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(chǎng)，例如數(shù)字音頻錄音帶、數(shù)字聲音處理器。對(duì)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。

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(shí)鐘與數(shù)據(jù)信號(hào)的設(shè)計(jì)，通過將數(shù)據(jù)和時(shí)鐘信號(hào)分離，避免了因時(shí)差誘發(fā)的失真，為用戶節(jié)省了購買抵抗音頻抖動(dòng)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。

I2S 總線接口有 3 個(gè)主要信號(hào)，但只能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)半雙工傳輸，后來為實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸有些設(shè)備增加了擴(kuò)展數(shù)據(jù)引腳。

MM32F3270 系列控制器支持 I2S 總線接口，本章節(jié)在接下來會(huì)對(duì)MM32F3270 I2S進(jìn)行介紹，并使用MM32F3270和CS4344芯片進(jìn)行I2S通信來演示播放MP3。

01、I2S 主要特征

1）半雙工通信（僅發(fā)射機(jī)或接收機(jī)）

2）主操作或從操作

3）8 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）

4）數(shù)據(jù)格式可以是 16 位、 24 位或 32 位

5）數(shù)據(jù)包幀固定為 16 位（16 位數(shù)據(jù)幀）或 32 位（16 位、 24 位、 32 位數(shù)據(jù)幀）

6）可編程時(shí)鐘極性（穩(wěn)定狀態(tài)）

7）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(cuò)誤標(biāo)志（僅從機(jī)）

8）用于傳輸和接收的 32 位寄存器為兩個(gè)聲道分時(shí)復(fù)用

9）支持 I2S 協(xié)議：

– 飛利浦標(biāo)準(zhǔn)
– MSB 對(duì)齊標(biāo)準(zhǔn)（左對(duì)齊）
– LSB 對(duì)齊標(biāo)準(zhǔn)（右對(duì)齊）
– PCM 標(biāo)準(zhǔn)（在 16 位信道幀上具有短幀和長(zhǎng)幀同步或擴(kuò)展到 32 位信道幀的 16 位數(shù)據(jù)幀）

10）數(shù)據(jù)方向始終是 MSB 優(yōu)先

11）DMA 傳輸能力（ 32 位寬）

12）可配置輸出 MCLK 來驅(qū)動(dòng)外部音頻組件，比率固定在 256× FS（其中 FS 為音頻采樣頻率）

02、I2S 總線接口

I2S 與 SPI 共用三個(gè)公共管腳：

1）SD：串行數(shù)據(jù)（映射在 MOSI 管腳上），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）。

2）WS：聲道選擇（映射在 NSS 引腳上），是 master 中的數(shù)據(jù)控制信號(hào)輸出模式和從模式輸入。

3）CK：串行時(shí)鐘（映射在 SCK 引腳上），是主模式下的串行時(shí)鐘輸出以及從機(jī)模式下的串行時(shí)鐘輸入。

4）當(dāng)某些外部設(shè)備需要主時(shí)鐘輸入時(shí)，可以使用一個(gè)附加的管腳輸出時(shí)鐘到音頻設(shè)備。

5）MCK：驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘（映射在 MISO 引腳上），用于驅(qū)動(dòng)外部音頻組件，僅主模式時(shí)使用。

03、I2S 數(shù)據(jù)格式

三線總線處理音頻數(shù)據(jù)的線路必須經(jīng)過分時(shí)復(fù)用兩個(gè)聲道：右聲道和左聲道。但是只有一個(gè) 32 位寄存器用于傳輸或接收。所以由軟件依次配置寄存器 TXREG 為每個(gè)聲道側(cè)的值，或依次讀取寄存器 RXREG的數(shù)據(jù)。總是先發(fā)送左聲道，然后發(fā)送右聲道（ CHSIDE 對(duì) PCM 協(xié)議沒有意義）。

數(shù)據(jù)可采用以下格式發(fā)送：

1) 16 位數(shù)據(jù)打包在 16 位幀中

2) 16 位數(shù)據(jù)打包在 32 位幀中

3) 24 位數(shù)據(jù)打包在 32 位幀中

4) 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(shí)，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。

