正点原子STM32F407探索者开发板资料连载第五十七章 USB 声卡实验

1）实验平台：alientek 阿波罗 STM32F767 开发板

第五十七章 USB 声卡(Slave)实验
上一章我们向大家介绍了如何利用 STM32F4 的 USB 接口来做一个 USB 读卡器，本章我们
将利用 STM32F4 的 USB 来做一个声卡。本章分为如下几个部分：
57.1 USB 声卡简介
57.2 硬件设计
57.3 软件设计
57.4 下载验证
57.1 USB 声卡简介
ALIENTEK 探索者 STM32F4 开发板板载了一颗高性能 CODEC 芯片：WM8978，我们可
以利用 STM32F4 的 IIS，控制 WM8978 播放音乐，同样，如果结合 STM32F4 的 USB 功能，就
可以实现一个 USB 声卡。
同上一章一样，我们直接移植官方的 USB AUDIO 例程，官方例程路径：8，STM32 参考
资料→STM32 USB 学习资料→
STM32_USB-Host-Device_Lib_V2.1.0→Project→USB_De
vice_Examples→AUDIO，该例程采用 USB 同步传输来传输音频数据流并且支持某些控制命令
(比如静音控制)，例程仅支持 USB FS 模式（不支持 HS），同时例程不需要特殊的驱动支持，
大多数操作系统直接就可以识别。
57.2 硬件设计
本节实验功能简介：开机的时候先显示一些提示信息，之后开始 USB 配置，在配置成功
之后就可以在电脑上发现多出一个 USB 声卡。我们用 DS1 来指示 USB 是否连接成功，并在
液晶上显示 USB 连接状况，如果成功连接，我们可以将耳机插入开发板的 PHONE 端口（或
者喇叭接 P1（SPK）端子也行），听到来自电脑的音频信号。同样我们还是用 DS0 来指示程
序正在运行。
所要用到的硬件资源如下：
1） 指示灯 DS0 、DS1
2） 串口
3） TFTLCD 模块
4） USB SLAVE 接口
5） WM8978
这几个部分，在之前的实例中都已经介绍过了，我们在此就不多说了。这里再次提醒大家，
P11 的连接，要通过跳线帽连接 PA11 和 D-以及 PA12 和 D+。
57.3 软件设计
本章，我们在第四十八章实验 （实验 43 ）的基础上修改，先打开实验 43 的工程，在
HARDWARE 文件夹所在文件夹下新建一个 USB 的文件夹，同上一章一样，对照官方 AUDIO
例子，将相关文件拷贝到 USB 文件夹下。
然后，我们在工程里面去掉一些不必要的代码，并添加 USB 相关代码，最终得到如图 57.3.1
所示的工程：


图 57.3.1 USB 声卡工程截图
可以看到，USB 部分代码，同上一章的在结构上是一模一样的，只是.c 文件稍微有些变化。
同样，我们移植需要修改的代码，就是 USB_APP 里面的这四个.c 文件了。
其中 u***_bsp.c 和 u***d_usr.c 的代码，和上一章基本一样，可以用上一章的代码直接替换即
可正常使用。
u***_desc.c 代码，同上一章不一样，上一章描述符是大容量存储设备，本章变成了 USB 声
卡了，所以直接用 ST 官方的就行。
最后
stm324xg_u***_audio_codec.c，这里面的代码，是重点要修改的，该文件是配合 USB
声卡的 CS43L22 底层驱动相关代码，官方 STM32F4xG 的板子，用的是 CS43L22，而我们用的
是 WM8978，所以这里面代码要大改，修改后代码如下：
u8 volume=0;
//当前音量
vu8 audiostatus=0;
//bit0:0,暂停播放;1,继续播放
vu8 i2splaybuf=0;
//即将播放的音频帧缓冲编号
vu8 i2ssavebuf=0;
//当前保存到的音频缓冲编号
#define AUDIO_BUF_NUM
100
//由于采用的是 USB 同步传输数据播放
//而 STM32 IIS 的速度和 USB 传送过来数据的速度存在差异,比如在 48Khz 下,实际 IIS 是
//低于 48Khz(47.991Khz)的,所以电脑送过来的数据流,会比 STM32 播放速度快,缓冲区写
//位置追上播放位置(i2ssavebuf==i2splaybuf)时,就会出现混叠.设置尽量大
//的 AUDIO_BUF_NUM 值,可以尽量减少混叠次数.
