音響數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸是多媒體技術的重要組成部分。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。對于設備和生產廠家來說，標準化的信息傳輸結構可以提高系統(tǒng)的適應性。

I2S(Inter—IC Sound)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，該總線專責于音頻設備之間的數(shù)據(jù)傳輸，廣泛應用于各種多媒體系統(tǒng)。它采用了沿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，為用戶節(jié)省了購買抵抗音頻抖動的專業(yè)設備的費用。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。

I2S 總線接口有 3 個主要信號，但只能實現(xiàn)數(shù)據(jù)半雙工傳輸，后來為實現(xiàn)全雙工傳輸有些設備增加了擴展數(shù)據(jù)引腳。

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

01、I2S 主要特征

1）半雙工通信（僅發(fā)射機或接收機）

2）主操作或從操作

3）8 位可編程線性預分頻器，以達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）可編程時鐘極性（穩(wěn)定狀態(tài)）

7）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）

8）用于傳輸和接收的 32 位寄存器為兩個聲道分時復用

9）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）

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 來驅動外部音頻組件，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)控制信號輸出模式和從模式輸入。

3）CK：串行時鐘（映射在 SCK 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。

4）當某些外部設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備。

5）MCK：驅動時鐘（映射在 MISO 引腳上），用于驅動外部音頻組件，僅主模式時使用。

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)過分時復用兩個聲道：右聲道和左聲道。但是只有一個 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 為每個聲道側的值，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 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。

04、通信標準

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

飛利浦標準

對于本標準， WS 信號用于指示正在傳輸?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。

飛利浦標準示意圖

MSB 對齊標準

對于這個標準，第一個數(shù)據(jù)在 WS 變化后的第一個沿有效。

MSB 對齊標準示意圖

LSB 對齊標準

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。

PCM 標準示意圖

05、基于MM32F3270的音頻播放實驗

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SD卡中的MP3文件，并對其解碼得到PCM信號，通過I2S接口將PCM信號傳輸給CS4344，由CS4344進行DA轉換輸出模擬信號，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。

硬件設計

如圖是MB-039的I2S部分，完整原理圖可以通過官網(wǎng)下載。

各個信號引腳對應如下：

程序設計

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，可選主機發(fā)送、主機接收、從機發(fā)送以及從機接收模式，它設定SPI_I2S_GCTL寄存器MODE位的值。一般設置 MM32 控制器為主機模式，當播放聲音時選擇發(fā)送模式，當錄制聲音時選擇接收模式。

（2） I2S_Standard：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，它設定SPI_I2S_I2SCFGR 寄存器 I2SSTD位和 PCMSYNC位的值。一般設置為 I2S Philips 標準即可。

（3）I2S_DataFormat：數(shù)據(jù)格式選擇，設定有效數(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，它設定 SPI_I2SCFGR 寄存器 DATLEN 位和CHLEN 位的值。對應 16bit 數(shù)據(jù)長度可選 16bit 或 32bit 幀長度，其他都是 32bit 幀長度。

（4）I2S_MCLKOutput：主時鐘輸出使能控制，可選使能輸出或禁止輸出，它設定 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。

（5）I2S_AudioFreq：采樣頻率設置，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，它設定 SPI_I2S_CCTL 寄存器 CPOL位的值。一般設置為低電平即可。

在I2S_StartPlay()函數(shù)中調用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)中調用I2S_StartPlay()函數(shù)，并配置傳輸模式為主機發(fā)送I2S_Mode_MasterTx，選擇Phillips標準，16位數(shù)據(jù)長度，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，需要對 MP3 文件進行解碼。本實驗使用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。該算法支持浮點和定點實現(xiàn)，可移植到任意32位定點處理器上運行，提供對 MPEG-1、 MPEG-2 以及 MPEG-2.5 標準的 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。關于Helix MP3解碼器的移植，在本文中不做重點講述，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)失敗則運行 MP3FreeDecoder 函數(shù)關閉解碼器后退出播放器。

MP3Decode 函數(shù)開始對源數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中幀數(shù)據(jù)進行解碼，通過函數(shù)返回值可判斷得到解碼狀態(tài)，如果發(fā)生解碼錯誤則執(zhí)行對應的代碼。

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

實驗演示

SD卡中存儲有MP3文件，并將SD卡、耳機設備接入MB-039開發(fā)板，運行程序，就可以聽到音樂播放。

本次實驗的例程可以通過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

可以看到詳細的樣例與功能操作。

下章的題目為《使用MM32F3270 的SDIO 驅動SD卡》講解通過SDIO外接MicroSD卡的實現(xiàn)。

來源：靈動MM32MCU

審核編輯：湯梓紅