【实战经验】基于STM32 I2S的音频应用开发介绍

1万 · 2017-10-30 10:35

本帖最后由香水城于 2017-11-3 12:08 编辑

基于STM32 I2S的音频应用开发介绍

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。

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。
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。
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。

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。
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。

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。

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。
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。

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。

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。

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

3.2 应用实现

3.2.1 实现1
结合STM32CubeMX的软件开发流程如下图。

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。

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。
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。

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。
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）。
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。）

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。
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。
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。
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。

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。

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。

3.2.2 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_record
2.STM32Cube_FW_F4_V1.16.0\Projects\STM32F411E-Discovery\Applications\Audio\Audio_playback_and_record

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。

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。

参考文档
RM0430  STM32F413/423 advanced ARM®-based 32-bit MCUs
AN2739  How to use the high-density STM32F103xx microcontroller to play audio files with an external I²S audio codec
AN3998  PDM audio software decoding on STM32 microcontrollers
UM1718  STM32CubeMX for STM32 configuration and initialization C code generation

对应的PDF和代码链接：基于STM32 I2S的音频应用开发介绍
更多实战经验请看：【ST MCU实战经验汇总贴】