使用STM32的I2S协议读取麦克风INMP441

只看该作者 · 2024-6-30 17:59

硬件准备
INMP441模块：

主控芯片：我用的是STM32F103ZET6，可以在STM的选型手册上看到哪些芯片带I2S接口，支持I2S协议的最低配STM32芯片是STM32F103R系列。

用来下载程序的Jlink-OB和用于串口通信的USB转TTL模块。

软件准备
本文采用STM32CubeMX生成初始代码 + KeilV5编程的方式，开发STM32程序。
使用Cube生成一个Keil v5 Project，并调好printf串口打印功能，方便后续开发。这里需读者具备开发STM32程序的基本能力。\

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麦克风模块的I2S通信原理
麦克风模块本质上是一个模数转换器（ADC），不断的把声波震动的幅值转换成数字信号，再通过I2S总线把数据发送到主控芯片。本案例中，I2S总线的主机是STM32，从机是麦克风模块。

除了电源引脚和芯片使能引脚，INMP441的引脚还包括SCK、SD、WS和L\R：
SCK：I2S时钟线，是由主机产生的高频方波，用来控制每位数据的传输时序
SD：I2S数据线，从机通过这根线把AD采样值发送给主机
WS：I2S声道选择线，I2S协议可以传输左右两个声道的数据，WS信号是由主机发送给从机的，从机根据WS的电平高低，判断当前数据帧发送左声道还是右声道数据，WS低电平时，从机发送左声道数据，高电平发送右声道。
L/R：芯片左右声道选择线，每个麦克风只能检测一处声源，因此若要进行双声道录音，就要使用两个模块，一左一右放置，然后按照下图连线：

只看该作者 · 2024-6-30 17:59

为了让麦克风知道自己是在左边还是右边，就需要将L/R置高（右声道）或置低（左声道）。以上图为例，左边麦克风的L/R接地了，因此在WS=0期间它会将自身的AD采样值发送到SD线，发送完成后它会将SD设置为高阻态（相当于悬空），让出SD线。随后WS=1时，右边的麦克风通过SD线发送右声道数据。因此主机是交替采集左右声道的数据，且不会发生信号冲突。下图是麦克风的I2S时序图：

只看该作者 · 2024-6-30 18:00

如上图，SCK是由主机生成的高频方波信号，WS的周期是SCK的64倍，因此在WS=1或WS=0的期间，SCK会经历32个周期。从WS下降沿之后的第2个SCK上升沿开始，主机会在每个SCK上升沿读取一位数据，直到第25个SCK上升沿后，主机共读取到了24bit数据。INMP441内置的ADC是24位的，这24bit数据以大端模式传输，组成了左声道的一个采样值。

只看该作者 · 2024-6-30 18:01

同理，从WS上升沿之后的第2个SCK上升沿开始，主机开始读取右声道的采样值。下图是来自STM32手册的I2S时序图：

只看该作者 · 2024-6-30 18:02

由上图可知，STM32也是从第2个SCK上升沿开始读取数据，与麦克风的协议一致。在WS=0期间CLK共出现32次上升沿，且读取动作滞后了一个SCK周期，导致WS=0期间至多读取31bit数据，因此如果采样值是32bit的，则需要在下一次读取时第一个SCK上升沿时完成最后一位的读取。这解释了上图中，为何MSB receive的左边一位是LSB receive，这是上个数据的最低位。

只看该作者 · 2024-6-30 18:03

下图是使用示波器采集到的I2S波形实例。蓝色是SD信号，黄色是CLK，示波器触发源被设置为WS下降沿，图中波形对应一个完整的24位数值。可以从图中Ch2第二个上升沿开始读取24位数据。麦克风发出的24位采样值是带符号的，因此下面第一张图中，最高是1，代表这个数值是负数，第二张图中的采样值是正数。

只看该作者 · 2024-6-30 18:03

只看该作者 · 2024-6-30 18:04

使用Cube设置STM32的I2S通信
以上是对I2S通信原理的解释，下面开始创建STM32程序。打开Cube，按照下图设置：

只看该作者 · 2024-6-30 18:04

上图中，8kHz频率是最低选项，这是为了方便测试，可以调通后再提高。添加DMA以提高数据存取速度，DMA Mode选择Circular，这样STM32会连续不断的进行DMA存取操作，不必频繁调用读取命令。Data With暂时选择Word，也就是32位的。

只看该作者 · 2024-6-30 18:04

在Cube中设置完成后，点击生成代码，然后在Keil中打开Project。

可以看到在Keil中，出现了i2s的库文件stm32f1xx_hal_i2s.c和初始化文件i2s.c，其中stm32f1xx_hal_i2s.c内有各个i2s的驱动函数和使用说明，i2s.c中是Cube根据上面的设置，生成的I2S通信初始化函数。

只看该作者 · 2024-6-30 18:14

电路连接
在Cube上查看STM32的引脚分配如下：

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本次案例不需双声道，只接一个麦克风，按照下图接线：

只看该作者 · 2024-6-30 18:15

如上图，建议给SD线接一个10k的下拉电阻（模块本身是不下拉的）。这是因为，在每个24bit数据传输完成后，麦克风会立即将SD线设为高阻态，此时如果没有下拉，SD线会缓慢衰减到0V（如左下图所示），导致STM32会在第25bit读取到一个“1”，对开发工作造成误导。右下图是不下拉时读取到的数据，图中数据最后的16进制“80”即二进制的1000 0000，这个1是多余的。

