
50.   
    
51. /**
    " j! X/ z. v5 }0 S# N
52.   * @brief  Reads a single data.
    
53.   * @param  Addr: I2C address
    4 F; A/ I$ R, a7 h9 q4 k
54.   * @param  Reg: Reg address
    5 X+ p1 W8 ?) y4 m! x
55.   * @retval Data to be read
    ; }3 V. e6 M- B7 y$ q# u
56.   */  
    
57. static uint8_t I2Cx_Read(uint8_t Addr, uint8_t Reg)  
    % A2 w* s/ V. g3 ^, N
58. {  
    2 Z# u4 G& Z& Q
59.   HAL_StatusTypeDef status = HAL_OK;  
    
60.   uint8_t Value = 0;  
    
61.   
    
62.   status = HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, Addr, Reg, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, &Value, 1, I2C_TIMEOUT);  
    
63.   
    ! C* {- {& }& r: p: m& \
64.   /* Check the communication status */  
    
65.   if(status != HAL_OK)  
    
66.   {  
    
67.     /* Execute user timeout callback */  
    6 r) `. W  H( x7 Q
68.     I2Cx_Error(Addr);  
    ' q1 m4 j6 R, k
69.   }  
    , w- F) K% l' [( S, v" J/ R$ ^
70.   
    ( t' u" M5 t( h9 L, Z, ^8 `/ l- D
71.   return Value;  
    2 s. A7 d  L, r$ g8 N
72. }  
    0 V$ z, m. n. z2 d
73. uint8_t AUDIO_IO_Read(uint8_t Addr, uint8_t Reg)  
    
74. {  
    % \' s, k1 G9 E4 Z; ?8 q: \+ Y4 R
75.   return I2Cx_Read(Addr, Reg);  
    ) v$ c' u" [4 c) _( C3 @5 n
76. }  

复制代码

由于在main函数中已经对I2C初始化过了，因此，在AUDIO_IO_Init函数中不需要再次初始化。
" h" |0 Q0 @3 f' B
2 G9 f* q3 B% I* W4 U就这样，就完成了Codec驱动与与HAL的对接。

3.3.2.2 usb audiointerface与codec的对接
5 A5 i, o7 X3 }1 L我们打开usb audio interface源码文件usbd_audio.if.c文件，此文件由CubeMx自动生成，已经自动给出了一些关于usb audio class的函数，且这些函数体内容都是空白的，毫无疑问，接下来的工作，我们就是要完成这个空白的内容，就好比做填空题一样，当然，在做这些”填空题”的过程中，我们将使用到Codec驱动提供的接口，这一过程，就是usb audiointerface与codec的对接过程。

按照这一清晰思路，我们首先找到usbd_audio_if.c的一个接口：
( ^$ _: t; E; W, Q! D% a7 P8 [6 V. X2 k

1. [cpp] view plain copy
   
2. static int8_t AUDIO_Init_FS(uint32_t  AudioFreq, uint32_t Volume, uint32_t options)  
   
3. {   
   
4.   /* USER CODE BEGIN 0 */  
   
5.   return (USBD_OK);  
   
6.   /* USER CODE END 0 */  
   
7. }  

复制代码

这是个空白函数，它是在USB枚举结束并收到set_configuration消息时会被调用到，我们利用他来实现对codec的初始化。在bsp_audio.c文件中，我们添加一个函数，如下：
9 ?  m0 e; N4 `9 L  a

1. [cpp] view plain copy
   ' Z9 o# O- u5 O9 E. r! g: t" S" ]
2. static void I2Sx_Init(uint32_t AudioFreq)  
   1 E% o% ^1 v; X( K' V: P( F
3. {  
   
4.   /* Initialize the haudio_i2s Instance parameter */  
   5 s: q; F6 `1 B) P  o- [& }& B1 X
5.   hi2s3.Instance = SPI3;  
   - ]6 z5 f- W, a* c$ O7 X
6.   
   6 b5 p8 v/ o' P) D! r% d2 K" ?4 m
7. /* Disable I2S block */  
   
8.   __HAL_I2S_DISABLE(&hi2s3);  
   
