基于I2S接口的音樂播放器工作原理

I2S（Inter-IC Sound）總線，又稱集成電路內(nèi)置音頻總線，是飛利浦公司為數(shù)字音頻設備之間的音頻數(shù)據(jù)傳輸而制定的一種總線標準。采用了獨立的導線傳輸時鐘與數(shù)據(jù)信號的設計，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。

MM32F0160系列的I2S 接口有以下主要特征：

半雙工通信（僅發(fā)送器或接收器）

主操作或從操作

9 位可配置線性預分頻器，以達到精確的音頻采樣頻率（8KHz~192KHz）

數(shù)據(jù)幀格式可配置為 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)）

可配置時鐘極性（穩(wěn)定狀態(tài)）

發(fā)送模式下具有下溢標志（僅從機），接收模式下具有上溢標志（主/從機）和發(fā)送/接收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用

數(shù)據(jù)方向始終是 MSB 優(yōu)先

支持 I2S 協(xié)議：

飛利浦標準

MSB 對齊標準（MSB 位向左對齊）

LSB 對齊標準（LSB 位向右對齊）

PCM 標準（具有短幀同步模式、長幀同步模式的兩種方式）

利用 DMA 請求傳輸數(shù)據(jù)（32 位寬）

可配置 MCLK 時鐘輸出來驅(qū)動外部音頻組件，其比率固定在 256×Fs（其中 Fs 為音頻采樣頻率）

1

MM32的I2S總線簡述

MM32F0160的I2S總線與SPI總線復用即SPI_I2S串行外設（串行外設接口與集成電路內(nèi)置音頻總線）。

I2S總線接口與SPI總線接口引腳復用關系如下：

SD：串行數(shù)據(jù)（映射在MOSI引腳上），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）。

WS：聲道選擇（映射在NSS引腳上），是主模式控制數(shù)據(jù)的輸出信號，或從模式的輸入。

CK：串行時鐘（映射在SCK引腳上），是主模式串行時鐘的輸出，或從模式串行時鐘的輸入。

MCK：可選的串行時鐘（映射在MISO引腳上），用于驅(qū)動外部音頻組件（僅當外部音頻設備需要時鐘輸入時使用，由主模式提供）。

2

SPI_I2S功能框圖簡介

圖1 SPI_I2S功能框圖

如上圖1所示為SPI_I2S外設的功能框圖，SPI_I2S通過“總線接口邏輯”掛載在APB和DMA總線上，TXREG和RXREG寄存器、主模式控制單元和從模式控制單元、主從選擇控制、收發(fā)控制邏輯以及時鐘生成及控制單元，8Byte的發(fā)送緩沖和8Byte的接收緩沖構成，時鐘控制單元由Spbrg和Pclk提供時鐘。

3

SPI_I2S外設的I2S時鐘預分頻器

I2SCLK時鐘由系統(tǒng)APB時鐘提供，I2S模塊的預分頻器電路結構如下圖2所示：

圖2 SPI_I2S時鐘預分頻器電路結構圖

如上圖2所示，當MCKOE位為‘0’時芯片不需要輸出MCK時鐘，預分頻器直接將I2SCLK分頻到CK；當MCKOE位為‘1’時芯片會輸出MCK時鐘，預分頻器將I2SCLK分頻后得到MCK，然后再經(jīng)過分頻處理才得到CK（分頻倍數(shù)由CHLEN選擇為 4或8）。

音頻采樣率一般常用 192KHz，96 KHz，48 KHz，44.1 KHz，32 KHz，22.05 KHz，16 KHz，11.025KHz，8 KHz。因此可根據(jù) I2S 時鐘分頻器的電路功能式樣，配置寄存器 I2SCFGR中的I2SDIV[8：0]、MCKOE和CHLEN 位來得到期望的音頻采樣率。

I2S 傳輸數(shù)據(jù)時，比特率計算公式如下表1所示（CK 輸出一個時鐘周期對應傳輸 1 比特數(shù)據(jù)，因此比特率 = CK頻率FCK）。

