MM32F5270 系列控制器支持 I2S 總線接口,本章節(jié)在接下來會對 MM32F5270 I2S進行介紹,并使用 MM32F5270 和 CS4344 芯片進行 I2S 通信來演示播放一段聲音。
I2S 簡介
I2S ( Inter—IC Sound ) 總線是飛利浦公司為數(shù)字音頻設(shè)備之間的音頻數(shù)據(jù)傳輸而制定的一種總線標準,該總線專責于音頻設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸,廣泛應(yīng)用于各種多媒體系統(tǒng)。它采用了沿獨立的導(dǎo)線傳輸時鐘與數(shù)據(jù)信號的設(shè)計,通過將數(shù)據(jù)和時鐘信號分離,避免了因時差誘發(fā)的失真,為用戶節(jié)省了購買抵抗音頻抖動的專業(yè)設(shè)備的費用。在飛利浦公司的 I2S 標準中,既規(guī)定了硬件接口規(guī)范,也規(guī)定了數(shù)字音頻數(shù)據(jù)的格式。
在 MM32F5270 中,SPI 與 I2S 共用引腳。在 I2S 的描述中,支持半雙工通信,也支持全雙工模式。I2S 與 SPI 區(qū)別在于,I2S 主模式的控制邏輯使用獨立的時鐘分頻處理單元。在半雙工模式下,可使用 MCK 引腳輸出驅(qū)動時鐘,用于驅(qū)動外部音頻組件。在全雙工模式下,為了能同時進行數(shù)據(jù)的收發(fā),MCK 驅(qū)動時鐘只能從專用的 MCK 功能引腳輸出。I2S 的功能框圖如圖 1 所示,包括時鐘單元,寄存器控制單元,主從模式控制單元等。
圖1. I2S 功能框圖
MM32F5270 中 I2S 主要特征
● 支持半雙工通信(僅發(fā)射機或接收機)和全雙工通信(SD,extSD 的數(shù)據(jù)方向根據(jù)主/從模式配置決定)兩種通信方式
● 9 位可編程線性預(yù)分頻器,以達到精確的音頻采樣頻率( 8KHz 到 192KHz)
● 數(shù)據(jù)幀格式可以是 16 位、 24 位或 32 位
● 數(shù)據(jù)包幀固定為 16 位(16 位有效數(shù)據(jù))或 32 位(16 位、 24 位、 32 位有效數(shù)據(jù))
● 可編程時鐘極性(穩(wěn)定狀態(tài))
● 發(fā)射模式下的下溢標志(僅從機),接收模式下的上溢標志(主和從機)和接收/發(fā)射模式下的幀錯誤標志(僅從機)
● 用于傳輸和接收的 32 位寄存器為兩個聲道分時復(fù)用
● 支持 I2S 協(xié)議
? 飛利浦標準
? MSB 對齊標準(左對齊)
? LSB 對齊標準(右對齊)
? PCM 標準(在 16 位信道幀上具有短幀和長幀同步或擴展到 32 位信道幀的 16 位數(shù)據(jù)幀)
● 數(shù)據(jù)方向始終是 MSB 優(yōu)先
● DMA 傳輸能力
● 可配置輸出 MCLK 來驅(qū)動外部音頻組件,比率固定在 256× FS(其中 FS 為音頻采樣頻率)
I2S 信號接口
I2S 和 SPI 共用三個公共管腳:
● 串行時鐘 CK
映射在 SCK 引腳上,也叫位時鐘 BCLK,是主模式下的串行時鐘輸出以及從機模式下的串行時鐘輸入。SCLK 頻率 = 2 x 采樣頻率 x 采樣位數(shù)
● 幀時鐘 WS
映射在 NSS 引腳上,是主模式下的串行時鐘輸出以及從機模式下的串行時鐘輸入。用于切換左右聲道,LRCK 頻率 = 采樣頻率
● 串行數(shù)據(jù) SD
映射在 MOSI 管腳上,二進制補碼表示的音頻數(shù)據(jù),用于發(fā)送或接收兩次多路數(shù)據(jù)通道(僅在半雙工模式下)。
● 當某些外部設(shè)備需要主時鐘輸入時,可以使用一個附加的管腳輸出時鐘到音頻設(shè)備
● 主時鐘 MCLK
映射在 MISO 引腳或?qū)S?MCK 引腳上,當 I2S 配置為主模式時使用此時鐘。MCLK 頻率 = 256 x 采樣頻率 Fs
● I2S 引腳信號如圖 2 所示。
圖2. I2S 引腳信號
數(shù)據(jù)格式
三線總線處理音頻數(shù)據(jù),必須經(jīng)過分時復(fù)用兩個聲道:右聲道和左聲道。因為只有一個 32 位寄存器用于傳輸或接收,所以軟件應(yīng)依次配置寄存器 TXREG 為各聲道的數(shù)據(jù),或依次讀取寄存器 RXREG 為各聲道的數(shù)據(jù)。按照 I2S 協(xié)議,總是先發(fā)送左聲道,然后發(fā)送右聲道。
數(shù)據(jù)格式可以采用以下格式進行發(fā)送:
● 16 位數(shù)據(jù)打包在 16 位幀中
● 16 位數(shù)據(jù)打包在 32 位幀中
● 24 位數(shù)據(jù)打包在 32 位幀中
● 32 位數(shù)據(jù)打包在 32 位幀中
當使用 32 位幀上發(fā)送 16 位數(shù)據(jù)時,前 16 位(MSB)是有效的位,16 位 LSB 制為 0,無需任何軟件操作,通過硬件實現(xiàn),其他格式相似。