9.   
   # [1 e+ a3 v7 v  u/ r; k
10.   hi2s3.Init.Mode = I2S_MODE_MASTER_TX;  
    * S$ }0 e$ h$ X/ A8 }* y
11.   hi2s3.Init.Standard = I2S_STANDARD;  
    2 ]! D1 T- [$ Z' d4 L7 n+ v9 ]
12.   hi2s3.Init.DataFormat = I2S_DATAFORMAT_16B;  
    $ ?% k8 H# l9 G) U1 k& K( q
13.   hi2s3.Init.AudioFreq = AudioFreq;  
    + H0 H( {2 h1 s
14.   hi2s3.Init.CPOL = I2S_CPOL_LOW;  
    
15.   hi2s3.Init.MCLKOutput = I2S_MCLKOUTPUT_ENABLE;  
    7 [3 s! W+ x. K0 V( \4 _# ?
16.   
    : C+ p# `$ u9 m# g% ^0 y1 T5 e
17.   if(HAL_I2S_GetState(&hi2s3) == HAL_I2S_STATE_RESET)  
    
18.   {  
    ! Y+ K" p! ]4 `! b5 w
19.     HAL_I2S_MspInit(&hi2s3);  
    ) f* m, e+ m; o1 ]5 }5 `" y
20.   }  
    9 e9 E# V, C0 G4 y7 ~
21.   /* Init the I2S */  
    
22.   HAL_I2S_Init(&hi2s3);  
    
23. }  
    
24. const uint32_t I2SFreq[8] = {8000, 11025, 16000, 22050, 32000, 44100, 48000, 96000};  
    : h9 q8 `) B" d3 \, g
25. const uint32_t I2SPLLN[8] = {256, 429, 213, 429, 426, 271, 258, 344};  
    , E. h) q9 l, t& H2 p
26. const uint32_t I2SPLLR[8] = {5, 4, 4, 4, 4, 6, 3, 1};  
    
27. uint8_t BSP_AUDIO_OUT_Init(uint16_t OutputDevice, uint8_t Volume, uint32_t AudioFreq)  
    6 x- C6 d3 ^% Q! a8 ~0 a. D4 ^# {
28. {  
    * @0 K8 q" f9 R( B8 Q
29.     uint32_t deviceid = 0x00;  
    
30.     uint8_t ret = AUDIO_ERROR;  
    
31.     uint8_t index = 0, freqindex = 0xFF;  
    , |9 G+ q, w1 ^8 c0 g
32.     RCC_PeriphCLKInitTypeDef RCC_ExCLKInitStruct;  
    ' Y2 I9 k" a. P+ W' w
33.   
    2 {5 w- V4 R) N6 z: o
34.     //get the according P,N value and set into config,this is for audio clock provide  
    ( ^- y0 h! @4 p9 R& H7 V
35.     for(index = 0; index < 8; index++)  
    $ o6 B3 `* h, h2 ]; P
36.     {  
    
37.         if(I2SFreq[index] == AudioFreq)  
    9 q( U. f( X3 c* D1 g- N
38.         {  
    0 j( X- W9 g% a5 L2 D
39.             freqindex = index;  
    0 v. A) K0 z1 o  _( L
40.         }  
    
41.     }  
    
42.     HAL_RCCEx_GetPeriphCLKConfig(&RCC_ExCLKInitStruct);  
    ! `+ K% W' p8 X/ }2 x
43.     if(freqindex != 0xFF)  
    
44.     {  
    ) w: v* e* m: ~8 L7 D% x
45.         RCC_ExCLKInitStruct.PeriphClockSelection = RCC_PERIPHCLK_I2S;  
    ! g# h& f2 \% E2 w6 Q
46.             RCC_ExCLKInitStruct.PLLI2S.PLLI2SN = I2SPLLN[freqindex];  
    & N9 u) o8 ^4 d2 w% f1 n
47.             RCC_ExCLKInitStruct.PLLI2S.PLLI2SR = I2SPLLR[freqindex];  
    
48.             HAL_RCCEx_PeriphCLKConfig(&RCC_ExCLKInitStruct);  
    
49.     }  
    3 p4 @  v, L0 d  l" b& r, j7 q
50.     else  
      x7 V8 I, ?) L" C8 z
51.     {  
    
52.         RCC_ExCLKInitStruct.PeriphClockSelection = RCC_PERIPHCLK_I2S;  
    ) ^& b- N  h& [# s/ E3 M% t
53.             RCC_ExCLKInitStruct.PLLI2S.PLLI2SN = 258;  
    1 g3 f/ G& p. H* B8 w, u) d
54.             RCC_ExCLKInitStruct.PLLI2S.PLLI2SR = 3;  
    & L, c# m" k, _$ _, j
55.             HAL_RCCEx_PeriphCLKConfig(&RCC_ExCLKInitStruct);  
    
56.     }  
    
57.   
    
