Audio基于STM32 I2S移植WM8978 Audio Codec驱动
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了Audio基于STM32 I2S移植WM8978 Audio Codec驱动相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
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1.《【Audio】I2S传输PCM音频数据分析总结（一）》
2.《【Audio】I2S传输PCM音频数据分析总结（二）》
3.《【Audio】基于STM32 I2S移植WM8978 Audio Codec驱动》
1. WM8978简介
WM8978是一款低功耗，高质量的立体声编解码器，专为便携式应用，如数码相机或数码摄像机等。
该芯片集成了立体声差分麦克风的前置放大器，并包括扬声器、耳机和差分或立体声线输出的驱动器。外部组件要求减少，因为不需要单独的麦克风或耳机放大器。
WM8978的功能框图如下所示：
2. WM8978硬件连接
使用STM32F429+WM8978硬件平台，通过I2S接口来读写音频数据，I2C接口发送写命令控制WM8978相关功能。
STM32F429与WM8978的引脚连接如下：
| STM32引脚名称 | WM8978引脚名称 | 功能 | 描述 |
| GPIOB12 | LRC | I2S WS | 字选择，是音频数据控制信号输出，0：左声道的数据，1：右声道的数据 |
| GPIOD3 | BCLK | I2S BCLK | 串行时钟，也叫位时钟，对应数字音频的每一位数据。 |
| GPIOC2 | ADCDAT | I2S EXT_SD | 控制 I2S 全双工模式的附加串行数据引脚，用于接收音频数据。 |
| GPIOI3 | DACDAT | I2S SD | 串行数据，用于发送音频数据。 |
| GPIOC6 | MCLK | I2S MCLK | 当 I2S 配置为主模式时，使用主时钟（单独映射）输出此附加时钟。 |
（备注：I2C不是本篇文章的重点，这里会忽略对它的介绍。重点：WM8978的I2C只能写，不能读。）
3. STM32 I2S的配置
STM32 I2S的配置主要是：
- I2S相关GPIO的初始化
- I2S相关寄存器的初始化
- I2S TX和RX的DMA的初始化
- I2S相关GPIO的初始化
STM32的I2S和SPI是公用的pin脚，所以这里需要将IO设置为I2S模式。这些I2S的引脚的相关功能在上面的表格中有详细描述，下面是具体初始化的代码：
/**
* I2S总线传输音频数据口线
* WM8978_LRC -> PB12/I2S2_WS
* WM8978_BCLK -> PD3/I2S2_CK
* WM8978_ADCDAT -> PC2/I2S2ext_SD
* WM8978_DACDAT -> PI3/I2S2_SD
* WM8978_MCLK -> PC6/I2S2_MCK
*/
static void I2S_Gpio_Init(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
/* Enable GPIO clock */
RCC_AHB1PeriphClockCmd(I2S_WS_GPIO_CLK|I2S_BCLK_GPIO_CLK| \\
I2S_ADCDAT_GPIO_CLK|I2S_DACDAT_GPIO_CLK| \\
I2S_MCLK_GPIO_CLK, ENABLE);
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = I2S_WS_PIN;
GPIO_Init(I2S_WS_PORT, &GPIO_InitStructure);
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = I2S_BCLK_PIN;
GPIO_Init(I2S_BCLK_PORT, &GPIO_InitStructure);
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = I2S_ADCDAT_PIN;
GPIO_Init(I2S_ADCDAT_PORT, &GPIO_InitStructure);
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = I2S_DACDAT_PIN;
GPIO_Init(I2S_DACDAT_PORT, &GPIO_InitStructure);
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = I2S_MCLK_PIN;
GPIO_Init(I2S_MCLK_PORT, &GPIO_InitStructure);
/* Connect pins to I2S peripheral */
GPIO_PinAFConfig(I2S_WS_PORT, I2S_WS_SOURCE, I2S_WS_AF);
GPIO_PinAFConfig(I2S_BCLK_PORT, I2S_BCLK_SOURCE, I2S_BCLK_AF);
GPIO_PinAFConfig(I2S_ADCDAT_PORT, I2S_ADCDAT_SOURCE, I2S_ADCDAT_AF);
GPIO_PinAFConfig(I2S_DACDAT_PORT, I2S_DACDAT_SOURCE, I2S_DACDAT_AF);
GPIO_PinAFConfig(I2S_MCLK_PORT, I2S_MCLK_SOURCE, I2S_MCLK_AF);
}
-
I2S相关寄存器的初始化
主要是设置：I2S_AudioFreq = I2S_AudioFreq_44k//音频数据的采样率为44.1KHzI2S_DataFormat = I2S_DataFormat_16b// 音频数据的数据宽度为16bitI2S_Standard = I2S_Standard_Phillips// I2S传输音频数据采用Phillips I2S的标准
具体配置代码如下：
void I2S_Mode_Config(const uint16_t _usStandard,const uint16_t _usWordLen,const uint32_t _usAudioFreq)
{
I2S_InitTypeDef I2S_InitStructure;
uint32_t n = 0;
FlagStatus status = RESET;
/**
* For I2S mode, make sure that either:
* - I2S PLL is configured using the functions RCC_I2SCLKConfig(RCC_I2S2CLKSource_PLLI2S),
* RCC_PLLI2SCmd(ENABLE) and RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_PLLI2SRDY).