04、通信標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于所有數(shù)據(jù)格式和通信標(biāo)準(zhǔn)，總是先發(fā)送最高位（ MSB 優(yōu)先）。I2S 接口支持四種音頻標(biāo)準(zhǔn)，可通過配置 SPI_I2S_I2SCFGR 寄存器的 I2SSTD[1:0]和 PCMSYNC 進(jìn)行切換。

飛利浦標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于本標(biāo)準(zhǔn)， WS 信號(hào)用于指示正在傳輸?shù)穆暤馈０l(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(hào)也在 CK 的下降沿被鎖定。對(duì)于這種標(biāo)準(zhǔn) I2S 格式的信號(hào)，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(gè) CK 脈沖處。

飛利浦標(biāo)準(zhǔn)示意圖

MSB 對(duì)齊標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，第一個(gè)數(shù)據(jù)在 WS 變化后的第一個(gè)沿有效。

MSB 對(duì)齊標(biāo)準(zhǔn)示意圖

LSB 對(duì)齊標(biāo)準(zhǔn)

LSB 對(duì)齊標(biāo)準(zhǔn)示意圖

PCM 標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于 PCM 標(biāo)準(zhǔn)，不需要使用聲道信息。PCM 有兩個(gè)模式：短幀模式和長(zhǎng)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(hào)（WS， SD）在 CK 信號(hào)的上升沿進(jìn)行采樣。輸入信號(hào)（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。

PCM 標(biāo)準(zhǔn)示意圖

05、基于MM32F3270的音頻播放實(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(gè) +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(dòng)速度模式檢測(cè)，當(dāng)自動(dòng)選擇 2 kHz 和 200 kHz 之間的采樣率，使用采樣率和主時(shí)鐘速率方法。

本實(shí)驗(yàn)的基本原理是MM32F3270 讀取SD卡中的MP3文件，并對(duì)其解碼得到PCM信號(hào)，通過I2S接口將PCM信號(hào)傳輸給CS4344，由CS4344進(jìn)行DA轉(zhuǎn)換輸出模擬信號(hào)，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(jì)

如圖是MB-039的I2S部分，完整原理圖可以通過官網(wǎng)下載。

各個(gè)信號(hào)引腳對(duì)應(yīng)如下：

程序設(shè)計(jì)

根據(jù)接口電路配置GPIO初始化

static void I2S3_GPIO_Config(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    // I2S  MCLK, SD, CK and WS pins configuration
    RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_GPIOA | RCC_AHBPeriph_GPIOB, ENABLE);
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1ENR_SPI3, ENABLE);

    GPIO_PinAFConfig(GPIOA, GPIO_PinSource15, GPIO_AF_6); //I2S WS
    GPIO_PinAFConfig(GPIOB, GPIO_PinSource3, GPIO_AF_6);      //I2S CK  I2S_SCK
    GPIO_PinAFConfig(GPIOB, GPIO_PinSource5, GPIO_AF_6);     //I2S SD  I2S_DATAOUT  MOSI
    GPIO_PinAFConfig(GPIOC, GPIO_PinSource7, GPIO_AF_5);  //I2S MCK I2S_MCLK

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_15;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_Init(GPIOA,  GPIO_InitStructure);

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_3 | GPIO_Pin_5;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_Init(GPIOB,  GPIO_InitStructure);


    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_7;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_Init(GPIOC,  GPIO_InitStructure);

    // config as the control I/O for power on or enter standby
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_Init(GPIOB,  GPIO_InitStructure);
}

I2S配置初始化

   static void I2S_Mode_Config(SPI_I2S_STANDARD_TypeDef usStandard, SPI_I2S_DATAFORMAT_TypeDef usWordLen, SPI_I2S_AUDIO_FREQ_TypeDef usAudioFreq, SPI_I2S_TRANS_MODE_TypeDef usMode)
{
    I2S_InitTypeDef I2S_InitStructure;

