I2S设备开发和调试_stm32 i2s-优快云博客

简介

数字音频通信有I2S、PCM、AC97等。嵌入式音频领域通常使用I2S总线通信。I2S的全称是 Inter-IC Sound，中文翻译为“电路里的声音”。为了尽量不占用CPU资源，经常搭配DMA搬运数据。本文介绍I2S的开发和调试的经验。

系统结构

硬件

本文使用正点原子的开发板，使用STM32H750作为系统主控，ES8388为音频编解码芯片。ES8388具有编码和解码功能，可同时编码(模拟信号->数字信号)MCU发送的音频数据，输出到扬声器，又能解码(数字信号->模拟信号)麦克风数据，输入到MCU内。

图：系统结构

ES8388 是一款高性能、低功耗、高性价比的立体声多媒体数字信号编解码器。

图：《北极星硬件参考手册 V1.1》ES8388原理图

I2S协议标准

在统一的I2S硬件接口下，出现了多种不同的数据格式，可分为左对齐(MSB)标准、右对齐(LSB)标准、I2S Philips标准、AC97(Audio Coder97)。

一帧数据包含两个左右声道，WS表示左右声道。单帧一个声道内有16/24/32位数据，数据按照CK时钟频率发送。由于信号在命名上有多种，本文以WS表示声道，CK表示位时钟，Channel表示一帧里的一个声道，Frame表示一帧数据，MCLK表示提供给编解码器的主时钟。

I2S Philips标准

In this standard, the WS signal toggles one CK clock cycle before the first bit (MSb in I2S Philips standard) is available. A falling edge transition of WS indicates that the next data transfered is the left channel, and a rising edge transition indicates that the next data transfered is the right channel.

I2S Philips标准总结：

1：数据按顺序从WS跳变后的CK第二个时钟发送。

2：在WS低电平表示左声道。

LSB justified 标准

LSB右对齐标准，声道数据往右边对齐。

LSB justified 标准总结：

1：数据按顺序从WS跳变后的第N个CK时钟后发送，发送到最后一个数据位刚好是声道数据结尾。

2：在WS高电平表示左声道。

软件配置

SAI接口

SAI接口SAI（Serial Audio Interface）是一种用于音频数据传输的串行接口，使用相较于STM32的SPI/I2S接口开发更为简便，且支持的音频格式更多。一个SAI模块支持两路数据流，通常一路用来录音，一路用来播放声音。

表：SAI引脚定义

SAI和I2S管脚对应表

管脚的叫法也有很多种，注意分辨。位时钟可能叫BCK、CK、SCLK，声道时钟可能叫LRCK、LCK、WS。

图：飞利浦I2S标准时序

表：管脚对应表

SAI	I2S	意义
SAI_SCK	BCLK/CK	位时钟
SAI_MCLK	MCLK	系统时钟
SAI_SD	MOSI/MISO/ SDO/SDI	数据
SAI_FS	LRCK/WS	声道时钟

主从关系

两端设备可配置主从模式，主设备提供时钟信号。设备一端配置接收模式，另一端配置成发送模式，接收模式和发送模式和主从关系无关。

IO配置

IO根据主从关系配置，设计的时候注意输入输出口名称定义，芯片输入口可能定义为SDI/MOSI/MISO，要注意定义！！！

主机端的时钟信号(MCLK、CK、WS)配置成输出和上拉，需要提供较强的驱动力。
从机端的时钟信号(MCLK、CK、WS)配置成输入模式。
发送端的输出口配置成输出和上拉，接收端的输入口配置成输入。

速率计算

I2S传输涉及到三个时钟信号MCLK、CK、WS。硬核I2S配置MCLK即可，模拟I2S需要关注更多细节。

通常情况下：1*MCLK=4*CK=256*WS。如下图可以看到MCLK和WS的对应关系，和每声道有效数据位(16/32)有关。

调试中需要输入外部音源，用来做播放测试。因此读懂采样率、码率、声道数量、有效数据位，是必要的。如下图，这个音频是手动创建的一个音频，2声道，采样率8KHZ，单声道有效数据24位，采样率就是声道的频率。

码率计算=声道数* 采样率 * 单声道有效数据=2 * 8KHZ * 24b = 384kbps。

DMA传输

在STM32H750平台上，DMA1一次性最大可以传输64KB个字节。假设传输64K数据，仅使用CPU的情况下，采样率8KHZ，码率384kbps的数据，需要占用CPU时间(64k*8b)/(384kbps) = 1.3秒。而采用DMA技术，传输时间同样需要1.3秒，而在传输期间，可以挂起音频数据传输线程，执行其他任务，等待DMA传输完成的中断。

音频传输和存储器类的数据传输不同，音频数据不允许有传输的间隔，如果出现传输间隔会造成声音”卡顿“的现象。因此采用”乒乓操作“来传输数据，也就是DMA传输第一个块的数据，预先拷贝第二块数据到指定缓存内，每次传输前数据都处于准备好的状态，代价就是声音稍显“迟滞”和额外的内存消耗，“迟滞”通常不会被人耳察觉到。

表：DMA配置