使用 STM32L1xx 微控制器与外部 I2S 音频编解码器播放音频文件 " F* s3 X2 V8 v' d& W' T 前言 ' {+ ?/ K$ ~! {- ~8 a/ i . G: A8 A1 }0 z$ s+ r1 ^! o 本应用笔记说明了如何利用外部编解码器(参考 STSW-STM32135),使用 STM32L1xx I2S接口播放音频文件。 # S) F' X9 J+ I1 z I2S 协议广泛用于从微控制器 /DSP 到音频编解码器传输音频数据,以播放(储存于存储器中的)音乐,或者 (从麦克风)捕获模拟声音。 STM32L1xx 可使用 SPI 外设进行 I2S 音频通信,并为此通信模式实现了特定的功能。高级用户可跳过本应用笔记前面的部分。 注 : 在本文中,除非特别说明, I2S 一词指 STM32L1xx 微控制器中实现的 SPI 外设的 I2S 特性。* _6 r3 }9 z. J& B& m/ W 1 I2S 一般说明 : |0 ?* h1 W; O* Z7 T0 g% m" Z , B5 G( x! V, S& h/ a 1.1 I2S 协议 / I. S# I* ^& X% B3 M2 r- ]+ @ 9 J% [& X+ R( \5 c3 S. R, p I2S(集成电路内置音频总线)是音频数据传输标准,它使用三线总线进行串行和同步数据传输。 4 p2 B" V$ S' ] 数据在 SD (串行数据)线上传输,格式为小端序 (先传 MSB)。数据长度不受限制 (通常为 16/20/24/32 位)。发送器数据通过 SCK (串行时钟)的上升沿或下降沿同步,接收器用SCK 的下降沿。请参见图 1。 6 n2 A* P$ Y! e l* _$ | 数据表示的是立体声数字音频,所以每个采样包含两个字 —— 右声道采样和左声道采样。它并不使用两个数据通道,而是执行复用,在半个采样周期传输一个字,这样就将采样率加倍,可在每周期传输两个字。 3 E3 k: z7 L: @* T4 x" b$ ~8 ]% j N! r 它使用控制信号 WS (字选择)确定正在发送的字是右声道还是左声道。此信号还决定了数据的开始和结束:因此无需固定数据长度。因此,接收器和发送器数据长度可以不同,右声道和左声道数据长度也可以不同。 + j( s! B5 q/ h) {+ j; \9 i1 t" j WS 同步到 SCK 的上升沿或下降沿,比 MSB 早一个 SCK 周期,以便有足够时间做储存和移位运算。 . y" Y+ q, j- v [; ]3 G! F6 T / P) A& g6 r- D6 U# d0 E 与大多数通信协议一样,必须有主设备和从设备。主设备提供并控制 SCK 时钟和 WS 信号,从设备仅发送或接收数据。主设备可以是接收器、发送器或第三设备(控制器)。请参见图 2。( z" Y' C, d) p 0 o5 C5 d. ~1 B9 k7 u2 T+ n0 Q B 7 g; K3 a6 R/ p4 c) J 1.2 STM32L1xx I2S 特性讲解 ! K" I) B7 p5 b1 S* O+ ASTM32L1xx 将 I2S 特性实现为 SPI 外设的一个模式。用户必须选择 SPI 模式或 I2S 模式(软件配置)。 STM32L1xx I2S 仅有单工模式 (仅接收或仅发送),通信方向由软件配置。 & b6 ]# r6 b, C5 T' e0 P W2 GI2S 外设支持四种音频协议 (可由软件配置): • I2S 飞利浦协议 6 ^4 Y7 o2 \9 y. H7 _- m• MSB 协议 • LSB 协议 ! I ?7 C% m, y7 S1 H7 s- F• PCM 协议 (包括 PCM 短帧和 PCM 长帧) 它还支持大多数音频频率 (8 kHz、 16 kHz、 22.05 kHz、 32 kHz、 44.1 kHz、 48 kHz 等)数据格式可编程为 16、 24 或 32 位数据长度 (每通道), MSB 在前,以及 16 或 32 位包长度 (每通道)。 WS 信号的分配由硬件管理,并有一个相应的标志位 (CHSIDE)监控通道侧 (仅飞利浦、MSB 和 LSB 标准)。I2S 外设可配置为音频通信中的主设备或从设备。 I2S 使用 9 位预分频生成其自身时钟(独立于寄存器与 APB 总线接口所使用的 SPI 时钟),其设计可达到精确音频频率 (8 kHz、 16kHz、22.05 kHz、44.1 kHz、32 kHz、48 kHz 等)(a)。当配置为主模式时,外设能以固定速率输出额外的主时钟 (MCLK):256 × FS (其中 FS 为音频频率)。 ! k; ~0 ^ E Z' r' n若需决定是否生成 MCLK,应考虑下述因素: • 外部 I2S 器件的需要 (编解码器 /DAC)。一般来说,这些器件需要主时钟 (一般速率为 256 × FS)以执行内部和采样工作。 ! n: v; o* K" j& z• 在某些情况下,音频频率精度会因为启用 MCLK 输出而下降。 ; M4 e- }( i+ V% ]可使用下述方式中的一种控制音频通信: – 通过轮询 TXE/RXNE 标志 (SPI_CR2 寄存器中的位 1/0):等待 TXE/RXNE 标志置位,然后向 / 从 SPI_DR 寄存器写 / 读通道波形数据。(适合测试 / 小型应用等) – TXE/RXNE 上的中断:配置并启用发送 / 接收中断。在中断子程序中,向 / 从SPI_DR 寄存器写 / 读通道波形数据。(适合大多数应用 /RT 软件等) 3 N, ~: v# Y3 `% u& A– DMA 传输:配置 DMA,在每个 Rx/Tx 请求时从 / 向 SPI_DR 寄存器加载 / 卸载。(适合高性能需求。) . A9 s6 A! i. h8 \" c. f注 : 在 I2S 模式中,DMA 的用法与 SPI 模式完全相同(对于所支持的音频传输协议,I2S 模式中无法用 CRC 特性)。SYSCLK 频率的选择直接影响 I2S 的传输质量(在主模式中):采样时钟(CK)和 WS 时钟直接由 SYSCLK 用 9 位分频器得到,以获取最精确的 FS 频率。为得到最大精度,预分频器允许奇数次除二 (使用 SPI_I2SPR 寄存器中的 ODD 位)。因为 SYSCLK 的低频率 (最大 32 MHz),低精度因子时的分频值会导致音频质量下降。当STM32L1xx I2S 外设在主模式中生成主时钟时,精度因子会降低。请查阅参考手册(RM0038:STM32L100xx、 STM32L151xx、 STM32L152xx 和 STM32L162xx 基于 ARM®的高级 32 位 MCU)根据目标采样频率确定音频频率精度。 . H5 Y5 e% F6 C* s9 z5 T* H( R5 J, |7 X& G( [( `1 Q4 ^ |
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