表1

音頻采樣率（Fs）和 I2S 比特率的關系由如下的公式定義：

Fs = I2S 比特率/（通道長度×通道數(shù)）= FCK /（通道長度×通道數(shù)）

注：通道長度，即數(shù)據(jù)包幀長度，可配置為16位或32位；通道數(shù)為左右聲道，值固定為2。

綜上所述，根據(jù)I2SDIV[8： 0]、MCKOE和CHLEN位的配置情況， 得到音頻采樣率與FI2SCLK（APB時鐘頻率）的關系如下表2所示：

表2

4

SPI_I2S外設的I2S接口的音樂播放器

工作原理介紹

基于I2S接口的音樂播放器工作原理框圖如下圖3所示：

圖3 I2S接口的音樂播放器原理框圖

如上圖3所示為I2S接口的音樂播放器工作原理框圖：

MM32F0160作為Host MCU其SPI1接口用于驅(qū)動25WQ80存儲器用于寫入和讀取存儲的音頻文件。

MCU端I2S2（SPI2_I2S2）接口工作在從機模式，MCLK不輸出時鐘。通過PWM輸出12MHz的REF_Clock給NAU88C22音頻編解碼芯片MCLK腳，NAU88C22內(nèi)部PLL合成穩(wěn)定的12.288MHz作為內(nèi)部IMLCK主時鐘。NAU88C22 BCLK輸出bit clock時鐘到MCU端I2S2_CK作為音頻采樣時鐘。I2S2_WS接口即FS用于分時切換左右聲道。I2S2_SD接口即DACIN輸出從25WQ80存儲器讀取的音頻信號流DAC Stream傳輸給NAU88C22音頻編解碼芯片。

MCU端I2C_SDA和I2C_SCL接口用于設置NAU88C22工作模式和參數(shù)。NAU88C22 DAC輸出可以選擇從Speaker PA輸出推喇叭或者從Earphone PA耳機接口輸出推動耳機。

5

I2S接口的GPIO初始化

I2S接口GPIO的初始化代碼如下所示：

voidI2S2_GPIO_Init(void)
{
GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStruct;

RCC_GPIO_ClockCmd(GPIOB,ENABLE);

GPIO_StructInit(&GPIO_InitStruct);
/*PB12I2S2_WS*/
GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=GPIO_Pin_12;
GPIO_InitStruct.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP;
GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStruct);

/*PB13I2S2_CK*/
GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=GPIO_Pin_13;
GPIO_InitStruct.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP;
GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStruct);

/*PB14I2S2_MCLK*/
GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=GPIO_Pin_14;
GPIO_InitStruct.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IPU;
GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStruct);

/*PB15I2S2_SD*/
GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=GPIO_Pin_15;
GPIO_InitStruct.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP;
GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStruct);

/*PB12AFI2S2_WS*/
GPIO_PinAFConfig(GPIOB,GPIO_PinSource12,GPIO_AF_0);

/*PB12AFI2S2_CK*/
GPIO_PinAFConfig(GPIOB,GPIO_PinSource13,GPIO_AF_0);

/*PB12AFI2S2_MCLK*/
GPIO_PinAFConfig(GPIOB,GPIO_PinSource14,GPIO_AF_0);

/*PB12AFI2S2_SD*/
GPIO_PinAFConfig(GPIOB,GPIO_PinSource15,GPIO_AF_0);
}

6

I2S從機的初始化

I2S從機的初始化步驟如下所示：

1

配置SPI_I2S_GCTL.SPIEN位為‘1’，開啟模塊使能；

2

配置SPI_I2S_GCTL.MODE位為‘0’，使模塊功能為從模式；

3

配置寄存器SPI_I2S_I2SCFGR中的 I2SDIV[8：0]、 DATLEN 和 CHLEN 位，以符合希望得到的音頻采樣頻率及數(shù)據(jù)包幀格式；

4

配置SPI_I2S_I2SCFGR.SPI_I2S位為‘1’，使能 I2S 傳輸功能；

5

配置寄存器SPI_I2S_I2SCFGR中的I2SSTD[1： 0]、 PCMSYNC 位，選擇I2S傳輸時使用的通信標準；

6

配置SPI_I2S_GCTL.DMAMODE 位為‘1’，以啟用 DMA 傳輸；

7

開啟半雙工傳輸許可， 即配置寄存器SPI_I2S_GCTL 中的 TXEN 或 RXEN 位為‘1’ （TXEN、 RXEN不可同時配置為‘1’）。

注意：從模式下發(fā)送時，在檢測到WS的邊沿之前，需要對寄存器SPI_I2S_TXREG進行1次數(shù)據(jù)寫入操作；而且，從模式下接收時，在配置RXEN位為‘1’之前，需要一直維持WS輸入信號在高電平。

I2S從機的初始化代碼如下所示：

voidI2S2_Slave_Init(void)
{
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1ENR_SPI2,ENABLE);/*EnableSPI2_I2SClock*/