    if ((usMode == I2S_Mode_SlaveTx)    (usMode == I2S_Mode_SlaveRx)) {
        return;
    }
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1ENR_SPI3, ENABLE);
    SPI_DeInit(SPI3);
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1ENR_SPI3, ENABLE);
    if (usMode == I2S_Mode_MasterTx) {
        I2S_InitStructure.I2S_Mode = I2S_Mode_MasterTx;
        I2S_InitStructure.I2S_Standard = usStandard;
        I2S_InitStructure.I2S_DataFormat = usWordLen;
        I2S_InitStructure.I2S_MCLKOutput = I2S_MCLKOutput_Enable;
        I2S_InitStructure.I2S_AudioFreq = usAudioFreq;
        I2S_InitStructure.I2S_CPOL = I2S_CPOL_Low;
        I2S_Init(SPI3,  I2S_InitStructure);
    }
    else if (usMode == I2S_Mode_MasterRx) {
        I2S_InitStructure.I2S_Mode = I2S_Mode_MasterRx;
        I2S_InitStructure.I2S_Standard = usStandard;
        I2S_InitStructure.I2S_DataFormat = usWordLen;
        I2S_InitStructure.I2S_MCLKOutput = I2S_MCLKOutput_Enable;
        I2S_InitStructure.I2S_AudioFreq = usAudioFreq;
        I2S_InitStructure.I2S_CPOL = I2S_CPOL_Low;
        I2S_Init(SPI3,  I2S_InitStructure);
    }

    SPI_DMACmd(SPI3, ENABLE);
    I2S_Cmd(SPI3, ENABLE);
}

（1）I2S_Mode：I2S 模式選擇，可選主機(jī)發(fā)送、主機(jī)接收、從機(jī)發(fā)送以及從機(jī)接收模式，它設(shè)定SPI_I2S_GCTL寄存器MODE位的值。一般設(shè)置 MM32 控制器為主機(jī)模式，當(dāng)播放聲音時(shí)選擇發(fā)送模式，當(dāng)錄制聲音時(shí)選擇接收模式。

（2） I2S_Standard：通信標(biāo)準(zhǔn)格式選擇，可選 I2S Philips 標(biāo)準(zhǔn)、左對(duì)齊標(biāo)準(zhǔn)、右對(duì)齊標(biāo)準(zhǔn)、 PCM 短幀標(biāo)準(zhǔn)或 PCM 長(zhǎng)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。

（3）I2S_DataFormat：數(shù)據(jù)格式選擇，設(shè)定有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和幀長(zhǎng)度，可選標(biāo)準(zhǔn) 16bit 格式、擴(kuò)展16bit(32bit 幀長(zhǎng)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(duì)應(yīng) 16bit 數(shù)據(jù)長(zhǎng)度可選 16bit 或 32bit 幀長(zhǎng)度，其他都是 32bit 幀長(zhǎng)度。

（4）I2S_MCLKOutput：主時(shí)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(shí)鐘輸出。

（5）I2S_AudioFreq：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。

（6）I2S_CPOL：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。

在I2S_StartPlay()函數(shù)中調(diào)用I2S_Mode_Config()函數(shù)，

   void I2S_StartPlay(SPI_I2S_STANDARD_TypeDef usStandard, SPI_I2S_DATAFORMAT_TypeDef usWordLen, SPI_I2S_AUDIO_FREQ_TypeDef usAudioFreq)
{
    // config I2S interface as standard, bit length, frequence ,the Master Tx mode
    I2S_Mode_Config(usStandard, usWordLen, usAudioFreq, I2S_Mode_MasterTx);
    SPI3->GCTL |= 0xF;
}

在PlayMP3FileDemo()函數(shù)中調(diào)用I2S_StartPlay()函數(shù)，并配置傳輸模式為主機(jī)發(fā)送I2S_Mode_MasterTx，選擇Phillips標(biāo)準(zhǔn)，16位數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，采樣頻率配置為44KHz。

    I2S_StartPlay(I2S_Standard_Phillips, I2S_DataFormat_16b, I2S_AudioFreq_44k);

PlayMP3File()函數(shù)是 MP3 播放器的實(shí)現(xiàn)函數(shù)，定義如下：

   void PlayMP3File(void)
{
    DIR dirs;
    FILINFO finfo;
    FRESULT res;
    static UINT br;

    DELAY_Init();
    RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_GPIOA | RCC_AHBPeriph_GPIOB | RCC_AHBPeriph_GPIOC | RCC_AHBPeriph_GPIOD | RCC_AHBPeriph_GPIOE, ENABLE);
    RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBENR_SDIO, ENABLE);
    CONSOLE_Init(115200);