58.     //reset the Codec register  
    
59.     CODEC_Reset();  
    3 v- ], q. [; s, @
60.     deviceid = cs43l22_drv.ReadID(AUDIO_I2C_ADDRESS);  
    ) J9 x* T- M6 @  R
61.     if((deviceid & CS43L22_ID_MASK) == CS43L22_ID)  
    
62.       {  
    + t$ p# H$ e4 |# s
63.         /* Initialize the audio driver structure */  
    
64.         audio_drv = &cs43l22_drv;  
    
65.         ret = AUDIO_OK;  
    
66.       }  
    " c4 c) \. x- l, g0 X
67.       else  
    ' E( |% X% L8 O9 U& D0 c+ B6 [8 _
68.       {  
    
69.         ret = AUDIO_ERROR;  
    ! e/ v+ x  I! T
70.       }  
    ( u+ ^( V  S7 z- g3 ~9 T! D" d/ ^
71.   
    1 P& x2 V! ]7 {" E5 S) p
72.      if(ret == AUDIO_OK)  
    + o3 q8 o' k* y' ^; Q+ U
73.       {  
    , i  F4 t! F0 G) j: y% g, Z
74.         audio_drv->Init(AUDIO_I2C_ADDRESS, OutputDevice, Volume, AudioFreq);  
    : N) w4 u2 |# F5 ], C
75.         /* I2S data transfer preparation:
    
76.         Prepare the Media to be used for the audio transfer from memory to I2S peripheral */  
    % X$ i- O9 V- n+ I
77.         /* Configure the I2S peripheral */  
    
78.         I2Sx_Init(AudioFreq);  
    3 g9 u& x, t4 q2 G* h: M
79.       }  
    
80.     return AUDIO_OK;  
    2 T6 C  V, T" V; _( Q$ H: S
81. }  

复制代码

在BSP_AUDIO_OUT_Init()这个函数内，根据所传入的采样率，程序在预定义的数组内选择出MCU内部时钟树对I2S时钟的一个合理的分频值，并设置进时钟树配置内，然后再对codec进行初始化，最后对I2S外设初始化。

3 \% Q; {6 p( W/ G# i; C这个选择I2S时钟合理分频值的过程是根据STM32F407的参考手册中的建议来做的，如下参考手册中的28.4.4中表126：
% b# e! C% E# \% H2 B
5 X  D9 Z+ @0 B& d% f
在48K采样率下，假设时钟树下的PLLM VCO=1MHz情况下，且MCK使能，为了尽可能输出靠近期望的时钟，此时应该将时钟树内的PLL2SN设为258，且PLL2SR设为3，I2S内部的预分频因子I2SDIV设为3，以及零散因子I2SODD设为1。这个计算公式为:
  @$ N/ `8 t/ `" o
也就是(1M*258/3)/[(16*2)*((2*3)+1)]=47991.07142857143,差不多48K。
) |) p6 [2 P/ o% n
PLL2SN，与PLL2SR的设置在上述代码中都有所体现，但是，预分频因子I2SDIV和零散因子I2SODD又是在哪里设置的呢？答案是在代码调用HAL_I2S_Init()时，在这个HAL接口内部会根据I2S的Audio Frequency(CubeMx中的I2S的Configuration中配置的参数)，以及I2S的输入时钟频率和MCK是否使能这些前提条件来自动计算出预分频因子I2SDIV和零散因子I2SODD的值，以此来尽可能匹配输出想要的位时钟，也对应着采样率48K。

搞懂了这些之后，我们马上将其代码进行对接：

1. [cpp] view plain copy
   : P4 D: T7 _. [% l
2. static int8_t AUDIO_Init_FS(uint32_t  AudioFreq, uint32_t Volume, uint32_t options)  
   