*/
RCC_I2SCLKConfig(RCC_I2S2CLKSource_PLLI2S);
RCC_PLLI2SCmd(ENABLE);
for (n = 0; n < 500; n++)
{
status = RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_PLLI2SRDY);
if (status == 1)break;
}
/* Enable the CODEC_I2S peripheral clock */
RCC_APB1PeriphClockCmd(I2S2_CLK, ENABLE);
/* CODEC_I2S peripheral configuration */
SPI_I2S_DeInit(I2S2_SPI);
I2S_InitStructure.I2S_AudioFreq = _usAudioFreq;
I2S_InitStructure.I2S_Standard = _usStandard;
I2S_InitStructure.I2S_DataFormat = _usWordLen;
I2S_InitStructure.I2S_CPOL = I2S_CPOL_Low;
I2S_InitStructure.I2S_Mode = I2S_Mode_MasterTx;
I2S_InitStructure.I2S_MCLKOutput = I2S_MCLKOutput_Enable;
/* Initialize the I2S peripheral with the structure above */
I2S_Init(I2S2_SPI, &I2S_InitStructure);
I2S_Cmd(I2S2_SPI, ENABLE);
/* Configures the full duplex mode for the I2S2 */
I2S_FullDuplexConfig(I2S2_ext, &I2S_InitStructure);
I2S_Cmd(I2S2_ext, ENABLE);
}
- I2S TX和RX的DMA的初始化
WM8978 Audio Codec驱动需要实现2个功能：播放和录音，所以这里将会很多的数据需要发送和接收。为了减轻CPU的负担，这里需要使用I2S的TX和RX的DMA。
？？？为什么选择的是DMA1 Stream4 Channel0和Stream3 Channel3？？？
下面的截图是DMA的功能框图，我们需要使用它将I2S外设数据接收到内存，将内存的数据发送到I2S外设。我们需要根据硬件的外设来选择对应DMA的stream和channel。
根据硬件连接，使用的是SPI2硬件接口复用的I2S2。由于使用了I2S全双工功能，并且通过I2S2_EXT来接收数据，所以这里选择DMA1的I2S2_EXT_RX接收数据。I2S2_SD_TX引脚复用了SPI2_TX，所以这里选择SPI2_TX发送数据。到这里就解释了为什么选择的是DMA1 Stream4 Channel0和Stream3 Channel3？下面是SMT32 DMA1映射表：
下面是TX DMA的初始化的例子，RX DMA初始化是同样的过程。主要是步骤如下：- 使能DMA的时钟
- 指定外设和内存的数据存放地址
- 配置DMA的相关属性参数
- 设置DMA中断参数，通过中断来指示数据是否传送完成。
void I2Sx_TX_DMA_Init(const uint16_t *dmaM0Addr,const uint16_t *dmaM1Addr,const uint32_t num)
{
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;
/* Enable the DMA clock */
RCC_AHB1PeriphClockCmd(I2Sx_DMA_CLK, ENABLE);
/* Configure the DMA Stream */
DMA_DeInit(I2Sx_TX_DMA_STREAM);
while (DMA_GetCmdStatus(I2Sx_TX_DMA_STREAM) != DISABLE){}//等待DMA1_Stream4可配置
DMA_ClearITPendingBit(I2Sx_TX_DMA_STREAM,DMA_IT_FEIF4|DMA_IT_DMEIF4|DMA_IT_TEIF4|DMA_IT_HTIF4|DMA_IT_TCIF4);//清空DMA1_Stream4上所有中断标志
/* 配置 DMA Stream */
DMA_InitStructure.DMA_Channel = I2Sx_TX_DMA_CHANNEL; //通道0 SPIx_TX通道
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (uint32_t)&I2S2_SPI->DR;//外设地址为:(u32)&SPI2->DR
DMA_InitStructure.DMA_Memory0BaseAddr = (uint32_t)dmaM0Addr;//DMA 存储器0地址
DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_MemoryToPeripheral;//存储器到外设模式
DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = num;//数据传输量
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable;//外设非增量模式
DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;//存储器增量模式
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_HalfWord;//外设数据长度:16位
DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_HalfWord;//存储器数据长度：16位
DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Circular;// 使用循环模式
DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_High;//高优先级
DMA_InitStructure.DMA_FIFOMode = DMA_FIFOMode_Disable; //不使用FIFO模式
DMA_InitStructure.DMA_FIFOThreshold = DMA_FIFOThreshold_1QuarterFull;
DMA_InitStructure.DMA_MemoryBurst = DMA_MemoryBurst_Single;//外设突发单次传输
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBurst = DMA_PeripheralBurst_Single;//存储器突发单次传输
DMA_Init(I2Sx_TX_DMA_STREAM, &DMA_InitStructure);//初始化DMA Stream
DMA_DoubleBufferModeConfig(I2Sx_TX_DMA_STREAM, (uint32_t)dmaM0Addr, DMA_Memory_0);//双缓冲模式配置
DMA_DoubleBufferModeConfig(I2Sx_TX_DMA_STREAM, (uint32_t)dmaM1Addr, DMA_Memory_1);//双缓冲模式配置
DMA_DoubleBufferModeCmd(I2Sx_TX_DMA_STREAM, ENABLE);//双缓冲模式开启
DMA_ITConfig(I2Sx_TX_DMA_STREAM,DMA_IT_TC,ENABLE);//开启传输完成中断
SPI_I2S_DMACmd(I2S2_SPI,SPI_I2S_DMAReq_Tx,ENABLE);//SPI2 TX DMA请求使能.
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = I2Sx_TX_DMA_STREAM_IRQn;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;//抢占优先级1
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;//子优先级2
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;//使能外部中断通道
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);//配置
}
4. WM8978 Audio Codec的配置
下面介绍关于WM8978主要的寄存器的设置：
- wm8978_SetOUT1Volume()
- wm8978_SetMicGain()
- wm8978_SetLineGain()
- wm8978_CfgAudioIF()
- wm8978_CfgAudioPath()
4.1 wm8978_SetOUT1Volume()
wm8978_SetOUT1Volume()函数主要是修改输出通道1音量，具体设置WM8978的功能框图如下：
具体设置代码如下：
/**
* @brief 修改输出通道1音量
* @param _ucVolume ：音量值, 0-63
* @retval 无
*/
void wm8978_SetOUT1Volume(uint8_t _ucVolume)
{
uint16_t regL;
uint16_t regR;
if (_ucVolume > VOLUME_MAX)
{
_ucVolume = VOLUME_MAX;
}
regL = _ucVolume;
regR = _ucVolume;
/*
R52 LOUT1 Volume control
R53 ROUT1 Volume control
*/
/* 先更新左声道缓存值 */
wm8978_WriteReg(WM8978_LOUT1_HP_CONTROL, regL | 0x00);
/* 再同步更新左右声道的音量 */
wm8978_WriteReg(WM8978_ROUT1_HP_CONTROL, regR | 0x100); /* 0x180表示 在音量为0时再更新，避免调节音量出现的“嘎哒”声 */