只看该作者 · 2024-6-30 18:15

物理连线：

只看该作者 · 2024-6-30 18:18

编写代码
打开main.c，自己添加的代码都要放在Cube注释指定的位置，否则再次用Cube生成代码时会被覆盖。先放上连续的main.c文件（省略了最后一些自动生成的代码)，下文会对各个需要添加代码的地方进行说明。

/* USER CODE BEGIN Header */
/**
  ******************************************************************************
  * @file          : main.c
  * @brief       : Main program body
  ******************************************************************************
  * @attention
  *
  * Copyright (c) 2022 STMicroelectronics.
  * All rights reserved.
  *
  * This software is licensed under terms that can be found in the LICENSE file
  * in the root directory of this software component.
  * If no LICENSE file comes with this software, it is provided AS-IS.
  *
  ******************************************************************************
  */
/* USER CODE END Header */
/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "main.h"
#include "dma.h"
#include "i2s.h"
#include "usart.h"
#include "gpio.h"

/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include <stdio.h>
//#include "stm32f1xx_hal.h"
/* USER CODE END Includes */

/* Private typedef -----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PTD */

/* USER CODE END PTD */

/* Private define ------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PD */
/* USER CODE END PD */

/* Private macro -------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PM */

/* USER CODE END PM */

/* Private variables ---------------------------------------------------------*/

/* USER CODE BEGIN PV */
uint32_t dma[4];
uint32_t val24;
int val32;
/* USER CODE END PV */

/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
void SystemClock_Config(void);
/* USER CODE BEGIN PFP */

/* USER CODE END PFP */

/* Private user code ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN 0 */
unsigned cb_cnt=0;
//I2S接收完成回调函数
void HAL_I2S_RxCpltCallback(I2S_HandleTypeDef *hi2s)
{
if(hi2s==&hi2s2){
cb_cnt++;//回调次数计数
//将两个32整型合并为一个
//dat32 example: 0000fffb 00004f00
val24=(dma[0]<<8)+(dma[1]>>8);
//将24位有符号整型扩展到32位
if(val24 & 0x800000){//negative
val32=0xff000000 | val24;
}else{//positive
val32=val24;
}
//以采样频率的十分之一，串口发送采样值
if(cb_cnt%10==0)
printf("%d\r\n",val32);
}
}
/* USER CODE END 0 */

/**
  * @brief  The application entry point.
  * @retval int
  */
int main(void)
{
  /* USER CODE BEGIN 1 */

  /* USER CODE END 1 */

  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/

  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();

  /* USER CODE BEGIN Init */

  /* USER CODE END Init */

  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();

  /* USER CODE BEGIN SysInit */

  /* USER CODE END SysInit */

  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_USART1_UART_Init();
  MX_DMA_Init();
  MX_I2S2_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */

  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  //开启DMA传输
  HAL_I2S_Receive_DMA(&hi2s2,(uint16_t*)dma,4);
  while (1)
  {
    HAL_Delay(10);

/* USER CODE END WHILE */

/* USER CODE BEGIN 3 */
  }
  /* USER CODE END 3 */
}
//后面都是Cube自动生成的代码，省略

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以下是详细介绍：
加入stdio.h文件，是为了避免printf函数出现警告。仅添加这一行代码不能实现printf串口输出功能，具体操作可以去网上搜索。

/* USER CODE BEGIN Includes */
#include <stdio.h>
/* USER CODE END Includes */

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添加全局变量，数组dma[]是一个缓冲区，芯片将硬件I2S读取到的数据通过DMA传送到这个数组，无须主程序的干预。val24是用来存储24位原始采样值的。val32是将val24扩展到32位得到的结果。具体数据转换逻辑见下文。
/* USER CODE BEGIN PV */
uint32_t dma[4];
uint32_t val24;
int val32;
/* USER CODE END PV */

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在main函数前，添加I2S接收回调函数。在回调函数之前定义了全局变量cb_cnt，用来计算回调函数被执行的次数。回调函数中的代码是把原始的采样数据转换为32位有符号整型，然后以十分之一的采样速率，把转换结果发送到串口，用来在上位机的串口绘图器上观察波形。
/* USER CODE BEGIN 0 */
unsigned cb_cnt=0;
//I2S接收完成回调函数
void HAL_I2S_RxCpltCallback(I2S_HandleTypeDef *hi2s)
{
if(hi2s==&hi2s2){
cb_cnt++;//回调次数计数
//将两个32整型合并为一个
//dat32 example: 0000fffb 00004f00
val24=(dma[0]<<8)+(dma[1]>>8);
//将24位有符号整型扩展到32位
if(val24 & 0x800000){//negative
val32=0xff000000 | val24;
}else{//positive
val32=val24;
}
//以采样频率的十分之一，串口发送采样值
if(cb_cnt%10==0)
printf("%d\r\n",val32);
}
}
/* USER CODE END 0 */

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主函数中，仅需在while循环前加了一个函数HAL_I2S_Receive_DMA()，以开启DMA传输：

HAL_I2S_Receive_DMA(&hi2s2,(uint16_t*)dma,4);