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使用STM32的I2S协议读取INMP441麦克风

目录

  • 介绍
  • 事前准备
  • 硬件准备
  • 软件准备
  • 麦克风模块的I2S通信原理
  • 使用Cube设置STM32的I2S通信
  • 电路连接
  • 编写代码
  • 在串口绘图器中查看音频波形

    • 介绍

    本文将详细介绍使用STM32的硬件I2S协议，从麦克风模块INMP441读取音频信号的步骤和避坑指南。

    点这里，从Github下载工程文件

    百度网盘：
    链接：https://pan.baidu.com/s/1cglAGirn6bTQhIEpWDb7Ig?pwd=k9gh
    提取码：k9gh

    事前准备

    硬件准备

    1. INMP441模块：

    2. 主控芯片：我用的是STM32F103ZET6，可以在STM的选型手册上看到哪些芯片带I2S接口，支持I2S协议的最低配STM32芯片是STM32F103R系列。

    3. 用来下载程序的Jlink-OB和用于串口通信的USB转TTL模块。

    软件准备

    1. 本文采用STM32CubeMX生成初始代码 + KeilV5编程的方式，开发STM32程序。
    2. 使用Cube生成一个Keil v5 Project，并调好printf串口打印功能，方便后续开发。这里需读者具备开发STM32程序的基本能力。

    麦克风模块的I2S通信原理

    麦克风模块本质上是一个模数转换器（ADC），不断的把声波震动的幅值转换成数字信号，再通过I2S总线把数据发送到主控芯片。本案例中，I2S总线的主机是STM32，从机是麦克风模块。

    除了电源引脚和芯片使能引脚，INMP441的引脚还包括SCK、SD、WS和L\R：
    SCK：I2S时钟线，是由主机产生的高频方波，用来控制每位数据的传输时序
    SD：I2S数据线，从机通过这根线把AD采样值发送给主机
    WS：I2S声道选择线，I2S协议可以传输左右两个声道的数据，WS信号是由主机发送给从机的，从机根据WS的电平高低，判断当前数据帧发送左声道还是右声道数据，WS低电平时，从机发送左声道数据，高电平发送右声道。
    L/R：芯片左右声道选择线，每个麦克风只能检测一处声源，因此若要进行双声道录音，就要使用两个模块，一左一右放置，然后按照下图连线：
    双声道音频采集电路
    为了让麦克风知道自己是在左边还是右边，就需要将L/R置高（右声道）或置低（左声道）。以上图为例，左边麦克风的L/R接地了，因此在WS=0期间它会将自身的AD采样值发送到SD线，发送完成后它会将SD设置为高阻态（相当于悬空），让出SD线。随后WS=1时，右边的麦克风通过SD线发送右声道数据。因此主机是交替采集左右声道的数据，且不会发生信号冲突。下图是麦克风的I2S时序图：
    INMP441的I2S时序图
    如上图，SCK是由主机生成的高频方波信号，WS的周期是SCK的64倍，因此在WS=1或WS=0的期间，SCK会经历32个周期。从WS下降沿之后的第2个SCK上升沿开始，主机会在每个SCK上升沿读取一位数据，直到第25个SCK上升沿后，主机共读取到了24bit数据。INMP441内置的ADC是24位的，这24bit数据以大端模式传输，组成了左声道的一个采样值。同理，从WS上升沿之后的第2个SCK上升沿开始，主机开始读取右声道的采样值。下图是来自STM32手册的I2S时序图：
    STM32的I2S时序图
    由上图可知，STM32也是从第2个SCK上升沿开始读取数据，与麦克风的协议一致。在WS=0期间CLK共出现32次上升沿，且读取动作滞后了一个SCK周期，导致WS=0期间至多读取31bit数据，因此如果采样值是32bit的，则需要在下一次读取时第一个SCK上升沿时完成最后一位的读取。这解释了上图中，为何MSB receive的左边一位是LSB receive，这是上个数据的最低位。

    下图是使用示波器采集到的I2S波形实例。蓝色是SD信号，黄色是CLK，示波器触发源被设置为WS下降沿，图中波形对应一个完整的24位数值。可以从图中Ch2第二个上升沿开始读取24位数据。麦克风发出的24位采样值是带符号的，因此下面第一张图中，最高是1，代表这个数值是负数，第二张图中的采样值是正数。

    使用Cube设置STM32的I2S通信

    以上是对I2S通信原理的解释，下面开始创建STM32程序。打开Cube，按照下图设置：
    使用Cube设置STM32的I2S通信
    使用Cube设置STM32的I2S通信
    上图中，8kHz频率是最低选项，这是为了方便测试，可以调通后再提高。添加DMA以提高数据存取速度，DMA Mode选择Circular，这样STM32会连续不断的进行DMA存取操作，不必频繁调用读取命令。Data With暂时选择Word，也就是32位的。