SPI2->CCTL&=~SPI_CCTL_LSBFE;/*MSBfirstenable*/
SPI2->CCTL&=~SPI_CCTL_CPHA;/*Clockphaseselectstartsecondclock*/
SPI2->CCTL|=SPI_CCTL_CPHASEL;/*CPHApolarityselectstartsecondclock*/
SPI2->CCTL|=SPI_CCTL_SPILEN;/*SPIcharacterlength8bitdata*/
SPI2->CCTL|=SPI_CCTL_CPOL;/*Clockpolarityselecthigh*/
SPI2->CCTL|=SPI_CCTL_TXEDGE;/*Transmitdataedgefori2sbus*/

SPI2->I2SCFGR&=~SPI_I2SCFGR_MCKOE;/*I2Smasterclockoutputdisable*/
SPI2->I2SCFGR&=~SPI_I2SCFGR_CHLEN;/*Vocaltractlength16bit*/
SPI2->I2SCFGR|=SPI_I2SCFGR_DATLEN_32;/*Audiodatawidth32*/
SPI2->I2SCFGR|=SPI_I2SCFGR_I2SSTD_Philips;/*I2SSTDPhilips*/
SPI2->I2SCFGR|=SPI_I2SCFGR_SPI_I2S;/*SPI/I2Smodulefunctionselection*/

SPI2->GCTL&=~SPI_GCTL_MODE;/*I2SSlavemode*/
SPI2->GCTL|=SPI_GCTL_DW_8_32;/*double-worddataselectsignal*/
SPI2->GCTL|=SPI_GCTL_DMAMODE;/*DMAaccessmodeenable*/
SPI2->GCTL|=SPI_GCTL_TXEN;/*I2STransmitenable*/
SPI2->GCTL|=SPI_GCTL_INTEN;/*SPI_I2Sinterruptenable*/
SPI2->GCTL|=SPI_GCTL_SPIEN;/*EnableI2S*/
}

7

I2S發(fā)送DAC音頻信號流

MM32F0163D7P的I2S2發(fā)送DAC音頻信號流使用DMA中斷發(fā)送，代碼接口如下所示：

voidI2S2_TxData_DMA_Interrupt(uint8_t*Buffer,uint8_tdatasize)
{
DMA_InitTypeDefDMA_InitStruct;
NVIC_InitTypeDefNVIC_InitStruct;

RCC_DMA_ClockCmd(DMA1,ENABLE);/*EnableDMA1Clock*/

DMA_DeInit(DMA1_Channel5);

DMA_StructInit(&DMA_InitStruct);
DMA_InitStruct.DMA_PeripheralBaseAddr=(uint32_t)&(SPI2->TXREG);/*SPI2_I2S2BaseAddr*/
DMA_InitStruct.DMA_MemoryBaseAddr=(uint32_t)(Buffer);/*Memorybufferformusicdata*/
DMA_InitStruct.DMA_DIR=DMA_DIR_PeripheralDST;
DMA_InitStruct.DMA_BufferSize=datasize;/*LeftandRightchannelaudiobuffersize*/
DMA_InitStruct.DMA_PeripheralInc=DMA_PeripheralInc_Disable;
DMA_InitStruct.DMA_MemoryInc=DMA_MemoryInc_Enable;/*memoryincrement*/
DMA_InitStruct.DMA_PeripheralDataSize=DMA_PeripheralDataSize_HalfWord;/*halfwordtransfer*/
DMA_InitStruct.DMA_MemoryDataSize=DMA_MemoryDataSize_HalfWord;/*halfwordtransfer*/
DMA_InitStruct.DMA_Mode=DMA_Mode_Normal;/*Normalmode*/
DMA_InitStruct.DMA_Priority=DMA_Priority_Medium;/*DMAPriorityMedium*/
DMA_InitStruct.DMA_M2M=DMA_M2M_Disable;/*Disablememorytomemorytransfer*/
DMA_InitStruct.DMA_Auto_reload=DMA_Auto_Reload_Enable;/*Enableautoreload*/
DMA_Init(DMA1_Channel5,&DMA_InitStruct);
DMA_ClearFlag(DMA1_FLAG_TC5);/*Cleartransfercompleteflag*/
DMA_ITConfig(DMA1_Channel5,DMA_IT_TC,ENABLE);/*EnableDMAChannel5SPI2_I2S2DMAtransfercompleteinterrupt*/
NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel=DMA1_Channel4_7_IRQn;/*SetSPI2_I2S2DMAChannelNVICintterruptpriority*/
NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelPriority=0x01;
NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelCmd=ENABLE;/*EnableNVICIRQChannel*/
NVIC_Init(&NVIC_InitStruct);