}
4.2 wm8978_SetMicGain()
wm8978_SetMicGain()函数主要是设置MIC的增益，具体设置WM8978的功能框图如下：
具体设置代码如下：
/**
* @brief 设置增益
* @param _ucGain ：增益值, 0-63
* @retval 无
*/
void wm8978_SetMicGain(uint8_t _ucGain)
{
if (_ucGain > GAIN_MAX)
{
_ucGain = GAIN_MAX;
}
/* PGA 音量控制 R45， R46
Bit8 INPPGAUPDATE
Bit7 INPPGAZCL 过零再更改
Bit6 INPPGAMUTEL PGA静音
Bit5:0 增益值，010000是0dB
*/
wm8978_WriteReg(WM8978_LEFT_INP_PGA_CONTROL, _ucGain);
wm8978_WriteReg(WM8978_RIGHT_INP_PGA_CONTROL, _ucGain | (1 << 8));
}
4.3 wm8978_SetLineGain()
wm8978_SetLineGain()函数主要是设置输入通道的增益，具体设置WM8978的功能框图如下：
具体设置代码如下：
/**
* @brief 设置Line输入通道的增益
* @param _ucGain ：音量值, 0-7. 7最大，0最小。 可衰减可放大。
* @retval 无
*/
void wm8978_SetLineGain(uint8_t _ucGain)
{
uint16_t usRegValue;
if (_ucGain > 7)
{
_ucGain = 7;
}
/*
Mic 输入信道的增益由 PGABOOSTL 和 PGABOOSTR 控制
Aux 输入信道的输入增益由 AUXL2BOOSTVO[2:0] 和 AUXR2BOOSTVO[2:0] 控制
Line 输入信道的增益由 LIP2BOOSTVOL[2:0] 和 RIP2BOOSTVOL[2:0] 控制
*/
/* R47（左声道），R48（右声道）, MIC 增益控制寄存器
R47 (R48定义与此相同)
B8 PGABOOSTL = 1, 0表示MIC信号直通无增益，1表示MIC信号+20dB增益（通过自举电路）
B7 = 0， 保留
B6:4 L2_2BOOSTVOL = x， 0表示禁止，1-7表示增益-12dB ~ +6dB （可以衰减也可以放大）
B3 = 0， 保留
B2:0` AUXL2BOOSTVOL = x，0表示禁止，1-7表示增益-12dB ~ +6dB （可以衰减也可以放大）
*/
usRegValue = wm8978_ReadReg(WM8978_LEFT_ADC_BOOST_CONTROL);
usRegValue &= 0x8F;/* 将Bit6:4清0 1000 1111*/
usRegValue |= (_ucGain << 4);
wm8978_WriteReg(WM8978_LEFT_ADC_BOOST_CONTROL, usRegValue); /* 写左声道输入增益控制寄存器 */
usRegValue = wm8978_ReadReg(WM8978_RIGHT_ADC_BOOST_CONTROL);
usRegValue &= 0x8F;/* 将Bit6:4清0 1000 1111*/
usRegValue |= (_ucGain << 4);
wm8978_WriteReg(WM8978_RIGHT_ADC_BOOST_CONTROL, usRegValue); /* 写右声道输入增益控制寄存器 */
}
4.4 wm8978_CfgAudioIF()
wm8978_CfgAudioIF()函数主要是配置WM8978的I2S接口和时钟，具体设置WM8978的功能框图如下：
具体设置代码如下：
/**
* @brief 配置WM8978的音频接口(I2S)
* @param _usStandard : 接口标准，I2S_Standard_Phillips, I2S_Standard_MSB 或 I2S_Standard_LSB
* @param _ucWordLen : 字长，16、24、32 （丢弃不常用的20bit格式）
* @retval 无
*/
void wm8978_CfgAudioIF(uint16_t _usStandard, uint8_t _ucWordLen)
{
uint16_t usReg;
/* WM8978(V4.5_2011).pdf 73页，寄存器列表 */
/* REG R4, 音频接口控制寄存器
B8 BCP = X, BCLK极性，0表示正常，1表示反相
B7 LRCP = x, LRC时钟极性，0表示正常，1表示反相
B6:5 WL = x， 字长，00=16bit，01=20bit，10=24bit，11=32bit （右对齐模式只能操作在最大24bit)
B4:3 FMT = x，音频数据格式，00=右对齐，01=左对齐，10=I2S格式，11=PCM
B2 DACLRSWAP = x, 控制DAC数据出现在LRC时钟的左边还是右边
