使用 STM32L1xx 微控制器与外部 I2S 音频编解码器播放音频文件

前言

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。

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。

1 I2S 一般说明

1.1 I2S 协议

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。

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。

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。

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。

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。

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。

1.2 STM32L1xx I2S 特性讲解

STM32L1xx 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。

I2S 外设支持四种音频协议 （可由软件配置）：

• I2S 飞利浦协议

• MSB 协议

• LSB 协议

• 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）。

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。

• 在某些情况下，音频频率精度会因为启用 MCLK 输出而下降。

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）

– 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。）

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。

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