3. {   
   % j' h$ G8 m1 ~8 K* k$ g
4.   /* USER CODE BEGIN 0 */  
   
5.   BSP_AUDIO_OUT_Init(OUTPUT_DEVICE_AUTO, Volume, AudioFreq);  
   : I; W; f2 ?3 A4 F
6.   return (USBD_OK);  
   
7.   /* USER CODE END 0 */  
   ; B$ b1 K+ t8 U
8. }  

复制代码

接下来下一个需要对接的接口：
9 u* G6 E, C/ C) z

1. [cpp] view plain copy
   % h  M; _' v: _3 n, i( Y6 U5 q
2. static int8_t AUDIO_DeInit_FS(uint32_t options)  
   
3. {  
   1 Z# G2 E; R  p" Q  W9 G# M) F
4.   /* USER CODE BEGIN 1 */   
   7 j- G( o0 [, c# F- a
5.   BSP_AUDIO_OUT_Stop(CODEC_PDWN_SW);  
   
6.   return (USBD_OK);  
   
7.   /* USER CODE END 1 */  
   
8. }  
   
9. 很明显，这个个反初始化的接口，它的具体实现如下：
   # |4 ^( j# K2 U2 Y; K4 \- q
10. 
    
11. [cpp] view plain copy
      D9 m2 Q6 z$ h  V4 A
12. uint8_t BSP_AUDIO_OUT_Stop(uint32_t Option)  
    8 v, y/ M/ G( b' S: R0 E8 F8 W( {
13. {  
    
14.   /* Call the Media layer stop function */  
    
15.   HAL_I2S_DMAStop(&hi2s3);  
    
16.   
    
17.   /* Call Audio Codec Stop function */  
    # m% a+ C" T) c0 @2 S# I. g3 i
18.   if(audio_drv->Stop(AUDIO_I2C_ADDRESS, Option) != 0)  
    
19.   {  
    
20.     return AUDIO_ERROR;  
    : g( B& z" f, E: K7 n% q
21.   }  
    
22.   else  
    
23.   {  
    ; v) M  h, B' x2 n1 p' s3 i
24.     if(Option == CODEC_PDWN_HW)  
    5 l& G8 I2 Y# }
25.     {  
      `/ e9 R1 _, \% d
26.       /* Wait at least 1ms */  
    
27.       HAL_Delay(1);  
    
28.   
    % w  ~  z$ h  U) z( o% Z2 a
29.       /* Reset the pin */  
    6 b7 J) k, G/ y  P# L1 `4 Y
30.       //BSP_IO_WritePin(AUDIO_RESET_PIN, RESET);  
    
31.       HAL_GPIO_WritePin(AUDIO_RESET_GPIO_Port, AUDIO_RESET_Pin, GPIO_PIN_RESET);  
    / @4 ~- j* J1 T: n! d
32.     }  
    
33.   
    
34.     /* Return AUDIO_OK when all operations are correctly done */  
    
35.     return AUDIO_OK;  
    9 Z0 |1 R  [$ C
36.   }  
    ! ^; d9 l7 ]# Z& a: V* _' z
37. }  

复制代码

先关闭I2S的DMA，在调用Codec的停止接口。
" ~! a7 k- {' m2 L2 VOK，下一个：
* L! B1 ^9 A9 s$ _8 K) A9 ]) j2 i

1. [cpp] view plain copy
   ! G9 `+ F0 U& j/ ?- e; z1 N
2. static int8_t AUDIO_AudioCmd_FS (uint8_t* pbuf, uint32_t size, uint8_t cmd)  
   7 s9 N, v) ^7 {1 e! n, j+ f9 d
3. {  
   
4.   /* USER CODE BEGIN 2 */  
   + ]6 B) G: L2 Z* u1 E: C& }
5.   switch(cmd)  
   
6.   {  
   
7.     case AUDIO_CMD_START:  
   ( J$ b5 k! ~- L% Z3 b7 h$ o
8.         BSP_AUDIO_OUT_Play((uint16_t *)pbuf, size);  
   
9.     break;  
   ) K: r9 Q& v/ k  L& `
10.   
    0 v0 p2 u8 i- `
11.     case AUDIO_CMD_PLAY:  
    2 T% B9 N$ z, C8 x0 L0 \% [" L5 q
12.         BSP_AUDIO_OUT_ChangeBuffer((uint16_t *)pbuf, size);  
    & v! y7 r+ Q5 j! {# D/ E0 g! z
13.     break;  
    & H$ l0 ~+ I' S+ O$ i, P" T  y& \! x
14.   }  
    
15.   return (USBD_OK);  
    / ^1 c+ ~0 h* @& B
16.   /* USER CODE END 2 */  
    
17.    
    
