基于MM32F5270控制器的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(jìn)行介紹，并使用 MM32F5270 和 CS4344 芯片進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)，該總線專責(zé)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(dú)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(fèi)用。在飛利浦公司的 I2S 標(biāo)準(zhǔn)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(dú)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(jìn)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(jī)或接收機(jī)）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(dá)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(biāo)志（僅從機(jī)），接收模式下的上溢標(biāo)志（主和從機(jī)）和接收/發(fā)射模式下的幀錯誤標(biāo)志（僅從機(jī)）

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(biāo)準(zhǔn)

MSB 對齊標(biāo)準(zhǔn)（左對齊）

LSB 對齊標(biāo)準(zhǔn)（右對齊）

PCM 標(biāo)準(zhǔn)（在 16 位信道幀上具有短幀和長幀同步或擴(kuò)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(jī)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(jī)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(jìn)制補(bǔ)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(dāng)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(dāng) 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?yàn)橹挥幸粋€ 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(jìn)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(dāng)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(shí)現(xiàn)，其他格式相似。

通信標(biāo)準(zhǔn)

I2S 接口支持四種音頻標(biāo)準(zhǔn)，通過配置寄存器 SPI_I2S_I2SCFGR 中的 I2SSTD[1:0]、PCMSYNC 位進(jìn)行切換；數(shù)據(jù)格式則通過配置 DATLEN[1:0]、CHLEN 來進(jìn)行選擇。對于所有通信標(biāo)準(zhǔn)及數(shù)據(jù)格式，總是先發(fā)送最高位（MSB 優(yōu)先）。

飛利浦標(biāo)準(zhǔn)

對于飛利浦標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn) 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(biāo)準(zhǔn)示意圖

MSB 對齊標(biāo)準(zhǔn)

對于 MSB 對齊標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)示意圖

LSB 對齊標(biāo)準(zhǔn)

對于 LSB 對齊標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)示意圖

PCM 標(biāo)準(zhǔn)

對于 PCM 標(biāo)準(zhǔn)，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(jìn)行切換。在 PCM 模式下，輸出信號（WS， SD）在 CK 信號的上升沿進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的配置，從而進(jìn)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(jī)發(fā)送接口，extSD 作為主機(jī)接收接口，SCK 和 WS作為主機(jī)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(shí)驗(yàn)

CS4344 芯片是實(shí)現(xiàn)本次實(shí)驗(yàn)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(dāng)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(shí)驗(yàn)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(jī)接口，可以接入耳機(jī)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 。

voidBOARD_InitPins(void)
{
/*PB7-UART1_TX.*/
GPIO_Init_Typegpio_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 。

voidapp_i2s_master_init(void)
{
/*setupI2Smastermodule.*/
I2S_Master_Init_Typei2s_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);

/*enableI2S.*/
I2S_Enable(BOARD_I2S_PORT,true);
}

Protocol

通信標(biāo)準(zhǔn)格式選擇，可選 I2S Philips 標(biāo)準(zhǔn)、左對齊標(biāo)準(zhǔn)、右對齊標(biāo)準(zhǔn)、 PCM 短幀標(biāo)準(zhǔn)或 PCM 長幀標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn) 16bit 格式、擴(kuò)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(biāo)準(zhǔn)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(rèn) 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。

/*i2sleftchannelxferdata.*/
constint16_tsound_buf_left[SOUND_BUF_SIZE]=
{
0,3535,5000,3535,0,-3535,-5000,-3535,
0,3535,5000,3535,0,-3535,-5000,-3535,
};

/*i2srightchannelxferdata.*/
constint16_tsound_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

/*putdataintoleftchannel.*/
voidapp_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;
}
}

/*putdataintorightchannel.*/
voidapp_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(jìn)行聲音播放。

intmain(void)
{
BOARD_Init();

printf("i2s_master_basic.
");

app_i2s_master_init();

while(1)
{
while(0u!=(I2S_GetStatus(BOARD_I2S_PORT)&SPI_I2S_CSTAT_TXFULL_MASK))
{}

app_i2s_put_data_left();/*sendingleftchanneldata.*/

while(0u!=(I2S_GetStatus(BOARD_I2S_PORT)&SPI_I2S_CSTAT_TXFULL_MASK))
{}
app_i2s_put_data_right();/*sendingrightchanneldata.*/
}
}

實(shí)驗(yàn)演示

本實(shí)驗(yàn)以搭載 MM32F5277E9PV 的 PLUS-F5270 開發(fā)板為平臺，其揚(yáng)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(jìn)入消費(fèi)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行通信來演示播放一段聲音，后續(xù)將進(jìn)行 MP3 的播放，未完待續(xù)！

審核編輯：湯梓紅