【经验分享】基于 STM32 I2S 的音频应用开发介绍

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STMCU小助手发布时间：2022-2-15 20:36

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文章简介:	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：

(L%2~T~P1I_HGBS`$L$RYIT.png

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。

9KV_9[UQE[9J)~_~PYXT`LJ.png

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。
外设寄存器地址空间

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。

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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。

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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 I2Sclocks）。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。

$HZCWS58__TCKR_{C{$P18NM.png$

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。）:

$S2OR_K%}CVWUV{RM9%QSZZC.png$

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：

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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。

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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。

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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。

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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。

B1G`6@XMB18QTPTTX{V[2WQ.png

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。

J8ZKKK@ORV(81%%LEOWOPLI.png

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。

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4.1 前期准备

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4.2 应用实现
4.2.1 实现 1
结合 STM32CubeMX 的软件开发流程如下图。

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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

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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。

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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

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I2S 参数配置。配置后截图如下。

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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。）

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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。
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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。

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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。

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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

main.h

/* 增加如下代码 */
#include <stdint.h>
/**
* @brief Audio I2C Slave address
*/
#define AUDIO_I2C_ADDRESS ((uint16_t)0x34)
/* Codec output DEVICE */
#define OUTPUT_DEVICE_SPEAKER ((uint16_t)0x0001)
#define OUTPUT_DEVICE_HEADPHONE ((uint16_t)0x0002)
#define OUTPUT_DEVICE_BOTH ((uint16_t)0x0003)
#define OUTPUT_DEVICE_AUTO ((uint16_t)0x0004)
#define INPUT_DEVICE_DIGITAL_MICROPHONE_1 ((uint16_t)0x0100)
#define INPUT_DEVICE_DIGITAL_MICROPHONE_2 ((uint16_t)0x0200)
#define INPUT_DEVICE_INPUT_LINE_1 ((uint16_t)0x0300)
#define INPUT_DEVICE_INPUT_LINE_2 ((uint16_t)0x0400)
#define INPUT_DEVICE_DIGITAL_MIC1_MIC2 ((uint16_t)0x0800)
#define AUDIO_VOLUME 80
void AUDIO_IO_Write(uint8_t Addr, uint16_t Reg, uint16_t Value);
uint16_t AUDIO_IO_Read(uint8_t Addr, uint16_t Reg);
uint8_t WM8994_Config(void);