18. }  

复制代码

第一次USB audio stack接收到USB OUT数据时会回调这个接口并传入AUDIO_CMD_START参数，这里的处理代码是：
" Z  W0 J7 H7 E$ D+ \

1. [cpp] view plain copy
   2 m  Y2 L- d) [( ]
2. uint8_t BSP_AUDIO_OUT_Play(uint16_t* pBuffer, uint32_t Size)  
   . d- d  U9 E1 A1 u* p; W: B
3. {  
   0 U" ^$ o/ ^/ r' q! D
4.   /* Call the audio Codec Play function */  
   # C; E9 P# m$ r; _. D1 s8 h/ m
5.   if(audio_drv->Play(AUDIO_I2C_ADDRESS, pBuffer, Size) != 0)  
   2 u% p7 O; Y# t
6.   {  
   / U, M, o& l1 Y, v
7.     return AUDIO_ERROR;  
   3 f. n) n( r# a
8.   }  
   
9.   else  
   3 G; f/ J) G* T3 r$ z% i5 d' Z
10.   {  
    
11.     /* Update the Media layer and enable it for play */  
    # H" i* S, j* J, v5 i  X$ u
12.     HAL_I2S_Transmit_DMA(&hi2s3, pBuffer, DMA_MAX(Size/AUDIODATA_SIZE));  
    ! C( K; r' y1 E( O4 ~" Z- \% L
13.     return AUDIO_OK;  
    
14.   }  
    
15. }  

复制代码

很明显，它是调用Codec驱动处理数据，也就是通过I2S的DMA方式发送给Codec。

6 {3 a: Q# q, S5 ~" q然后I2S的DMA会产生传输完成中断和半传输完成中断，在这两个中断处理上，会回调到AUDIO_AudioCmd_FS()接口，并且此时传入的参数变为AUDIO_CMD_PLAY,此时，音频数据的处理函数为:

1. [cpp] view plain copy
   3 h, {. |+ t) \! _7 b
2. void BSP_AUDIO_OUT_ChangeBuffer(uint16_t *pData, uint16_t Size)  
   
3. {  
   . d+ V0 [( r) G) W  i5 J( {# Y
4.   HAL_I2S_Transmit_DMA(&hi2s3, pData, Size);  
   
5. }  

复制代码

也是通过I2S的DMA将数据传输给外部Codec。

4 I  l1 ^  h: w. c% G上述过程涉及到另外两个usbd_audio_if接口函数，即I2S的DMA半传输完成和传输完成中断回调,如下所示:

1. [cpp] view plain copy
   
2. void TransferComplete_CallBack_FS(void)  
   
3. {  
   
4.   /* USER CODE BEGIN 7 */   
   : {- j& U6 S9 g  m! ^
5.   USBD_AUDIO_Sync(&hUsbDeviceFS, AUDIO_OFFSET_FULL);  
   4 U5 h& x( R# j2 M) p
6.   /* USER CODE END 7 */  
   
7. }  
   
8. void HalfTransfer_CallBack_FS(void)  
     |' j  F# s/ W; B. c  _% L* T! t: R
9. {   
   
10.   /* USER CODE BEGIN 8 */   
    , h2 P  T2 i8 N. W% j% `. A) u
11.   USBD_AUDIO_Sync(&hUsbDeviceFS, AUDIO_OFFSET_HALF);  
    
12.   /* USER CODE END 8 */  
    + B$ b( S3 o4 Y: F- v& e
13. }  

复制代码

此代码为CubeMx自动生成，且在自动生成的代码中就已经调用了usb audio class函数USBD_AUDIO_Sync()，在这里，对于这个，我们是不需要添加任何额外代码的。之前我们说过，在USBD_AUDIO_Sync()函数内部，会实现对AUDIO_AudioCmd_FS()的回调，目的是，需要及时将数据缓冲中另一半准备好的数据也通过I2S的DMA传输给外部Codec，这个不间断的传输，才能实现音频播放的连贯性。

  `; N6 R5 R; M此外，在USB设备端，后续接收到的音频数据会紧接着之前的数据进行存放，这里实现了一个数据环形缓冲区，来实现了USB接收端与I2S输出端数据有效的缓存。