u8 *i2***uf[AUDIO_BUF_NUM];
//音频缓冲帧,占用内存数=AUDIO_BUF_NUM*AUDIO_OUT_PACKET 字节
//音频数据 I2S DMA 传输回调函数
void audio_i2s_dma_callback(void)
{
if((i2splaybuf==i2ssavebuf)&&audiostatus==0) I2S_Play_Stop();
else
{
i2splaybuf++;//指向下一个 buf
if(i2splaybuf>(AUDIO_BUF_NUM-1))i2splaybuf=0;//溢出
if(DMA1_Stream4->CR&(1<<19))
DMA_MemoryTargetConfig(DMA1_Stream4,(u32)i2***uf[i2splaybuf],
DMA_Memory_0);
else
DMA_MemoryTargetConfig(DMA1_Stream4,(u32)i2***uf[i2splaybuf],
DMA_Memory_1);
}
}
//配置音频接口
//OutputDevice:输出设备选择,未用到.
//Volume:音量大小,0~100
//AudioFreq:音频采样率
uint32_t EVAL_AUDIO_Init(uint16_t OutputDevice, uint8_t Volume, uint32_t AudioFreq)
{
u16 t=0;
for(t=0;t //内存申请
{
i2***uf[t]=mymalloc(SRAMIN,AUDIO_OUT_PACKET);
}
if(i2***uf[AUDIO_BUF_NUM-1]==NULL) //内存申请失败
{
printf("Malloc Error!rn");
for(t=0;t return 1;
}
I2S2_Init(I2S_Standard_Phillips,I2S_Mode_MasterTx,I2S_CPOL_Low,
I2S_DataFormat_16bextended);
//飞利浦标准,主机发送,时钟低电平有效,16 位扩展帧长度
I2S2_SampleRate_Set(AudioFreq);
//设置采样率
EVAL_AUDIO_VolumeCtl(Volume);
//设置音量
I2S2_TX_DMA_Init(i2***uf[0],i2***uf[1],AUDIO_OUT_PACKET/2);
i2s_tx_callback=audio_i2s_dma_callback; //回调函数指 wav_i2s_dma_callback
I2S_Play_Start();
//开启 DMA
printf("EVAL_AUDIO_Init:%d,%drn",Volume,AudioFreq);
return 0;
}
//开始播放音频数据
//pBuffer:音频数据流首地址指针
//Size:数据流大小(单位:字节)
uint32_t EVAL_AUDIO_Play(uint16_t* pBuffer, uint32_t Size)
{
printf("EVAL_AUDIO_Play:%x,%drn",pBuffer,Size);
return 0;
}
//暂停/恢复音频流播放
//Cmd:0,暂停播放;1,恢复播放
//Addr:音频数据流缓存首地址
//Size:音频数据流大小(单位:harf word,也就是 2 个字节
//返回值:0,成功
// 其他,设置失败
uint32_t EVAL_AUDIO_PauseResume(uint32_t Cmd, uint32_t Addr, uint32_t Size)
{
u16 i;u8 *p=(u8*)Addr;
if(Cmd==AUDIO_PAUSE) audiostatus=0;
else
{
audiostatus=1;
i2ssavebuf++;
if(i2ssavebuf>(AUDIO_BUF_NUM-1))i2ssavebuf=0;
for(i=0;i=p;//拷贝数据
I2S_Play_Start();//开启 DMA
}
return 0;
}
//停止播放
//Option:控制参数,1/2,详见:CODEC_PDWN_HW 定义
//返回值:0,成功
// 其他,设置失败
uint32_t EVAL_AUDIO_Stop(uint32_t Option)
{
printf("EVAL_AUDIO_Stop:%drn",Option);
audiostatus=0;return 0;
}
//音量设置
//Volume:0~100
//返回值:0,成功
// 其他,设置失败
uint32_t EVAL_AUDIO_VolumeCtl(uint8_t Volume)
{
volume=Volume;
