STM32音频处理：录音与播放实现

基于STM32的录音与播音

设计方案

本设计通过STM32的内置ADC加一个麦克风和放大电路（可以在网上买模块）实现音频的采集，然后存放在SD卡中（这里可以参考我之前的博客FATFS文件系统），然后再读取SD卡里存放的数据通过单片机的内置DAC接一个放大电路和一个喇叭（可以在网上买模块）进行音频播放（参考我前面的博客）。再进行ADC采集和DAC输出时是借助定时器中断，设置定时器的频率就可以设置ADC和DAC的频率了。

通过STM32CUBEMX配置工程

1、配置SDIO和FATFS

参考我前面的博客。https://blog.csdn.net/qq_53000374/article/details/126390968

2、配置DAC和定时器

参考我前面的博客。https://blog.csdn.net/qq_53000374/article/details/126272701

3、配置ADC和定时器

这里只需要配置ADC，定时器和DAC共用一个。

其他的不用管。

添加代码

//main前面
#include "string.h"
/* USER CODE END Includes */

/* Private typedef -----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PTD */
#define KEY0	HAL_GPIO_ReadPin(GPIOE,GPIO_PIN_4)
#define KEY1	HAL_GPIO_ReadPin(GPIOE,GPIO_PIN_3)

#define	val_count_max		5000  //最大采样个数
uint16_t val_count=0;    //实际采样个数

uint16_t val_data[val_count_max]={0};   
uint16_t val_data_buff[val_count_max]={0};

#define DAC_Count 4096
uint8_t DAC_Data[5000]={0};

uint16_t DAC_F=2;  
volatile  uint16_t Time_Count=0;


char* ch_tab="12345";

char read_buff[100]={0};

FATFS fs;  //文件系统工作区指针
FIL fp;   //文件对象结构指针
FRESULT f_res;  //函数放回结果
uint16_t fnum;               /* 文件成功读写数量 */

uint16_t fp_num;   //文件大小
UINT fp_rw_num;  //实际文件读写字节数

uint8_t fp_wriet_flag=0;  //SD卡写标志
uint8_t sound_record_flag=0;   //录音标志

uint8_t fp_read_flag=0;  //SD卡读标志
uint8_t play_record_flag=0;   //播音标志

uint8_t key0_down_flag=0;  //按键按下一次标志，
uint8_t key1_down_flag=0;  //按键按下一次标志，

uint16_t fp_memory=0;

char Read_Data[DAC_Count]={0};
/* USER CODE END PTD */

/* Private define ------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PD */


void KEY_Scanf()
{
	if(KEY0 == 0)  //录音开始和停止
	{
		HAL_Delay(10);
		if(KEY0==0)
		{
			while(!KEY0);
			key0_down_flag=0;
			sound_record_flag = !sound_record_flag;  //0:停止  1:开始
		}
	}
	
	if(KEY1 == 0)
	{
		HAL_Delay(10);
		if(KEY1==0)
		{
			while(!KEY1);
			key1_down_flag=0;
			play_record_flag = !play_record_flag;
		}
	}
}

void KEY_Handle(void)  
{
	if((sound_record_flag != 0) && (key0_down_flag==0))  //开始录音
	{
		key0_down_flag=1;
		val_count=0;
		HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim3);
		HAL_ADC_Start(&hadc1);
	}
	else if((sound_record_flag == 0) && (key0_down_flag==0))  //停止录音
	{
		key0_down_flag=1;
		HAL_TIM_Base_Stop_IT(&htim3);
		HAL_ADC_Stop(&hadc1);
		f_close(&fp);
		f_mount(NULL,"0:",1);		 //取消挂载
	}
	
	if((play_record_flag !=0) && (key1_down_flag==0))  //开始播音
	{
		key1_down_flag=1;
		HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim3);
		HAL_ADC_Start(&hadc1);
		//在外部 SD 卡挂载文件系统，文件系统挂载时会对 SD 卡初始化
    f_res = f_mount(&fs, "0:", 1);	
		f_res = f_open(&fp, "0:ADC_DATA.txt", FA_OPEN_EXISTING | FA_READ);
		