接下来看下一个usbd_audio_if接口函数对接：
1 ]' h; O% K8 z) `

1. [cpp] view plain copy
   
2. static int8_t AUDIO_VolumeCtl_FS (uint8_t vol)  
   
3. {  
   + r1 x- S5 @& @9 r) J) E! K
4.   /* USER CODE BEGIN 3 */   
   * R% g+ V, x+ I# f
5.   BSP_AUDIO_OUT_SetVolume(vol);  
   
6.   return (USBD_OK);  
   
7.   /* USER CODE END 3 */  
   
8. }  

复制代码

很明显，这个是音量控制接口，也对接下:
1 y8 f+ N' G* Z: c/ |0 M

1. [cpp] view plain copy
   & @! o2 a& L) {9 s" H
2. uint8_t BSP_AUDIO_OUT_SetVolume(uint8_t Volume)  
   ! n" ^" \; G5 |) }: H) Z9 ?
3. {  
   
4.   /* Call the codec volume control function with converted volume value */  
   
5.   if(audio_drv->SetVolume(AUDIO_I2C_ADDRESS, Volume) != 0)  
   ; P. q8 K3 k/ r9 ?* d) s0 @
6.   {  
     l1 s5 r) |* ^0 C7 n) o
7.     return AUDIO_ERROR;  
   
8.   }  
   
9.   else  
   
10.   {  
    
11.     /* Return AUDIO_OK when all operations are correctly done */  
    
12.     return AUDIO_OK;  
    
13.   }  
    ; p; `# d) c* `- n# z4 [7 L
14. }  

复制代码

直接调用Codec启动的相应接口。需要注意地是，实际上，在PC端进行音量的调节，并不会向USB端发送相应的音量调节指令，这里只是象征性的对接下，实际上在USB AUDIO中代码并不会允许到这里，音量的放大和变小直接体现在音频数据本身内。

& w- j+ u5 a2 j) a下一个:
( N) w9 \; T4 @. Q# [

1. [cpp] view plain copy
   ) s8 y  h; C6 p: J1 F
2. static int8_t AUDIO_MuteCtl_FS (uint8_t cmd)  
   
3. {  
   
4.   /* USER CODE BEGIN 4 */   
   ) J4 m/ n, E' H" E. f
5.   BSP_AUDIO_OUT_SetMute(cmd);  
   
6.   return (USBD_OK);  
   ; O6 ]" N. M* q0 [( t9 H, \0 S
7.   /* USER CODE END 4 */  
   * ]6 G& y' B& @* L
8. }  

复制代码

静音控制，其实现为：
8 P* C" ~/ p3 E- ]* a+ E9 a

1. [cpp] view plain copy
   
2. uint8_t BSP_AUDIO_OUT_SetMute(uint32_t Cmd)  
   * f: E( `9 H9 \8 [4 p
3. {  
   ! f0 F, V; P, q; o  Z
4.   /* Call the Codec Mute function */  
   
5.   if(audio_drv->SetMute(AUDIO_I2C_ADDRESS, Cmd) != 0)  
   - g: ?& s/ l" Z" f, h
6.   {  
   $ d. A5 A* H& {8 u( G% h
7.     return AUDIO_ERROR;  
   
8.   }  
   + J; u0 Q& h1 p2 X1 [( ?/ C$ \7 u
9.   else  
   4 h9 X% ~( Z$ p, o0 h) @
10.   {  
    1 z( u6 p2 ]/ {' V& m+ Q
11.     /* Return AUDIO_OK when all operations are correctly done */  
    
12.     return AUDIO_OK;  
    
13.   }  
    
14. }  
    - ]0 K1 v# q& X: g: M& s! f3 X  J& b

复制代码

很简单，直接调用codec驱动的静音接口。静音接口与音量控制不同，在PC端进行静音操作会发送相应的mute指令，进而运行到这里。

; A, N* ^) X, M4 e  Z0 \8 KOK，就这样，usbd_audio_if模块的接口基本上对接到这样就可以了。
8 ~. J7 W5 H+ z& Z
0 f8 {: x2 W0 a4    测试验证
将代码编译后烧录进STM32F4DISCVOERY板进行验证。
+ p$ y' J( S3 C+ h
最终验证是OK的，可以从耳机上听到PC端播放的音乐。