WM8978_HPvol_Set(volume*0.63,volume*0.63);
WM8978_SPKvol_Set(volume*0.63);
return 0;
}
//静音控制
//Cmd:0,正常
// 1,静音
//返回值:0,正常
// 其他,错误代码
uint32_t EVAL_AUDIO_Mute(uint32_t Cmd)
{
if(Cmd==AUDIO_MUTE_ON) {
WM8978_HPvol_Set(0,0); WM8978_SPKvol_Set(0);}
else
{
WM8978_HPvol_Set(volume*0.63,volume*0.63);
WM8978_SPKvol_Set(volume*0.63);
}
return 0;
}
//播放音频数据流
//Addr:音频数据流缓存首地址
//Size:音频数据流大小(单位:harf word,也就是 2 个字节)
void Audio_MAL_Play(uint32_t Addr, uint32_t Size)
{
u16 i; u8 t=i2ssavebuf;
u8 *p=(u8*)Addr;
u8 curplay=i2splaybuf; //当前正在播放的缓存帧编号
if(curplay)curplay--;
else curplay=AUDIO_BUF_NUM-1;
audiostatus=1;
t++;
if(t>(AUDIO_BUF_NUM-1))t=0;
if(t==curplay)
//写缓存碰上了当前正在播放的帧,跳到下一帧
{
t++;
if(t>(AUDIO_BUF_NUM-1))t=0;
printf("bad position:%drn",t);
}
i2ssavebuf=t;
for(i=0;i=p;//拷贝数据
I2S_Play_Start();
//开启 DMA
}这里特别说明一下，USB AUDIO 我们使用的是 USB 同步数据传输，音频采样率固定为：
48Khz（通过 USBD_AUDIO_FREQ 设置，在 u***d_conf.h 里面），这样，USB 传输过来的数据
都是 48Khz 的音频数据流，STM32F4 必须以同样的频率传输数据给 IIS，以同步播放音乐。
但是，STM32F4 我们采用的是内部 8M 时钟倍频后分频作为 IIS 时钟的，在使能主时钟
（MCK）输出的时候，只能以 47.991Khz 频率播放，稍微有点误差，这样，导致 USB 送过来
的数据，会比传输给 IIS 的数据快一点点，如果不做处理，就很容易产生数据混叠，产生噪音。
因此，我们这里提供了一个简单的解决办法：建立一个类似 FIFO 结构的缓冲数组，USB
传输过来的数据全部存放在这些数组里面，同时通过 IIS DMA 双缓冲机制，播放这些数组里面
的音频数据，当混叠发生时（USB 传过来的数据，赶上 IIS 播放的数据了），直接越过当前正在
播放的数组，继续保存。这样，虽然会导致一些数据丢失（混叠时），但是避免了混叠，保证了
良好的播放效果（听不到噪音），同时，数组个数越多，效果就越好（越不容易混叠）。
以上代码 AUDIO_BUF_NUM 就是我们定义的 FIFO 结构数组的大小，越大，效果越好，
这里我们定义成 100，每个数组的大小由音频采样率和位数决定，计算公式为：
(USBD_AUDIO_FREQ * 2 * 2) /1000
单位为字节，其中 USBD_AUDIO_FREQ 即音频采样率：48Khz，这样，每个数组大小就
是 192 字节。100 个数组，我们总共用了 19200 字节。
audio_i2s_dma_callback 函数是 IIS 播放音频的回调函数，完成 IIS 数据流的发送，其他函
数则基本都是在 u***d_audio_out_if.c 里面被调用，这里就不再详细介绍了。
最后在 main.c 里面，我们修改 main 函数如下：
USB_OTG_CORE_HANDLE USB_OTG_dev;
extern vu8 bDeviceState;
//USB 连接 情况
extern u8 volume;
//音量(可通过按键设置)
int main(void)
{
u8 key; u8 t=0;u8 Divece_STA=0XFF;
HAL_Init();
//初始化 HAL 库
Stm32_Clock_Init(336,8,2,7);
//设置时钟,168Mhz
delay_init(168);
//初始化延时函数
uart_init(115200);
//初始化 USART
usmart_dev.init(84);
//初始化 USMART
LED_Init();
//初始化 LED
KEY_Init();
//初始化 KEY
LCD_Init(); //初始化 LCD
SRAM_Init();
//初始化外部 SRAM
W25QXX_Init();