		if(f_res==FR_OK)
    {
			f_lseek(&fp, 44);  //偏移文件起始位置44个字节，后面的就是所需要的数据
			fp_memory=f_size(&fp);
			printf("文件大小:%d\r\n",fp_memory);
		}
	}
	else if((play_record_flag ==0) && (key1_down_flag==0))
	{
		key1_down_flag=1;
		HAL_TIM_Base_Stop_IT(&htim3);
		HAL_ADC_Stop(&hadc1);
		f_close(&fp);
		f_mount(NULL,"0:",1);		 //取消挂载	
	}
}

void FILE_RW_Test(void)   //文件系统读写测试
{
	printf("挂载SD卡驱动\r\n");
	f_res=f_mount(&fs,"0:",1);
	 f_unlink("0:ADC_DATA.txt");
	if(f_res == FR_OK)
	{
		printf("挂载成功\r\n");
		f_res=f_open(&fp,"0:ADC_DATA.txt",FA_WRITE | FA_OPEN_ALWAYS);
		if(f_res == FR_OK)
		{
			printf("文件打开成功\r\n");
			f_res=f_write(&fp,tab,10,&fp_rw_num);
			if(f_res == FR_OK)
			{
				printf("写入成功\r\n实际写入字节数:%d\r\n",fp_rw_num);
			}
		}
	}
	f_close(&fp);
	f_res=f_open(&fp,"0:ADC_DATA.txt",FA_READ | FA_OPEN_ALWAYS);
	if(f_res == FR_OK)
	{
		printf("文件打开成功\r\n");
		f_res=f_read(&fp,read_buff,5,&fp_rw_num);
		if(f_res == FR_OK)
		{
			printf("读取成功\r\n");
			printf("%s\r\n",read_buff);
		}
	}
}

void Audio_SD_Write(void)
{
	if(fp_wriet_flag == 1)
	{
		fp_wriet_flag = 0;
			
		f_res=f_mount(&fs,"0:",1);
		if(f_res == FR_OK)
		{
			printf("挂载成功\r\n");
		}
		else
			printf("挂载失败\r\n");
			
		f_res=f_open(&fp,"0:ADC_DATA.txt",FA_OPEN_ALWAYS | FA_WRITE);
		if(f_res == FR_OK)
			printf("文件打开成功\r\n");
		else
			printf("打开失败\r\n");
		f_lseek(&fp, f_size(&fp));//确保写词写入不会覆盖之前的数据
			
		f_res=f_write(&fp,val_data_buff,4096,&fp_rw_num);
		if(f_res == FR_OK)
		{
			memset(val_data_buff,0,5000);
			printf("写入成功\r\n实际写入字节数:%d\r\n",fp_rw_num);
		}
		else
			printf("写入失败\r\n");
	}
	f_close(&fp);
	f_mount(NULL,"0:",1);		 //取消挂载	
}

void Audio_SD_Read(void)
{
	if(Time_Count>=fnum){  //当DAC输出的字节大于等于读取到的字节数
		Time_Count = 0;
		memset(DAC_Data,0,sizeof(DAC_Data));  //清空数组
		f_res=f_read(&fp,Read_Data,4096,(UINT*)&fnum);//读出4096个字节  
					
		memcpy(DAC_Data,Read_Data,fnum);  //数组复制
	}

	if(f_eof(&fp)) //已经读取完了
	{
		f_lseek(&fp, 44);  //跳过前面44个字节
	}
}
/* USER CODE END PD */

/* Private macro -------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PM */
int wd4;
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
	if(htim->Instance == TIM3)
	{
		if((sound_record_flag !=0) && (play_record_flag ==0))
		{
			val_data[val_count]=HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
			val_count++;
			if(val_count == 2048)
			{
				memcpy(val_data_buff,val_data,sizeof(val_data));
				val_count=0;
				fp_wriet_flag=1;
			}
		}
		
		if((sound_record_flag ==0) && (play_record_flag !=0))
		{
			Time_Count += DAC_F;
			
			wd4 = ((DAC_Data[Time_Count-1]-0x80)<<8)|(DAC_Data[Time_Count-2]);   //将16位的音频数据转为12位。
		
			wd4 = 0xfff & (wd4>>4);
			HAL_DAC_SetValue(&hdac,DAC_CHANNEL_2,DAC_ALIGN_12B_R,wd4);//12位右对齐数据格式设置DAC值
		}
	}
}