+ c! n# A0 J- W  A1 ~5    结束语
' _/ P( p  Z1 ^' a8 I在CubeMx上对中间件USB配置时，将USB audio class的音频采样率设置为48K,那个这个参数会再USB枚举期间会传递给windows的audio驱动，在枚举通过后，后续通过USB传输的音频数据都将是固定以48K采样率来的，也就是192bytes/ms，也就是说，不管PC端播放什么音乐，windows的audio驱动都会固定以48K采样率向USB端口进行传输。这种特性是由windows的audio驱动决定的。
4 H. e' z6 e6 x
I2S外设向codec传输的时钟是可以改变的，在本应用中是用不着改变，这个是因为USB端固定以48K采样率接收数据，那么I2S也可以固定以48K采样率所对应的速度向Codec传输速度，这个特点，正式因为USB audio的固定传输特性所决定的。若换成播放本地U盘音频文件或连接iPhone并播放iPhone的音乐时，则I2S外设的时钟是根据每次播放的具体音乐所对应的采样率来配置I2S的时钟的，这种机制稍微有所不同，这里只需注意下，理解了就可以了。
4 H" X  B* X- R6 ^, r, b: J! `
在本例中，从I2S传输数据的速率是48K的采样率，但实际精度却是47991.07142857143。这个与标准的48K还是有所偏差的，实际上，无论USB端和I2S端的传输速度在理论上有多匹配，在实际上，多少都会存在些偏差，这也就意味着，在USB与I2S这两个”入口”与”出口”之间的缓存，在随着时间流逝，如不进行任何处理，这个缓存理论上一定会爆掉或掏空。那么这里就需要针对这个缓存这种现象的一种处理，或者叫做算法，算法的好坏在一定程度上决定了音质的好坏。而本例中，我们使用的是CubeMx生成的默认的最简单的算法，我们不做深入讨论，只是让大家有这么一个概念即可。
$ c0 ]$ _& s  j6 Z  T& j2 f' K
. A7 _# M$ j* z9 K# z


5 i, U3 n; ]. W1 F

楼主问下，你这个会有杂音吗？我这边测试了下，会有杂音的，如果根据接受AUDIO_TOTAL_BUF_SIZE大小去传输，usb中断影响HAL_I2S_Transmit_DMA(&hi2s1, (uint16_t *)pbuf, (size))传输结果，显示为hal_busy,忙等待，传输数据这块你有做特殊处理吗？
9 n. x8 E- v0 U: ^static uint8_t  USBD_AUDIO_DataOut (USBD_HandleTypeDef *pdev,
                              uint8_t epnum)
{
  USBD_AUDIO_HandleTypeDef   *haudio;
  haudio = (USBD_AUDIO_HandleTypeDef*) pdev->pClassData;

! e* d& r) i$ q; C( {: x  if (epnum == AUDIO_OUT_EP)
2 X( s$ [6 P# J- N7 c9 x% ~# a  {
% z1 p! s* |+ f" [. m  H    /* Increment the Buffer pointer or roll it back when all buffers are full */
3 ^4 w* W8 K. E$ ^6 a; z% T
# p5 E- g2 J. d    haudio->wr_ptr += AUDIO_OUT_PACKET;
4 K& t1 }3 A% S+ m; l% m3 m! f
    if (haudio->wr_ptr == AUDIO_TOTAL_BUF_SIZE)
    {
; C; C. }: v* J; g      /* All buffers are full: roll back */
2 z) |6 ]( h. {4 m# e2 m, q& q      haudio->wr_ptr = 0U;
    ((USBD_AUDIO_ItfTypeDef *)pdev->pUserData)->AudioCmd(&haudio->buffer[0],
                                                 AUDIO_TOTAL_BUF_SIZE / 2U,
                                                 AUDIO_CMD_PLAY);
#if 0
      if(haudio->offset == AUDIO_OFFSET_UNKNOWN)
% P4 B3 Y. `, P% l2 P      {
/ e9 U% V) r0 b  |* @; H4 @        ((USBD_AUDIO_ItfTypeDef *)pdev->pUserData)->AudioCmd(&haudio->buffer[0],
( _9 |0 k% o- ^# D                                                             AUDIO_TOTAL_BUF_SIZE / 2U,
+ r& D( P$ {/ P" ?& }( s0 O, j0 m                                                             AUDIO_CMD_START);
          haudio->offset = AUDIO_OFFSET_NONE;
* u5 S9 N" {% w8 \7 U" p% T      }
/ A' t- N# D+ w/ d  L#endif
* |3 T9 U# g# p. J5 b    }
$ d2 t4 ?" w, |) g/ s
5 j: Q* ^. c. g! k    if(haudio->rd_enable == 0U)
5 \4 Q# ^% {- h- G    {
      if (haudio->wr_ptr == (AUDIO_TOTAL_BUF_SIZE / 2U))
      {
        haudio->rd_enable = 1U;
" Z' M/ k, |+ p4 G" \" ?! }      }
% b8 h- T# A2 `6 S    }
& Z( e3 ]0 @( N. T& K  H
    /* Prepare Out endpoint to receive next audio packet */
+ k+ `5 ~2 m7 u- j    USBD_LL_PrepareReceive(pdev, AUDIO_OUT_EP, &haudio->buffer[haudio->wr_ptr],
                           AUDIO_OUT_PACKET);
  }

