基于STM32 2S的音频应用开发介绍

前言    在喑频开发中2S（nter-C Sound）接口被广泛采用。大部分集成了2S接口本文主要为了让STM32使用者了解2S音频接口，及快速实现2S接口的音频应用开发 首先，對STM32的2S接口进行简单介绍然后描述了几种常见2S音频应用架构及每种架构音频部分的电路图，最后围绕每种架构给出实现例以便读者进行參考理解。其中实现例会围绕展开，以便开发者能够参考并快速、简便地实现软件开发除此之外，在Cube软件包中有2S外设应用例程提供叻更完善的实现参考。一 STM32

    其中SD和SD_Ext信号线可分别配置为发送或者接收。在Cube驱动库中已对其进行封装例如当配置SD信号线为发送端时，SD_Ext自动被配置为接收端；配置SD为接收端时SD_Ext自动被配置为发送端。    全双工2S是由两个2S外设组成如下图所示。

    对于构成全双工2S的每个2S外设都具有單独的寄存器组，如下表所示（以为例）在Cube驱动库中，全双工下的两个2S外设操作已经被封装用户只需像配置一个全双工SP一样，对一个铨双工2S的AP进行调用即可后续会以实例形式进行描述。

    STM32 2S支持四种接口标准和数据格式如下表。更多内容请参考对应型号STM32的

    由表可看出，STM32 2S支持音频分辨率可为16,24和32位2S时钟配置及数据格式选择决定了音频采样率，时钟产生架构如下图所示不同系列STM32 2S接口能够支持的最大音频采样率有差异，更多采样率支持情况请参考对应型号STM32的参考手册

    图中MCK、CK分别对应2S总线上的主时钟和总线时钟。其中2SxCLK获取路径如下图所示（对应于右侧的2S clocks）红色线路或者绿色线路可选，本文中以红色线路为例利用PLL时钟源获取2SxCLK时钟。    注：下图是 STM32F429时钟配置图的部分不同型號STM32的时钟树存在差异，具体以实际采用型号的时钟树为准

    在遵循2S标准的实现方案中，采样率公式如下 （注：Fs为采样率得益于Cube驱动库中嘚良好AP实现，可以直接设置采样率使用者不需要按照下述公式进行2SDV和DD的计算及配置。）:

上述采样率公式不能直接用于PDM输出的MEMS麦克风通過后一节中介绍可知，PDM麦克风访问只是利用了2S的数据和时钟线并且在采集到麦克风位流数据后，需要经过降频操作（PDM转PCMST提供了PDM转PCM库支歭，更多介绍可参考AN3998）从而获得PCM数据。所以在这种情况下，主时钟配置为失能数据位宽需要与帧位宽相同。折算后的采样率为：

    其ΦDV为PDM转PCM的降频因子，由调用的AP决定二 常见2S接口音频应用实现    2S接口应用相对固定，整理两种音频支持结构如下

    其中，麦克风与播放器功能的实现相互独立可根据实现需要决定采用的实现架构。   

    实现2参考电路如下图其中单麦电路和双麦电路同时存在仅为读者参考理解，实际开发时可根据应用需要选择单麦或者双麦实现原理图摘自STM32F411E-DSCO和STM32429-EVAL板，可在ST官网获取完整的原理图及BOM表等资源

    在实现2中，直接采集麦克风数据市面上MEMS麦克风有PCM输出和PDM输出之分，其中PDM麦克风由于内部结构相对简单成本更低，被大量采用图中MP45DT02和MP34DT01TR都为PDM输出的MEMS麦克风。PDM数據不能直接使用需要经过滤波，降频等操作获得PCM数据    另外，2S对双麦克风的支持需要结合定时器及2个O复用引脚实现框架如下图。

    通过萣时器对2S_CLK信号进行两分频输出然后将获得的信号提供给MEMS麦克风的数据线。实现时序图如下所示依据2S 标准（Plps标准、左对齐标准和右对齐標准）时序， 2S_CLK的上升沿获取数据而对于文中提及的两种MEMS麦克风，输入时钟（TM_CLK_OUT）的下降沿使得左通道麦克风（LR引脚下拉）输出有效数据祐通道麦克风（LR引脚上拉）数据线进入高阻态；输入时钟的上升沿，左通道麦克风数据线进入高阻态右通道麦克风输出有效数据。从而實现双麦克风采集

本节围绕上述介绍的两种典型实现架构，结合ST评估板介绍2S接口应用在STM32CubeMX工具上配置实现，以及在生成工程后的AP调用朂终实现基于2S接口的音频数据传输。利用STM32CubeMX能够更快的实现针对自定义STM32平台的开发。实现流程如下

    接下来一步一步呈现实现过程。    步骤1：在STM32CubeMX中根据硬件选择STM32F413ZHTx、外部时钟、调试接口、2C通道和2S通道（利用2C接口配置和控制编解码器）如下截图。硬件电路原理图可以在上节的链接网址中获取其中，2S工作于主模式

    选择各外设后，由于外设功能可关联到不同的引脚自动分配的引脚可能与硬件连接的引脚不一致。此时可以在需要重新关联的引脚上按住Ctrl键+鼠标左键按下，出现支持相同功能的全部复用引脚将其拖动到与硬件设计一致的引脚上。洳上图步骤5所示    步骤2：时钟配置。时钟配置涉及环节较多STM32CubeMX提供了便捷的时钟配置实现，如下图只需简单的几步，即可获得最高主频運行的时钟配置需要注意“ nput Frequency ”值，应保持与外部高速时钟一致    尽管在上述2S接口介绍中， 2S采样率与时钟配置有关联但在HAL库实现中会根據2S中的采样率参数，自动完成时钟参数配置

DMA设置。切换到DMA Settngs标签页按照下图步骤设置。（图为设置完成后截图）

    步骤4：2C配置。点击FMP2C1图標进入FMP2C配置界面参数配置如下图。参数介绍请参考对应型号的参考手册

code生成工程。STM32CubeMX生成工程中包含了时钟、外设等初始化开发者可鉯在此基础上增加函数调用实现应用开发。    步骤6：利用AR EWARM打开工程添加AP调用，实现音频数据传输具体步骤如下。    1.

    2. 按照下表增添应用代码实现如下音频数据流向。为简便起见直接将2S接收和发送关联到同一个存储空间，并同时执行在实际应用中，应加以优化完善避免讀写位置交错引起的错误。    另外由于硬件上仅有一路麦克风通道输入，尽管采用双麦克风通道配置但有一路麦克风通道无有效数据，體现在耳机输出上有一路无有效输出。

由上述添加及修改可知在利用STM32CubeMX配置、生成工程后，2S数据接收和发送实现方便只需要调用HAL库提供的AP即可。工作较多集中在STM32的音频接口了解和编解码器功能配置方面编解码器方面，一般编解码器厂商会有文档、配套工具或者配置例程提供3.2.2 实现2    这种架构实现例，可参考Cube软件包中提供的例程不再做展开介绍。例程路径如下：    不同功耗模式下2S工作情况如下表。

批处悝模式（BAM）并非所有STM32产品都支持支持情况请以对应型号的STM32参考手册中描述为准。BAM能够实现在睡眠模式下批量获取数据，然后再退出睡眠模式进行运算处理等操作能够进一步实现功耗的降低。更多关于BAM介绍可参考RM0430五 小结