//初始化 W25Q128
WM8978_Init();
//初始化 WM8978
WM8978_ADDA_Cfg(1,0);
//开启 DAC
WM8978_Input_Cfg(0,0,0);
//关闭输入通道
WM8978_Output_Cfg(1,0);
//开启 DAC 输出
my_mem_init(SRAMIN);
//初始化内部内存池
my_mem_init(SRAMEX);
//初始化外部内存池
my_mem_init(SRAMCCM);
//初始化 CCM 内存池
POINT_COLOR=RED;//设置字体为红色
LCD_ShowString(30,50,200,16,16,"Explorer STM32F4");
LCD_ShowString(30,70,200,16,16,"USB Sound Card TEST");
LCD_ShowString(30,90,200,16,16,"ATOM@ALIENTEK");
LCD_ShowString(30,110,200,16,16,"2017/7/16");
LCD_ShowString(30,130,200,16,16,"KEY2:Vol- KEY0:vol+");
POINT_COLOR=BLUE;//设置字体为蓝色
LCD_ShowString(30,160,200,16,16,"VOLUME:");
//音量显示
LCD_ShowxNum(30+56,160,DEFAULT_VOLUME,3,16,0X80);//显示音量
LCD_ShowString(30,180,200,16,16,"USB Connecting...");//提示正在建立连接
USBD_Init(&USB_OTG_dev,USB_OTG_FS_CORE_ID,&USR_desc,&AUDIO_cb,
&USR_cb);
while(1)
{
key=KEY_Scan(1);//支持连按
if(key)
{
if(key==KEY0_PRES)
//KEY0 按下,音量增加
{
volume++;
if(volume>100)volume=100;
}else if(key==KEY2_PRES)//KEY2 按下,音量减少
{
if(volume)volume--;
else volume=0;
}
EVAL_AUDIO_VolumeCtl(volume);
LCD_ShowxNum(30+56,160,volume,3,16,0X80);//显示音量
delay_ms(20);
}
if(Divece_STA!=bDeviceState)//状态改变了
{
if(bDeviceState==1)
{
LED1=0;
LCD_ShowString(30,180,200,16,16,"USB Connected ");
//提示 USB 连接已经建立
}else
{
LED1=1;
LCD_ShowString(30,180,200,16,16,"USB DisConnected ");
//提示 USB 连接失败
}
Divece_STA=bDeviceState;
}
delay_ms(20);
t++;
if(t>10)
{
t=0;
LED0=!LED0;
}
}
}此部分代码比较简单，同上一章一样定义了 USB_OTG_dev 结构体，然后通过 USBD_Init
初始化 USB，不过本章实现的是 USB 声卡功能。本章我们保留了原例程（实验 43）的 USMART
部分，同样可以通过串口 1 设置 WM8978 相关参数。
其他部分我们就不详细介绍了，软件设计部分就为大家介绍到这里。
57.4 下载验证
在代码编译成功之后，我们通过下载代码到探索者 STM32F4 开发板上，在 USB 配置成功
后（注意：USB 数据线，要插在 USB_SLAVE 端口！不是 USB_232 端口！另外，USB_HOST
接口不要插任何外设！），LCD 显示效果如图 57.4.1 所示：


图 57.4.1 USB 连接成功
此时，电脑提示发现新硬件，并自动完成驱动安装，如图 57.4.2 所示：


图 57.4.2 电脑找到 ALIENTEK USB 声卡
等 USB 配置成功后，DS1 常亮，DS0 闪烁，并且在设备管理器→声音、视频和游戏控制器
里面看到多了 ALIENTEK STM32F407 USB AUDIO 设备，如图 57.4.3 所示：


图 57.4.3 设备管理器找到 ALIENTEK USB 声卡
此时，电脑的所有音频输出都被切换到 USB 声卡输出，将耳机插入探索者 STM32F4 开发
板的 PHONE 端口（或者接喇叭到 P1 端子（SPK）），即可听到来自电脑的声音。
通过按键 KEY0/KEY2 可以增大/减少音量，默认音量设置的是 65，大家可以自己调节（范
围：0~100）。