    在Cube中设置完成后，点击生成代码，然后在Keil中打开Project。

    可以看到在Keil中，出现了i2s的库文件stm32f1xx_hal_i2s.c和初始化文件i2s.c，其中stm32f1xx_hal_i2s.c内有各个i2s的驱动函数和使用说明，i2s.c中是Cube根据上面的设置，生成的I2S通信初始化函数。

    电路连接

    在Cube上查看STM32的引脚分配如下：

    本次案例不需双声道，只接一个麦克风，按照下图接线：
    单声道音频采集接线
    如上图，建议给SD线接一个10k的下拉电阻（模块本身是不下拉的）。这是因为，在每个24bit数据传输完成后，麦克风会立即将SD线设为高阻态，此时如果没有下拉，SD线会缓慢衰减到0V（如左下图所示），导致STM32会在第25bit读取到一个“1”，对开发工作造成误导。 右下图是不下拉时读取到的数据，图中数据最后的16进制“80”即二进制的1000 0000，这个1是多余的。

    物理连线：

    编写代码

    打开main.c，自己添加的代码都要放在Cube注释指定的位置，否则再次用Cube生成代码时会被覆盖。先放上连续的main.c文件（省略了最后一些自动生成的代码)，下文会对各个需要添加代码的地方进行说明。

    /* USER CODE BEGIN Header */
/**
  ******************************************************************************
  * @file           : main.c
  * @brief          : Main program body
  ******************************************************************************
  * @attention
  *
  * Copyright (c) 2022 STMicroelectronics.
  * All rights reserved.
  *
  * This software is licensed under terms that can be found in the LICENSE file
  * in the root directory of this software component.
  * If no LICENSE file comes with this software, it is provided AS-IS.
  *
  ******************************************************************************
  */
/* USER CODE END Header */
/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "main.h"
#include "dma.h"
#include "i2s.h"
#include "usart.h"
#include "gpio.h"

/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include <stdio.h>
//#include "stm32f1xx_hal.h"
/* USER CODE END Includes */

/* Private typedef -----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PTD */

/* USER CODE END PTD */

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

/* Private macro -------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PM */

/* USER CODE END PM */

/* Private variables ---------------------------------------------------------*/

/* USER CODE BEGIN PV */
uint32_t dma[4];
uint32_t val24;
int val32;
/* USER CODE END PV */

/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
void SystemClock_Config(void);
/* USER CODE BEGIN PFP */

/* USER CODE END PFP */

/* Private user code ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN 0 */
unsigned cb_cnt=0;
//I2S接收完成回调函数
void HAL_I2S_RxCpltCallback(I2S_HandleTypeDef *hi2s)
{
	if(hi2s==&hi2s2){
		cb_cnt++;//回调次数计数
		//将两个32整型合并为一个
		//dat32 example: 0000fffb 00004f00
		val24=(dma[0]<<8)+(dma[1]>>8);
		//将24位有符号整型扩展到32位
		if(val24 & 0x800000){//negative
			val32=0xff000000 | val24;
		}else{//positive
			val32=val24;
		}
		//以采样频率的十分之一，串口发送采样值
		if(cb_cnt%10==0)
			printf("%d\r\n",val32);
	}
}
/* USER CODE END 0 */

/**
  * @brief  The application entry point.
  * @retval int
  */
int main(void)
{
  /* USER CODE BEGIN 1 */

  /* USER CODE END 1 */

  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/

  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();

  /* USER CODE BEGIN Init */

  /* USER CODE END Init */

  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();

  /* USER CODE BEGIN SysInit */

  /* USER CODE END SysInit */

  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_USART1_UART_Init();
  MX_DMA_Init();
  MX_I2S2_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */

  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  //开启DMA传输
  HAL_I2S_Receive_DMA(&hi2s2,(uint16_t*)dma,4);	
  while (1)
  {
  	HAL_Delay(10);
	
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
  }
  /* USER CODE END 3 */
}
//后面都是Cube自动生成的代码，省略

    以下是详细介绍：
    加入stdio.h文件，是为了避免printf函数出现警告。仅添加这一行代码不能实现printf串口输出功能，具体操作可以去网上搜索。

    /* USER CODE BEGIN Includes */
#include <stdio.h>
/* USER CODE END Includes */

    添加全局变量，数组dma[]是一个缓冲区，芯片将硬件I2S读取到的数据通过DMA传送到这个数组，无须主程序的干预。val24是用来存储24位原始采样值的。val32是将val24扩展到32位得到的结果。具体数据转换逻辑见下文。

    /* USER CODE BEGIN PV */
uint32_t dma[4];
uint32_t val24;
int val32;
/* USER CODE END PV */

    在main函数前，添加I2S接收回调函数。在回调函数之前定义了全局变量cb_cnt，用来计算回调函数被执行的次数。回调函数中的代码是把原始的采样数据转换为32位有符号整型，然后以十分之一的采样速率，把转换结果发送到串口，用来在上位机的串口绘图器上观察波形。