DMA_Cmd(DMA1_Channel5,ENABLE);/*EnableSPI2_I2S2DMAChannel5*/
SPI_DMACmd(SPI1,ENABLE);/*EnableSPI_I2S*/

while(0==I2S2_TX_DMA_InterruptFlag)
{
}
}

I2S的DMA中斷處理函數(shù)：

voidDMA1_Channel4_7_IRQHandler(void)
{
if(SET==DMA_GetITStatus(DMA1_IT_TC5))
{
/*I2S2DMAinterrupttransferflag*/
I2S2_TX_DMA_InterruptFlag=1;

/*Cleartransfercompleteinterruptflag*/
DMA_ClearITPendingBit(DMA1_IT_TC5);

/*EnableSPI2_I2S2DMAChannel5*/
DMA_Cmd(DMA1_Channel5,ENABLE);
}
}

8

MCU輸出12MHz的PWM

給NAU88C22音頻編解碼芯片

配置MM32F0163D7P TIM1輸出12MHz的PWM給NAU88C22合成12.228MHz時鐘給NAU88C22的IMCLK和MCU的I2S，可參考MM32F0160_Samples中的TIM1 PWM輸出例程。

9

SPI1接口的GPIO驅(qū)動25WQ80存儲器

SPI1接口的GPIO初始化代碼如下所示：

voidSPI1_GPIO_Init(void)
{
GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStruct;

RCC_GPIO_ClockCmd(GPIOA,ENABLE);
RCC_GPIO_ClockCmd(GPIOB,ENABLE);

GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource15,GPIO_AF_0);/*PA15AFSPI1_CS*/
GPIO_PinAFConfig(GPIOB,GPIO_PinSource3,GPIO_AF_0);/*PB3AFSPI1_SCK*/
GPIO_PinAFConfig(GPIOB,GPIO_PinSource4,GPIO_AF_0);/*PB5AFSPI1_MOSI*/
GPIO_PinAFConfig(GPIOB,GPIO_PinSource5,GPIO_AF_0);/*PB4AFSPI1_MISO*/

GPIO_StructInit(&GPIO_InitStruct);
GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=GPIO_Pin_15;/*PA15SPI1_CS*/
GPIO_InitStruct.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP;
GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct);

GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=GPIO_Pin_3;/*PB3SPI1_CS*/
GPIO_InitStruct.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP;
GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStruct);

GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=GPIO_Pin_5;/*PB5SPI1_CS*/
GPIO_InitStruct.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP;
GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStruct);

GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=GPIO_Pin_4;/*PB4SPI1_CS*/
GPIO_InitStruct.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IPU;
GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStruct);
}

SPI1接口驅(qū)動25WQ80存儲器，存儲待讀取的音頻信號，經(jīng)過SPI1讀取后通過I2S2接口傳輸音頻信號流到NAU88C22音頻編解碼芯片解碼播放音樂，其初始化代碼如下所示：

voidSPI1_NVIC_Config(uint16_tspi_baud_div)
{
SPI_InitTypeDefSPI_InitStruct;
NVIC_InitTypeDefNVIC_InitStruct;

/*SPI1NVICPriorityConfig*/
NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel=SPI1_IRQn;
NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelPriority=0x01;
NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelCmd=ENABLE;
NVIC_Init(&NVIC_InitStruct);

RCC_SPI_ClockCmd(SPI1,ENABLE);/*EnableSPI1Clock*/

SPI_DeInit(SPI1);
SPI_StructInit(&SPI_InitStruct);
SPI_InitStruct.SPI_Mode=SPI_Mode_Master;/*SPImastermode*/
SPI_InitStruct.SPI_DataSize=SPI_DataSize_8b;
SPI_InitStruct.SPI_DataWidth=8;
SPI_InitStruct.SPI_CPOL=SPI_CPOL_Low;/*Theclockislowinidlestate.*/
SPI_InitStruct.SPI_CPHA=SPI_CPHA_1Edge;/*Datasamplingstartsfromthefirstclockedge*/
SPI_InitStruct.SPI_NSS=SPI_NSS_Soft;

