15.35、 USB实现PC音频播放器实验.pdf

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1、 USB实现实现PC音频播放器实验音频播放器实验 ? 意义与作用意义与作用 现在的智能终端已经逐步由按键+指示灯或数码管发展为触摸屏+音频输出，前面已经 介绍了神舟系列STM开发板的触摸屏，本章节我们来学习一下如何使用神舟系列STM开发 板的USB接口和I2S音频接口在PC侧实现一个免驱动音频声卡免驱动音频声卡功能。本实验USB工作在同步 传输模式。 通过该实现使大家了解如何使用STM32的USB的同步传输模式实现即插即用的功 能，以及如何使用STM32的I2S音频接口实现音频播放功能。 ? 实验原理实验原理 在USB中，USB HOST是通过各种描述符来识别设备的，有设备描述符，配置描述符，

2、 接口描述符，端点描述符，字符串描述符，报告描述符等等。更详细的说明请参看USB HID 协议，该协议可从Http:/www.usb.org下载。关于STM32的USB知识可以参考附件的STM32 USB固件的中文资料.pdf 和STM32的USB详解.pdf等文档。 本实验音频部分主要是初始化DA芯片PCM1770， 设置STM32的I2S接口的参数， 然后将 来自USB接口的音频数据通过I2S2接口送给DA芯片PCM1770播放。 PCM1770 简介：简介： 神舟系列 STM 开发板采用 TI 公司的进口原装音频 DA 芯片 PCM1770。PCM1770 是一款 具有耳机放大器的 24

3、 位低功耗立体声音频 DAC PCM1770 是一款 具有耳机放大器的 24 位低功耗立体声音频 DAC。 可直接驱动耳机， 具有软件控制音量大小、 芯片模式和模拟语音合成等功能。该芯片的功能框图如下： PCM1770 支持工业标准音频数据格式（industry-standard audio data formats） ，包括标准 模式（standard） 、I2S 飞利浦标准、MSB 对齐标准（left-justified） 。本次实验本次实验 PCM1770 为为 从设备模式和从设备模式和 MSB 对齐标准（对齐标准（left-justified） 。 PCM1770 的 I2S 共需要

4、4 信号： SD：串行数据，用来接收 2 路（左右声道）时分复用通道的数据； WS：字选(左右声道选择)，从模式下作为输入； CK：串行位时钟，从模式下作为输入。 MCK：主时钟，PCM1770 工作需要的时钟。 PCM1770 在 MSB 对齐标准（left-justified）模式下的信号时序如下图所示： 神舟系列神舟系列 STM32 开发板的开发板的 I2S 接口接口特性如下： 单工通信(仅发送或接收) 主或者从操作 8 位线性可编程预分频器，获得精确的音频采样频率(8KHz 到 96kHz) 数据格式可以是 16 位，24 位或者 32 位 音频信道固定数据包帧为 16 位(16 位数

5、据帧)或 32 位(16、24 或 32 位数据帧) 可编程的时钟极性(稳定态) 从发送模式下的下溢标志位和主/从接收模式下的溢出标志位 16 位数据寄存器用来发送和接收，在通道两端各有一个寄存器 支持的 I2S 协议： I2S 飞利浦标准 MSB 对齐标准(左对齐) LSB 对齐标准(右对齐) PCM 标准(16 位通道帧上带长或短帧同步或者 16 位数据帧扩展为 32 位通道帧) 数据方向总是 MSB 在先 发送和接收都具有 DMA 能力 主时钟可以输出到外部音频设备，比率固定为 256xFs(Fs 为音频采样频率) 在互联型产品中，两个 I2S 模块(I2S2 和 I2S3)有一个专用的

6、 PLL(PLL3)，产生更加精准 得时钟 STM32 的 I2S 的框图如下图所示： 通过将寄存器 SPI_I2SCFGR 的 I2SMOD 位置为1 ，即可使能 I2S 功能。此时，可以 把 SPI 模块用作 I2S 音频接口。I2S 接口与 SPI 接口使用大致相同的引脚、标志和中断。 STM32 的 I2S 的 4 个引脚： SD：串行数据(映射至 MOSI 引脚)，用来发送和接收 2 路时分复用通道的数据； WS：字选(映射至 NSS 引脚)，主模式下作为数据控制信号输出，从模式下作为输入； CK：串行时钟(映射至 SCK 引脚)，主模式下作为时钟信号输出，从模式下作为输入。 MCK