    /* USER CODE BEGIN 0 */
unsigned cb_cnt=0;
//I2S接收完成回调函数
void HAL_I2S_RxCpltCallback(I2S_HandleTypeDef *hi2s)
{
	if(hi2s==&hi2s2){
		cb_cnt++;//回调次数计数
		//将两个32整型合并为一个
		//dat32 example: 0000fffb 00004f00
		val24=(dma[0]<<8)+(dma[1]>>8);
		//将24位有符号整型扩展到32位
		if(val24 & 0x800000){//negative
			val32=0xff000000 | val24;
		}else{//positive
			val32=val24;
		}
		//以采样频率的十分之一，串口发送采样值
		if(cb_cnt%10==0)
			printf("%d\r\n",val32);
	}
}
/* USER CODE END 0 */

    主函数中，仅需在while循环前加了一个函数HAL_I2S_Receive_DMA()，以开启DMA传输：

      HAL_I2S_Receive_DMA(&hi2s2,(uint16_t*)dma,4);

    由于前面将DMA Mode设置为了Circular，因此只需要调用一次该函数，就能开启DMA的连续存取。该函数的原文注释如下：

    /**
  * @brief  Receive an amount of data in non-blocking mode with DMA
  * @param  hi2s pointer to a I2S_HandleTypeDef structure that contains
  *         the configuration information for I2S module
  * @param  pData a 16-bit pointer to the Receive data buffer.
  * @param  Size number of data sample to be sent:
  * @note   When a 16-bit data frame or a 16-bit data frame extended is selected during the I2S
  *         configuration phase, the Size parameter means the number of 16-bit data length
  *         in the transaction and when a 24-bit data frame or a 32-bit data frame is selected
  *         the Size parameter means the number of 24-bit or 32-bit data length.
  * @note   The I2S is kept enabled at the end of transaction to avoid the clock de-synchronization
  *         between Master and Slave(example: audio streaming).
  * @retval HAL status
  */
HAL_StatusTypeDef HAL_I2S_Receive_DMA(I2S_HandleTypeDef *hi2s, uint16_t *pData, uint16_t Size)

    根据以上说明，最后一个参数size的单位是由数据帧的长度决定的。前面在Cube中设置的数据格式为24 Bits Data on 32 Bits Frame，因此DMA读取数据的总长度为size×4字节。前面定义的DMA缓冲区是一个长度为4的uint32_t型数组，缓冲区中的数据格式为：前2个元素表示左声道数据，后2个表示右声道数据。根据前面的电路图，本次试验只接了一个左声道的麦克风，因此右声道数据始终为0.以下是在数组dma[]中，左声道数据的示例：

    可以观察出，dma[0]左移8位 + dma[1]右移8位，就得到了24位采样值。例如将0000fff5 00007700合并为0xfff577：

    val24 = (buf32[0]<<8) + (buf32[1]>>8);

    在这个DMA数据获取的阶段非常容易出错，最终的数据格式和在Cube中设置的DMA Data With、main.c中DMA缓冲数组的元素类型和DMA接收函数的参数值size都有关系，在我之前的测试中，如果把缓冲区元素转为uint8_t，就会得到不一样的结果，24bit采样值被拆分为3个字节，且未必是高位字节在前、低位字节在后的排列顺序。总之需要小心修改，通过把数据打印到串口，来寻找规律。按照本文的配置，接收到的原始数据是用2个32位无符号整型表示一个采样值，这应该不是最佳的格式，但我没有继续试验，读者可以尝试在Cube中把Data With设为Half-Word再进行测试。

    麦克风发送的数值是24位二进制补码的形式，二进制补码也是单片机存储有符号整型的方式，因此可以将采样值视为24位有符号整型，为了与C语言的整型格式一致，需要将这个24位整型扩展到32位，方法为：正数保持不变，对于负数在左边加一个0xff。例如24位数0xfff577，它的最高位（符号位）是1，代表负数，因此转换为0xffff f577，代码如下：

    		if(val24 & 0x800000){//negative
			val32=0xff000000 | val24;
		}else{//positive
			val32=val24;
		}

    在串口绘图器中查看音频波形

    使用串口绘图工具SerialPlot查看声音波形，SerialPlot相当于一个带波形绘制功能的串口助手，它的下载和使用方法可以到网上搜到。由于声音采样速度比较快，在上面回调函数中我把串口发送频率设成了采样频率的十分之一。

    可在图中看到波形随着外界声音而波动，声音越响幅值越大，这说明采集到的数据是正常的。

    至此实验完成。本文使用STM32的硬件I2S协议和DMA功能实现了对INMP441音频数据的采集，并将数据化为了有符号整型格式，以便进一步处理。

    平时比较忙，不常看消息，评论区回得慢或者没回，请见谅！

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