通信標準
I2S 接口支持四種音頻標準,通過配置寄存器 SPI_I2S_I2SCFGR 中的 I2SSTD[1:0]、PCMSYNC 位進行切換;數(shù)據(jù)格式則通過配置 DATLEN[1:0]、CHLEN 來進行選擇。對于所有通信標準及數(shù)據(jù)格式,總是先發(fā)送最高位(MSB 優(yōu)先)。
● 飛利浦標準
對于飛利浦標準,WS 信號用于指示正在傳輸?shù)穆暤?。發(fā)射器在 CK 的下降沿鎖存數(shù)據(jù),接收器并在 CK 的上升讀取數(shù)據(jù)。WS 信號也在 CK 的下降沿被鎖定。對于這種標準 I2S 格式的信號,無論有多少位有效數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)的最高位總是出現(xiàn)在 WS 變化(也就是一幀開始)后的第 2 個 CK 脈沖處,如圖 3 所示。
圖3. 飛利浦標準示意圖
● MSB 對齊標準
對于 MSB 對齊標準,第一個數(shù)據(jù)在 WS 變化后的第一個沿有效,如圖 4 所示。
圖4. MSB 對齊標準示意圖
● LSB 對齊標準
對于 LSB 對齊標準,每個數(shù)據(jù)包幀的最低有效位總(LSB 位)是出現(xiàn)在 WS 變化前的 1 個 CK 脈沖周期處,如圖 5 所示。
圖5. LSB 對齊標準示意圖
● PCM 標準
對于 PCM 標準,不需要使用聲道信息。PCM 有兩個模式:短幀模式和長幀模式,通過配置SPI_I2S_I2SCFGR 寄存器的 PCMSYNC 位進行切換。在 PCM 模式下,輸出信號(WS, SD)在 CK 信號的上升沿進行采樣。輸入信號(WS, SD)在 CK 下降沿被捕獲。注意在主模式下, CK 和 WS 被配置為輸出,如圖 6 所示。
圖6. PCM 對齊標準示意圖
I2S 配置
I2S 的配置主要包括主從模式選擇,時鐘極性,全雙工半雙工模式選擇,采樣頻率和通信標準的配置,從而進行數(shù)據(jù)傳輸。
主模式
I2S 功能的主模式下,選擇全雙工工作時,SD 引腳作為主機發(fā)送接口,extSD 作為主機接收接口,SCK 和 WS作為主機的輸出信號,同時 MCK 向外部提供可選的驅(qū)動時鐘(配置 SPI_I2S_I2SCFGR.MCKOE 位為 ‘1’ 使能 MCK 輸出),如圖 7 所示。
圖7. I2S 主模式全雙工通信
基于 MM32F5270 的聲音播放實驗
CS4344 芯片是實現(xiàn)本次實驗功能的重要器件之一。CS4344 是一種立體聲音頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) ,可使用單個 +3.3 V 或 +5 V 電源,僅需要最小的支持電路。該系列線性模擬低通濾波器和自動速度模式檢測,當自動選擇 2 kHz 和 200 kHz 之間的采樣率,使用采樣率和主時鐘速率方法。
本實驗的基本原理是 MM32F3270 讀取正弦波采樣計算出的左右聲道的數(shù)組數(shù)據(jù),通過 I2S 接口將 PCM 信號傳輸給 CS4344,再經(jīng)過 TS4871(音頻功率放大器)連接到耳機接口,可以接入耳機等音頻播放裝置。
硬件設(shè)計
如圖 8-9 是 PLUS-F5270 的 I2S 電路部分,完整原理圖可以通過官網(wǎng)下載。其中,引腳信號對應(yīng)分別為:
? I2S2_SD 對應(yīng)于引腳 E6
? I2S2_CK 對應(yīng)于引腳 D3
? I2S2_WS 對應(yīng)于引腳 E4
? I2S2_MCK 對應(yīng)于引腳 E5
圖8. I2S 電路圖(1)
圖9. I2S 電路圖(2)
GPIO 初始化 BOARD_InitPins()
配置 I2S 引腳,I2S_CK 為 PD3 引腳,I2S_SD 為 PE6 引腳,I2S_WS 為 PE4 引腳,I2S_MCK 為 PE5 引腳,復(fù)用通道為 AF5 。
void BOARD_InitPins(void) { /* PB7 - UART1_TX. */ GPIO_Init_Type gpio_init; gpio_init.Pins = GPIO_PIN_6; gpio_init.PinMode = GPIO_PinMode_AF_PushPull; //GPIO_PinMode_AF_PushPull gpio_init.Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOB, gpio_init); GPIO_PinAFConf(GPIOB, gpio_init.Pins, GPIO_AF_7); /* PB6 - UART1_RX. */ gpio_init.Pins = GPIO_PIN_7; gpio_init.PinMode = GPIO_PinMode_In_Floating; //GPIO_PinMode_In_Floating gpio_init.Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOB, gpio_init); GPIO_PinAFConf(GPIOB, gpio_init.Pins, GPIO_AF_7); /* PD3 - I2S_CK. */ gpio_init.Pins = GPIO_PIN_3; gpio_init.PinMode = GPIO_PinMode_AF_PushPull; //GPIO_PinMode_In_PushPull gpio_init.Speed = GPIO_Speed_10MHz; GPIO_Init(GPIOD, gpio_init); GPIO_PinAFConf(GPIOD, gpio_init.Pins, GPIO_AF_5); /* PE6 - I2S_SD. */ gpio_init.Pins = GPIO_PIN_6; gpio_init.PinMode = GPIO_PinMode_AF_PushPull; //GPIO_PinMode_In_PushPull gpio_init.Speed = GPIO_Speed_10MHz; GPIO_Init(GPIOE, gpio_init); GPIO_PinAFConf(GPIOE, gpio_init.Pins, GPIO_AF_5); /* PE4 - I2S_WS. */ gpio_init.Pins = GPIO_PIN_4; gpio_init.PinMode = GPIO_PinMode_AF_PushPull; //GPIO_PinMode_In_PushPull gpio_init.Speed = GPIO_Speed_10MHz; GPIO_Init(GPIOE, gpio_init); GPIO_PinAFConf(GPIOE, gpio_init.Pins, GPIO_AF_5); /* PE5 - I2S_MCK. */ gpio_init.Pins = GPIO_PIN_5; gpio_init.PinMode = GPIO_PinMode_AF_PushPull; //GPIO_PinMode_In_PushPull gpio_init.Speed = GPIO_Speed_10MHz; GPIO_Init(GPIOE, gpio_init); GPIO_PinAFConf(GPIOE, gpio_init.Pins, GPIO_AF_5); }
I2S 配置初始化 app_i2s_master_init()
初始化 I2S,配置時鐘頻率、采樣率、數(shù)據(jù)長度、通信協(xié)議、傳輸模式及是否使能 MCLK 。
void app_i2s_master_init(void) { /* setup I2S master module. */ I2S_Master_Init_Type i2s_master_init; i2s_master_init.ClockFreqHz = BOARD_I2S_FREQ; i2s_master_init.SampleRate = BOARD_I2S_SAMPLE_RATE; i2s_master_init.DataWidth = BOARD_I2S_DATA_WIDTH; i2s_master_init.Protocol = BOARD_I2S_PROTOCOL; i2s_master_init.EnableMCLK = true; i2s_master_init.Polarity = BOARD_I2S_CPOL; i2s_master_init.XferMode = I2S_XferMode_TxOnly; I2S_InitMaster(BOARD_I2S_PORT, i2s_master_init); /* enable I2S. */ I2S_Enable(BOARD_I2S_PORT, true); }
● Protocol
通信標準格式選擇,可選 I2S Philips 標準、左對齊標準、右對齊標準、 PCM 短幀標準或 PCM 長幀標準,它設(shè)定 SPI_I2S_I2SCFGR 寄存器 I2SSTD位和 PCMSYNC位的值。一般設(shè)置為 I2S Philips 標準即可。
● DataWidth
數(shù)據(jù)格式選擇,設(shè)定有效數(shù)據(jù)長度和幀長度,可選標準 16bit 格式、擴展 16bit( 32bit 幀長度) 格式、 24bit 格式和 32bit 格式,它設(shè)定 SPI_I2SCFGR 寄存器 DATLEN 位和CHLEN 位的值。對應(yīng) 16bit 數(shù)據(jù)長度可選 16bit 或 32bit 幀長度,其他都是 32bit 幀長度。
● EnableMCLK
主時鐘輸出使能控制,可選使能輸出或禁止輸出,它設(shè)定 SPI_I2SPR 寄存器 MCKOE 位的值。為提高系統(tǒng)性能一般使能主時鐘輸出。