复制代码

main.c

/* 添加 wm8994 驱动头文件 */
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "wm8994.h"
……
/* 增加音频数据流暂存空间 */
/* USER CODE BEGIN PV */
/* Private variables -------------------------------------------
--------------*/
uint8_t AudioBuf[2*2*48] = {0}; //2 CH*16bit*48KHz
/* USER CODE BEGIN 4 */
/**
* @brief Writes a single data.
* @param Addr: I2C address
* @param Reg: Reg address
* @param Value: Data to be written
* @retval None
*/
void AUDIO_IO_Write(uint8_t Addr, uint16_t Reg, uint16_t Value)
{
uint16_t tmp = Value;
Value = ((uint16_t)(tmp >> 8) & 0x00FF);
Value |= ((uint16_t)(tmp << 8)& 0xFF00);
/* Check the communication status */
if(HAL_FMPI2C_Mem_Write(&hfmpi2c1, Addr, (uint16_t)Reg,
FMPI2C_MEMADD_SIZE_16BIT, (uint8_t*)&Value, 2, 1000) != HAL_OK)
{
/* De-initialize the I2C communication bus */
HAL_FMPI2C_DeInit(&hfmpi2c1);
/* Re-Initialize the I2C communication bus */
MX_FMPI2C1_Init();
}
}
/**
* @brief Reads a single data.
* @param Addr: I2C address
* @param Reg: Reg address
* @retval Data to be read
*/
uint16_t AUDIO_IO_Read(uint8_t Addr, uint16_t Reg)
{
uint16_t read_value = 0, tmp = 0;
if(HAL_FMPI2C_Mem_Read(&hfmpi2c1, Addr, (uint16_t)Reg,
FMPI2C_MEMADD_SIZE_16BIT, (uint8_t*)&read_value, 2,
1000) !=HAL_OK)
{
/* De-initialize the I2C communication bus */
HAL_FMPI2C_DeInit(&hfmpi2c1);
/* Re-Initialize the I2C communication bus */
MX_FMPI2C1_Init();
}
tmp = ((uint16_t)(read_value >> 8) & 0x00FF);
tmp |= ((uint16_t)(read_value << 8)& 0xFF00);
read_value = tmp;
return read_value;
}
/**
* @brief Initializes Audio low level.
*/
void AUDIO_IO_Init(void)
{
//Already defined in MX_FMPI2C1_Init().
}
void AUDIO_IO_Delay(uint32_t Delay)
{
HAL_Delay(Delay);
}
uint8_t WM8994_Config(void)
{
uint8_t ret = HAL_ERROR;
uint32_t deviceid = 0x00;
/* wm8994 codec initialization */
deviceid = wm8994_ReadID(AUDIO_I2C_ADDRESS);
if((deviceid) == WM8994_ID)
{
/* Reset the Codec Registers */
wm8994_Reset(AUDIO_I2C_ADDRESS);
ret = HAL_OK;
}
else
{
ret = HAL_ERROR;
}
if(ret == HAL_OK)
{
/* Initialize the codec internal registers */
wm8994_Init(AUDIO_I2C_ADDRESS,
INPUT_DEVICE_INPUT_LINE_1|OUTPUT_DEVICE_AUTO, AUDIO_VOLUME,
I2S_AUDIOFREQ_48K);
}
if(wm8994_SetMute(AUDIO_I2C_ADDRESS, AUDIO_MUTE_OFF) != 0)
{
ret = HAL_ERROR;
}
return ret;
}
/* USER CODE END 4 */
HAL_I2SEx_TransmitReceive_DMA(&hi2s2,(uint16_t
*)AudioBuf,(uint16_t *)AudioBuf,(sizeof(AudioBuf)/2));
if( WM8994_Config() != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}

复制代码

wm8994.h

/* 修改头文件路径 */
//#include "../Common/audio.h"
#include "audio.h"
#include "main.h"
……
/* 修改函数声明 */
//uint8_t AUDIO_IO_Read(uint8_t Addr, uint16_t Reg);
uint16_t AUDIO_IO_Read(uint8_t Addr, uint16_t Reg);

复制代码

wm8994.c w c wm8994_Init

/* 修改参数，降低放大倍数*/
case INPUT_DEVICE_INPUT_LINE_1 :
……
/* Disable mute on IN1L_TO_MIXINL and +30dB on IN1L PGA
output */
//counter += CODEC_IO_Write(DeviceAddr, 0x29, 0x0035);
counter += CODEC_IO_Write(DeviceAddr, 0x29, 0x0033);
/* Disable mute on IN1R_TO_MIXINL, Gain = +30dB */
//counter += CODEC_IO_Write(DeviceAddr, 0x2A, 0x0035);
counter += CODEC_IO_Write(DeviceAddr, 0x2A, 0x0033);
……
/* 修改参数，避免后续操作将麦克风偏置 1 关闭*/
/* Enable bias generator, Enable VMID, Enable HPOUT1 (Left)
and Enable HPOUT1 (Right) input stages */
/* idem for Speaker */
//power_mgnt_reg_1 |= 0x0303 | 0x3003;
if(input_device > 0)
power_mgnt_reg_1 |= 0x0303 | 0x3003 | 0x0010;
else
power_mgnt_reg_1 |= 0x0303 | 0x3003;

复制代码

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。

4.2.2 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。

8O{X7XO9IE9GC5MBS(98MDL.png

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。