7、： 主时钟(独立映射)， 在 I2S 配置为主模式， 寄存器 SPI_I2SPR 的 MCKOE 位为 1 时，作为输出额外的时钟信号引脚使用。输出时钟信号的频率预先设置为 256 Fs，其中 Fs 是音频信号的采样频率。 设置成主模式时，I2S 使用自身的时钟发生器来产生通信用的时钟信号。这个时钟发生 器也是主时钟输出的时钟源。I2S 模式下有 2 个额外的寄存器，一个是与时钟发生器配置相 关的寄存器 SPI_I2SPR，另一个是 I2S 通用配置寄存器 SPI_I2SCFGR(可设置音频标准、从/ 主模式、数据格式、数据包帧、时钟极性等参数)。 本次实验本次实验 PCM1770 为从设备模

8、式和为从设备模式和 MSB 对齐标准（对齐标准（left-justified） ，对应神舟系列） ，对应神舟系列 STM32 开发板的开发板的 I2S 接口主模式和接口主模式和 16bit MSB 对齐标准。对齐标准。 STM32的I2S支持的MSB对齐标准时序图： 在此标准下，WS 信号和第一个数据位，即最高位(MSB)同时产生 根据以上分析所以后续代码中会看到如下配置： ? 硬件设计硬件设计 本实验硬件包括“STM32 的 I2S 音频接口” 和 “USB 2.0 OTG 全速接口”两部分。 STM32的I2S音频接口： 音乐播放器要用到的硬件资源STM32的I2S接口和外部DA芯片PCM

9、1770， 将从I2S2接口 传过来的音频音频信号输出到耳机接口。 神舟 IV 号 STM32 开发板上使用了 PCM1770 这款具有耳机放大器的 24 位低功耗立体 声音频 DAC 芯片提供音频播放功能。处理器通过 I2S 接口（处理器的 I2S2）传送音频信号 到 PCM1770，由它进行解码输出到 J3 音频座。而 PCM1770 的配置接口与处理器的 SPI3 连 接，处理器通过 SPI 接口访问 PCM1770 的寄存器，实现配置和控制功能。 图表 1 音频解码电路原理图 D/A 芯片 PCM1770 通过 I2S2 接口与 STM32F107VCT6 处理器连接。 音频信号通过

10、I2S2 接口传到 D/A 芯片，转换成音频信号播出。相关管脚定义如下： GPIO 管脚 功能描述 说明 PB12 I2S2_WS 左右通道时钟，频率和音频采样速率一致 PB13 I2S2_CK 串行比特位时钟。 PB15 I2S2_SD 串行音频数据信号。 PC6 I2S2_MCK 系统时钟输入，PCM1770 工作需要的时钟 STM32F107VCT6 处理器通过 SPI3 接口访问 DA 芯片 PCM1770，对它内部数据进行读 取和配置。相关管脚定义如下： GPIO 管脚 功能描述 说明 PC7 SPI 片选 连接到 PCM1770 的 SPI 接口片选 PC10 SPI3_SCK S

11、PI3 接口 SCK 时钟信号 PC12 SPI3_MOSI SPI3 接口的 MOSI 信号 DAC 芯片说明芯片说明 在神舟IV号中， 使用了TI公司推出的低电压， 低功耗带耳机放大的DAC芯片PCM1770, 来实现音频的 DA 转换。 PCM1770 的管脚信号图： PCM1770 的管脚信号定义： USB 2.0 OTG 全速接口作为 Device 设备 注：本实验的硬件设计与前面“USB人机交互设备HID实验”对应章节完全相同，此处 不再重复，请参考“USB人机交互设备HID实验”对应章节。 ? 软件设计软件设计 在本实验中的原理是采用的是 I2S 中断方式来将音频数据送到 DAC