● SampleRate
采樣頻率設(shè)置,標準庫提供采樣采樣頻率選擇,分別為 4KHz、8kHz、 11kHz、12KHz、16kHz、22kHz、32kHz、44kHz、48kHz、96kHz、192kHz 以及默認 2Hz,它設(shè)定 SPI_I2S_SPBRG 寄存器的值。
● Polarity
空閑狀態(tài)的 CK 線電平,可選高電平或低電平,它設(shè)定 SPI_I2S_CCTL 寄存器 CPOL位的值。一般設(shè)置為低電平即可。
左右聲道數(shù)據(jù)
采樣函數(shù) f (t) = A *sin( B*t ) , t 為采樣時間,單位: s。采樣位寬為 16bit,采樣頻率為 8 khz,系數(shù) A 為10000,B 為2000π。
/* i2s left channel xfer data. */ const int16_t sound_buf_left[SOUND_BUF_SIZE] = { 0, 3535, 5000, 3535, 0, -3535, -5000, -3535, 0, 3535, 5000, 3535, 0, -3535, -5000, -3535, }; /* i2s right channel xfer data. */ const int16_t sound_buf_right[SOUND_BUF_SIZE] = { 0, 3827, 7071, 9238, 10000, 9238, 7071, 3827, 0, -3827, -7071, -9238, -10000, -9238, -7071, -3827 };
左右聲道數(shù)據(jù)傳輸
/* put data into left channel. */ void app_i2s_put_data_left(void) { I2S_PutData(BOARD_I2S_PORT, (uint32_t)sound_buf_left[sound_buf_index_left]); sound_buf_index_left++; if (sound_buf_index_left >= SOUND_BUF_SIZE) { sound_buf_index_left = 0; } } /* put data into right channel. */ void app_i2s_put_data_right(void) { I2S_PutData(BOARD_I2S_PORT, (uint32_t)sound_buf_right[sound_buf_index_right]); sound_buf_index_right++; if (sound_buf_index_right >= SOUND_BUF_SIZE) { sound_buf_index_right = 0; } }
main() 函數(shù)
main() 函數(shù)結(jié)合上述操作,串口打印 "i2s_master_basic" ,初始化 I2S 后,將發(fā)送數(shù)組數(shù)據(jù)到左右聲道緩沖區(qū),進行聲音播放。
int main(void) { BOARD_Init(); printf("i2s_master_basic.rn"); app_i2s_master_init(); while (1) { while(0u != (I2S_GetStatus(BOARD_I2S_PORT) SPI_I2S_CSTAT_TXFULL_MASK) ) {} app_i2s_put_data_left(); /* sending left channel data. */ while(0u != (I2S_GetStatus(BOARD_I2S_PORT) SPI_I2S_CSTAT_TXFULL_MASK) ) {} app_i2s_put_data_right(); /* sending right channel data. */ } }
實驗演示
本實驗以搭載 MM32F5277E9PV 的 PLUS-F5270 開發(fā)板為平臺,其揚聲器將會播放左聲道數(shù)據(jù),演示視頻如下:
演示1. 播放左聲道數(shù)據(jù)
音響數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸是多媒體技術(shù)的重要組成部分。眾多的數(shù)字音頻系統(tǒng)已經(jīng)進入消費市場,例如數(shù)字音頻錄音帶、數(shù)字聲音處理器。對于設(shè)備和生產(chǎn)廠家來說,標準化的信息傳輸結(jié)構(gòu)可以提高系統(tǒng)的適應(yīng)性。
本文介紹了 MM32F5270 中通過 I2S 和 CS4344 芯片進行通信來演示播放一段聲音,后續(xù)將進行 MP3 的播放,未完待續(xù)!
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