使用STM32的I2S协议读取麦克风INMP441

只看该作者 · 2024-6-30 18:19

由于前面将DMA Mode设置为了Circular，因此只需要调用一次该函数，就能开启DMA的连续存取。该函数的原文注释如下：

/**
  * @brief  Receive an amount of data in non-blocking mode with DMA
  * @param  hi2s pointer to a I2S_HandleTypeDef structure that contains
  *       the configuration information for I2S module
  * @param  pData a 16-bit pointer to the Receive data buffer.
  * @param  Size number of data sample to be sent:
  * @NOTE When a 16-bit data frame or a 16-bit data frame extended is selected during the I2S
  *       configuration phase, the Size parameter means the number of 16-bit data length
  *       in the transaction and when a 24-bit data frame or a 32-bit data frame is selected
  *       the Size parameter means the number of 24-bit or 32-bit data length.
  * @note The I2S is kept enabled at the end of transaction to avoid the clock de-synchronization
  *       between Master and Slave(example: audio streaming).
  * @retval HAL status
  */
HAL_StatusTypeDef HAL_I2S_Receive_DMA(I2S_HandleTypeDef *hi2s, uint16_t *pData, uint16_t Size)

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根据以上说明，最后一个参数size的单位是由数据帧的长度决定的。前面在Cube中设置的数据格式为24 Bits Data on 32 Bits Frame，因此DMA读取数据的总长度为size×4字节。前面定义的DMA缓冲区是一个长度为4的uint32_t型数组，缓冲区中的数据格式为：前2个元素表示左声道数据，后2个表示右声道数据。根据前面的电路图，本次试验只接了一个左声道的麦克风，因此右声道数据始终为0.以下是在数组dma[]中，左声道数据的示例：

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可以观察出，dma[0]左移8位 + dma[1]右移8位，就得到了24位采样值。例如将0000fff5 00007700合并为0xfff577：

val24 = (buf32[0]<<8) + (buf32[1]>>8);

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在这个DMA数据获取的阶段非常容易出错，最终的数据格式和在Cube中设置的DMA Data With、main.c中DMA缓冲数组的元素类型和DMA接收函数的参数值size都有关系，在我之前的测试中，如果把缓冲区元素转为uint8_t，就会得到不一样的结果，24bit采样值被拆分为3个字节，且未必是高位字节在前、低位字节在后的排列顺序。总之需要小心修改，通过把数据打印到串口，来寻找规律。按照本文的配置，接收到的原始数据是用2个32位无符号整型表示一个采样值，这应该不是最佳的格式，但我没有继续试验，读者可以尝试在Cube中把Data With设为Half-Word再进行测试。

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麦克风发送的数值是24位二进制补码的形式，二进制补码也是单片机存储有符号整型的方式，因此可以将采样值视为24位有符号整型，为了与C语言的整型格式一致，需要将这个24位整型扩展到32位，方法为：正数保持不变，对于负数在左边加一个0xff。例如24位数0xfff577，它的最高位（符号位）是1，代表负数，因此转换为0xffff f577，代码如下：

if(val24 & 0x800000){//negative
val32=0xff000000 | val24;
}else{//positive
val32=val24;
}

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在串口绘图器中查看音频波形
使用串口绘图工具SerialPlot查看声音波形，SerialPlot相当于一个带波形绘制功能的串口助手，它的下载和使用方法可以到网上搜到。由于声音采样速度比较快，在上面回调函数中我把串口发送频率设成了采样频率的十分之一。

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可在图中看到波形随着外界声音而波动，声音越响幅值越大，这说明采集到的数据是正常的。

至此实验完成。本文使用STM32的硬件I2S协议和DMA功能实现了对INMP441音频数据的采集，并将数据化为了有符号整型格式，以便进一步处理。