B1 ADCLRSWAP = x，控制ADC数据出现在LRC时钟的左边还是右边
B0 MONO = 0，0表示立体声，1表示单声道，仅左声道有效
*/
usReg = 0;
if (_usStandard == I2S_Standard_Phillips) /* I2S飞利浦标准 */
{
usReg |= WM8978_R4_FMT_I2S_FORMAT;
}
else if (_usStandard == I2S_Standard_MSB) /* MSB对齐标准(左对齐) */
{
usReg |= WM8978_R4_FMT_LEFT_JUSTIFIED;
}
else if (_usStandard == I2S_Standard_LSB) /* LSB对齐标准(右对齐) */
{
usReg |= WM8978_R4_FMT_RIGHT_JUSTIFIED;
}
else /* 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) */
{
usReg |= WM8978_R4_FMT_PCM_MODE;
}
if (_ucWordLen == 24)
{
usReg |= WM8978_R4_WORD_LEN_24_BITS;
}
else if (_ucWordLen == 32)
{
usReg |= WM8978_R4_WORD_LEN_32_BITS;
}
else
{
usReg |= WM8978_R4_WORD_LEN_16_BITS; /* 16bit */
}
wm8978_WriteReg(WM8978_AUDIO_INTERFACE, usReg);
/*
R6，时钟产生控制寄存器
MS = 0, WM8978被动时钟，由MCU提供MCLK时钟
*/
wm8978_WriteReg(WM8978_CLOCKING, 0x000);
}
4.5 wm8978_CfgAudioPath()
wm8978_CfgAudioPath()函数主要是配置WM8978的音频通道，我这里demo实现的功能是MIC录音和耳机输出，具体设置WM8978的功能框图如下：
配置音频通道涉及到很多寄存器，这里就不一一列举，需要查看的可以下载完成的代码来分析（备注：文章最后会列出Demo工程的下载路径）。具体涉及到的代码如下：
/**
* @brief 配置wm8978音频通道
* @param _InPath : 音频输入通道配置
* @param _OutPath : 音频输出通道配置
* @retval 无
*/
void wm8978_CfgAudioPath(uint16_t _InPath, uint16_t _OutPath)
{
/* 查看WM8978数据手册的 REGISTER MAP 章节， 第89页 */
if ((_InPath == IN_PATH_OFF) && (_OutPath == OUT_PATH_OFF))
{
wm8978_PowerDown();
return;
}
wm8978_Set_R1_Power_Manage_1(_InPath, _OutPath);
wm8978_Set_R2_Power_Manage_2(_InPath, _OutPath);
wm8978_Set_R3_Power_Manage_3(_InPath, _OutPath);
wm8978_Set_R14_ADC_Ctrl(_InPath);
wm8978_Set_R27_30_Notch_Filter(_InPath);
wm8978_Set_R32_35_ALC_Ctrl();
wm8978_Set_R47_48_Input_Boost_Ctrl(_InPath);
wm8978_Set_R15_16_ADC_Digital_Vol();
wm8978_Set_R43_Beep_Ctrl(_InPath, _OutPath);
wm8978_Set_R49_Output_Ctrl(_InPath, _OutPath);
wm8978_Set_R50_51_Output_Mixer_Ctrl(_InPath);
wm8978_Set_R56_OUT3_Mixer_Ctrl(_OutPath);
wm8978_Set_R57_OUT4_Mixer_Ctrl(_OutPath);
wm8978_Set_R11_12_DAC_Digital_Vol(_InPath);
wm8978_Set_R10_DAC_Ctrl(_InPath);
}
5. 验证测试
运行WM8978 Demo可以正常的录音和播放，测试成功：
下面是通过WM8978 Demo播放采样率44.1KHz 16bit双声道正弦波1KHz的PCM音频数据时，用逻辑分析仪抓取的I2S数据图如下：
6. 资料下载
移植成功的完整工程代码下载路径如下：
https://download.csdn.net/download/ZHONGCAI0901/18375355
以上是关于Audio基于STM32 I2S移植WM8978 Audio Codec驱动的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章
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