基于MM32F5270的I2S音頻播放

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)！

來源：瑞薩MCU小百科

審核編輯：湯梓紅