    SDIO_ConfigInit();
    printf("SDCARD TESTrn");
    while(SD_Init()) {
        printf("SD Card Error!rn");
    }
    MX_FATFS_Init();
    f_mount( SDFatFS, (TCHAR const*)SDPath, 0);

    u8 buff[2] = {0x01, 0x02};
    I2S_TX_DMA_Init( buff[0], 1);
    DMA_Cmd(DMA2_Channel2, ENABLE);

//  while(1){
    if (f_opendir( dirs, "") == FR_OK) {              //success to open directory
        while (f_readdir( dirs,  finfo) == FR_OK) {       //if there is file in this directory
            if (finfo.fattrib   AM_ARC) {
                if(!finfo.fname[0])
                    break;
                printf("rn Now Playing:[");
                printf(finfo.fname);
                printf("]rn");
                res = f_open( fsrc, finfo.fname, FA_OPEN_EXISTING | FA_READ);
                SET_BIT(SPI3->GCR, SPI_GCR_SPIEN);
                MODIFY_REG(DMA2_Channel2->CCR, DMA_CCR_EN, ENABLE CCR, DMA_CCR_EN, DISABLE << DMA_CCR_EN_Pos);
                f_close( fsrc);
                bytesLeft = 0;
            }
        }
    }
    while(1);
//   }

}

MP3文件是經(jīng)過壓縮算法壓縮而存在的，為得到 PCM 信號(hào)，需要對(duì) MP3 文件進(jìn)行解碼。本實(shí)驗(yàn)使用Helix MP3解碼器，Helix MP3 解碼器的源代碼是開源代碼，受制于源代碼隨附文件中描述的許可協(xié)議。該算法支持浮點(diǎn)和定點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，可移植到任意32位定點(diǎn)處理器上運(yùn)行，提供對(duì) MPEG-1、 MPEG-2 以及 MPEG-2.5 標(biāo)準(zhǔn)的 Layer3 解碼，以及支持可變位速率、恒定位速率，以及立體聲和單聲道音頻格式。關(guān)于Helix MP3解碼器的移植，在本文中不做重點(diǎn)講述，更多信息可訪問網(wǎng)站：

https://datatype.helixcommunity.org/Mp3dec

f_open 函數(shù)用于打開文件，如果文件打開失敗則直接退出播放。

MP3InitDecoder 函數(shù)用于初始化Helix 解碼器，分配解碼器必須內(nèi)存空間，如果初始化解碼器失敗直接退出播放。

f_read 函數(shù)從 SD 卡讀取 MP3 文件數(shù)據(jù)，存放在 readBuf緩沖區(qū)中， br變量保存實(shí)際讀取到的數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)。如果讀取數(shù)據(jù)失敗則運(yùn)行 MP3FreeDecoder 函數(shù)關(guān)閉解碼器后退出播放器。

MP3Decode 函數(shù)開始對(duì)源數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中幀數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，通過函數(shù)返回值可判斷得到解碼狀態(tài)，如果發(fā)生解碼錯(cuò)誤則執(zhí)行對(duì)應(yīng)的代碼。

讀取到文件末尾就退出循環(huán)， 此時(shí)MP3文件已經(jīng)完整播放。

實(shí)驗(yàn)演示

SD卡中存儲(chǔ)有MP3文件，并將SD卡、耳機(jī)設(shè)備接入MB-039開發(fā)板，運(yùn)行程序，就可以聽到音樂播放。

本次實(shí)驗(yàn)的例程可以通過MindMotion的官網(wǎng)下載MM32F3270 lib_Samples：

工程路徑如下：

~MM32F327x_SamplesDemo_appPlayWave_DemoSPI_I2S_SDIO_FatFsMP3_CS4344_Demo

可以看到詳細(xì)的樣例與功能操作。

下章的題目為《使用MM32F3270 的SDIO 驅(qū)動(dòng)SD卡》講解通過SDIO外接MicroSD卡的實(shí)現(xiàn)。

來源：靈動(dòng)MM32MCU

審核編輯：湯梓紅