楼主还在吗？
/ _1 A3 X& M% c我参考了您的这篇文章，在 STM32F413 discovery 板子上试验 USB Audio，
我先用 STM32CubeMX 5.2.1 生成代码框架，然后再把 STM32CubeF4 V1.24.1 里面的 stm32f413h_discovery.c, stm32f413h_discovery_audio.c, wm8994.c 这几个源文件添加到工程里，用的 toolchain 是 IAR 8.30。
现在的问题是，如果在 usbd_audio_if.c 里面函数 AUDIO_Init_FS 里面什么都不调那么能成功地枚举出 "STM32 Audio Class" 设备，
但是只要 AUDIO_Init_FS 里面调了 BSP_AUDIO_OUT_Init 就会枚举失败，显示“未知 USB 设备”，跟踪 BSP_AUDIO_OUT_Init 的执行过程没发现问题，
而且这个函数返回值也是OK，但是紧接着 AUDIO_DeInit_FS 就被调了，也跟踪了 USB 中断和 DMA 中断都有，查了好几天查不出原因，时钟配置好像也没问题，楼主您能指点一下吗？多谢！

梦中的飞鸿 发表于 2019-9-11 09:20
* u" h, ~  t# ~这个问题您解决了吗，我这也遇到了这个问题，有个小感叹号，然后提示

5 W, ]3 C, y) T/ l, S& l该设备无法启动。 (代码 10)

1 W1 A$ }, |9 \8 g出现这种情况要保证描述符是不是正确的，如果描述符正确在看看内存是否溢出，如果都正确，那就要一步步找问题了，就是把个单片机外设相关的代码想注释掉，基本上就找到原因了。

非常好的帖子，谢谢分享！！！

anny 发表于 2018-5-23 14:45
: H( }! O  e' u' k- i4 s非常好的帖子，谢谢分享！！！

希望能有帮助

anny 发表于 2018-5-23 14:45
; K) h$ \) H$ j非常好的帖子，谢谢分享！！！

希望能有帮助

非常好的帖子，楼主可以发一份工程的代码吗？非常感谢，18056453597@qq.com

666，好贴，顶起来~

收藏

" f+ y5 k% A9 h& C0 G* [) M非常好的帖子，谢谢分享！！！

好贴！

楼主，我想问下，stm32 Audio Class的PC端不需要驱动吗？我的提示能够正确识别设备，但是安装驱动失败！

delei 发表于 2019-8-12 11:18
# e# A" p" i2 X. |1 u/ m楼主，我想问下，stm32 Audio Class的PC端不需要驱动吗？我的提示能够正确识别设备，但是安装驱动失败！
& [# V: v4 B7 ~( C" g, Z$ g
+ o  v1 m, }+ t0 d+ U$ R/ A. A$ O ...

这个问题您解决了吗，我这也遇到了这个问题，有个小感叹号，然后提示

该设备无法启动。 (代码 10)

! g2 I4 @5 C; y. B, w! |  _4 cI/O 请求已取消。

梦中的飞鸿 发表于 2019-9-11 09:20
这个问题您解决了吗，我这也遇到了这个问题，有个小感叹号，然后提示
5 e. l+ F, z. L  W: f
& X) K( R( g: R$ x, O9 C, a- Q该设备无法启动。 (代码 10)

  Q  h! z. ~- e1 P% d% J- q经测，不要用最新的库版本，用1.21.0的测试直接生成，正常识别！