12、 芯片实现播放音乐 的功能，主程序实现如下： 1、 配置 LED、串口和 LCD 液晶屏 2、 配置 I2S 管脚和参数 3、 USB 时钟、USB 协议相关初始化，等待 USB 中断 本实验 USB 工作在同步传输模式。 关于 LED、串口、LCD 液晶屏，系统滴答等知识在前面章节已经讲解过，请回顾相关 知识。 下面我们将重点讲解 MAIN 函数中的 Speaker_Config 函数： 该函数的第二行可知本实验的 I2S 数据传输使用的是 DMA 方式，继续深入看一下 I2S_Config()函数： I2S_Config()函数配置 I2S 的 GPIO 和 I2S 参数： 查看神舟 IV

13、 号原理图可知, D/A 芯片 PCM1770 通过 I2S2 接口与 STM32F107VCT6 处 理器连接。音频信号通过 I2S2 接口传到 D/A 芯片，转换成音频信号播出。相关管脚定义如 下： GPIO 管脚 功能描述 说明 PB12 I2S2_WS 左右通道时钟，频率和音频采样速率一致 PB13 I2S2_CK 串行比特位时钟。 PB15 I2S2_SD 串行音频数据信号。 PC6 I2S2_MCK 系统时钟输入，PCM1770 工作需要的时钟 对应的代码如下： 2S_Config()函数配置和初始化 I2S 管脚以及接口参数： USB 接口初始化接口初始化 USB接口初始化在前面

14、已经进行了详细的实验，在本实验中，就不再详细描述，相关的 初始化代码如下： “pProperty-Init()”实际调用的是“void Virtual_Com_Port_init()” 中断配置函数中断配置函数: 该例程使用了 USB 中断和 I2S 中断，由于 USB 工作同步传输模式，所 以将其优先级设为最高，I2S 中断优先级次之（STM32 的 I2S 和 SPI 共用接口资源） 。进行 中断组设置和中断优先级设计，相关代码如下： ? 下载与验证下载与验证 神舟IV号光盘源码目录包含本实验的工程源码，在神舟IV号光盘源码33.神舟IV号 STM32_USB_MUSIC实 现PC音 频

15、播 放 器 实 验.rarProjectAudio_StreamingEWARMv5 STM3210C-EVAL-25MHzExe目录下的神舟IV号STM32_USB_MUSIC实现PC音频播放器实 验.hex文件即为前面我们分析的神舟IV号STM32的USB实现PC音频播放器实验编译好的固 件，我们可以直接将固件下载到神舟IV号开发板中，观察运行效果。 如果使用JLINK下载固件，请按错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。下载固件 到神舟IV号开发板小节进行操作。 如果使用USB下载固件，请按错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。错误！未找到引用源

16、。错误！未找到引用源。小节进行操 作。 如果使用串口下载固件，请按错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。小节进行 操作。 如果在IAR开发环境中， 下载编译好的固件或者在线调试， 请按错误！ 未找到引用源。错误！ 未找到引用源。 错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。小节进行操作。 如果在MDK开发环境中，下载编译好的固件或者在线调试，请按错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。 错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。小节进行操作。 ? 实验现象实验现象 将实验的程序固件下载到神舟IV号后，将耳机插入音频口（J3）以后，连接USB与PC 电脑，重新为神舟IV号上电运行，PC机会提示发现新硬件并免驱自动完成安装，此时原此时原PC 的声音会通过神舟的声音会通过神舟IV号从耳机播放，在号从耳机播放，在PC上打开音乐就可以通过神舟上打开音乐就可以通过神舟IV号听到悦耳的歌 声 号听到悦耳的歌 声。同时LCD会有消息提示，串口2（波特率115200）输出打印信息，提示程序运行情况。 PC机免驱自动完成安装后，可以在PC的设备管理器里看到如下设备： 同时双击电脑任务栏右侧的喇叭，可以看到ARMJISHU.COM-STM32 Speaker音频 设备信息。 可以查看ARMJISHU.COM-STM32 Speaker音频设备的属性信息：