/*SPIdataedgeadjustinfastspeedmode*/
SPI_InitStruct.SPI_BaudRatePrescaler=(SPI_BaudRatePrescaler_TypeDef)spi_baud_div
;
SPI_InitStruct.SPI_FirstBit=SPI_FirstBit_MSB;/*DatatransfersstartfromMSB*/
SPI_Init(SPI1,&SPI_InitStruct);

if(SPI_InitStruct.SPI_BaudRatePrescaler<=?8)
????{
????????exSPI_DataEdgeAdjust(SPI1,?SPI_DataEdgeAdjust_FAST);
????}
????/*?Enable?Receive?available?data?interrupt?and?transmitter?empty?interrupt?*/
????SPI_ITConfig(SPI1,?SPI_IT_RX?|?SPI_IT_TXEPT,?ENABLE);

????SPI_BiDirectionalLineConfig(SPI1,?SPI_Direction_Rx);????/*?Receive?enable?*/
????SPI_BiDirectionalLineConfig(SPI1,?SPI_Direction_Tx);????/*?Transmit?enable?*/
????SPI_Cmd(SPI1,?ENABLE);?????????????????????????????????????/*?Enable?SPI1?*/
}

SPI1讀寫25WQ80存儲器函數(shù)接口請參考MM32F0160_Samples中的SPI_FLASH_Interrupt例程。

10

I2C接口的初始化

I2C1主機模式驅(qū)動NAU88C22音頻編解碼芯片用于發(fā)送指令控制NAU88C22音頻編解碼芯片工作。I2C1接口的GPIO初始化代碼如下所示：

voidI2C1_GPIO_Init(void)
{
GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStruct;

RCC_GPIO_ClockCmd(GPIOB,ENABLE);

GPIO_PinAFConfig(GPIOB,GPIO_PinSource10,GPIO_AF_1);/*PB10AFI2C1_SCL*/
GPIO_PinAFConfig(GPIOB,GPIO_PinSource11,GPIO_AF_1);/*PB10AFI2C1_SDA*/

GPIO_StructInit(&GPIO_InitStruct);
GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=GPIO_Pin_10;/*PB10I2C1_SCL*/
GPIO_InitStruct.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;

/*KeepthebusfreewhichmeansSCK&SDAishigh*/
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_OD;
GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStruct);

GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=GPIO_Pin_11;/*PB11I2C1_SDA*/
GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStruct);
}

I2C1接口作為主機驅(qū)動NAU88C22音頻編解碼芯片工作，其初始化代碼如下所示：

voidI2C_Master_Mode_Init(I2C_TypeDef*I2Cx,uint32_tI2C_speed)
{
I2C_InitTypeDefI2C_InitStruct;

RCC_I2C_ClockCmd(I2C1,ENABLE);/*EnableI2Cclock*/

I2C_StructInit(&I2C_InitStruct);
I2C_InitStruct.Mode=I2C_CR_MASTER;/*ConfigureI2Casmastermode*/
I2C_InitStruct.OwnAddress=0;

if(I2C_speed>200000)/*morethan200K*/
{
I2C_InitStruct.Speed=I2C_CR_SPEED_FAST;/*I2Cfastspeedmode*/
}
else
{
I2C_InitStruct.Speed=I2C_CR_SPEED_STD;/*I2Cstandardspeedmode*/
}

I2C_InitStruct.ClockSpeed=I2C_speed;/*I2CSpeed*/

I2C_Init(I2Cx,&I2C_InitStruct);
I2C_Cmd(I2Cx,ENABLE);
}

I2C1設置從機地址代碼如下所示：

voidI2C_Set_DeviceAddr(I2C_TypeDef*I2Cx,uint8_tdeviceaddr)
{
/*DisableI2C*/
I2C_Cmd(I2Cx,DISABLE);

/*Setthedeviceaddress*/
I2C_Send7bitAddress(I2Cx,deviceaddr,I2C_Direction_Transmitter);

/*EnableI2C*/
I2C_Cmd(I2Cx,ENABLE);
}

I2C1的讀寫數(shù)據(jù)和命令的操作參考LibSamples_MM32F0160 I2C例程。

11

編譯I2S程序燒錄燒錄到開發(fā)板中播放音樂

編譯MM32F0163D7P的I2S2程序并燒錄到開發(fā)板中實現(xiàn)音樂播放功能。

實驗1：播放三角波測試文件實測輸出波形

實驗2：播放48KHz/24BIT立體聲WAVE格式音樂文件實測輸出波形