//main里面
HAL_DAC_Start(&hdac,DAC_CHANNEL_2);
	
	HAL_TIM_Base_Stop_IT(&htim3);
	HAL_ADC_Stop(&hadc1);
	
	HAL_Delay(1);
	
//	FILE_RW_Test();  //测试函数
	
  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
		KEY_Scanf();
		KEY_Handle();
		
		if((sound_record_flag !=0) && (play_record_flag ==0))
			Audio_SD_Write();  //录音
		else if((sound_record_flag ==0) && (play_record_flag !=0))
			Audio_SD_Read();  //播音
	}
    /* USER CODE END WHILE */

过程中遇到的问题

我在过程中遇到一个问题，就是在进行SD卡写数据时，一直循环写数据会出现写入失败的情况，我在网上找到几个可能的原因：
STM32读写SD卡

​ 问题1：在循环进行写SD卡时，会出来写多次后出现写错误的情况。

​ 问题原因1：

​ 可能是通过APB2总线往FIFO装填数时，发生了中断，导致总线被占用或其他资源被占用，从而无法及时完成FIFO的装填，而后面从FIFO取数的频率又非常快，导致无法取到数。

​ 解决方案1：

​ 在调用f_write之前调用 __disable_irq() 接口关闭中断，写操作完成后调用 __enable_irq()接口启用中断：

__disable_irq()；

if(FR_OK ==f_write())

{ }

else

{}

__disable_irq() ;

优点：简单

缺点：在写操作期间CPU无法响应中断

​ 问题原因2：

​ SD卡写的时候出现了坏块，导致写不成功，在写失败时需要重试一下。

​ 解决方案2：

​ 重写bsp_driver_sd.c文件中的BSP_SD_WriteBlocks函数是_weak 函数，可以在自己的源文件myfile.c中重写该函数，当写发生错误后，清除错误标记，再重试几次即可，在我的单片机上，一般第一次重试即可成功

uint8_t BSP_SD_WriteBlocks(uint32_t *pData, uint32_t WriteAddr, uint32_t NumOfBlocks, uint32_t Timeout)

{

​ int i;

​ for (i = 1; i <= TY_SDIO_RETRY_MAX; i ++)

​ {

​ if (HAL_SD_WriteBlocks(&hsd, (uint8_t *)pData, WriteAddr, NumOfBlocks, Timeout) == HAL_OK)

​ {

​ if (i > 1)

​ printf(“[INFO] SDIO writing succeeded: retry %d.\n”, i);

​ return (MSD_OK); // Succeeded

​ }

​ else

​ {

​ printf(“[ERROR] SDIO writing failure: retry %d, error code %#x, addr %#x, %u blocks.\n”,

​ i, hsd.ErrorCode, WriteAddr, NumOfBlocks);

​ HAL_SD_Abort(&hsd); //clear error flag

​ }

​ }

​ return (MSD_ERROR);

}

优点：上层应用软件不需要更改，也不需要禁用中断

缺点：频率较高时（我的是30MHZ）时，经常会发生写重试

​ 问题原因3：

​ 写速度太快，导致FIFO来不及装填，产生错误，需要降速。

​ 解决方案3：

​ 更改sdio.c中的MX_SDIO_SD_Init函数，将hsd.Init.ClockDiv设置为48分频，即SDIO的频率为主频除以48，我这里为72/48=1.5MHz。

优点：非常简单；无需禁用中断；无需对上层软件进行修改。

缺点：降低了写速度

我这里选择的时第3种，降低SD卡的读写速度

将这里的分频系数修改为48，速度就为72MHz/48.

注意事项：

​ 在挂载SD卡，文件打开，完成一次读或写操作之后，要尽量关闭文件，取消SD卡挂载，下一次操作重新挂载和打开。