音響數據的采集、處理和傳輸是多媒體技術的重要組成部分。眾多的數字音頻系統已經進入消費市場，例如數字音頻錄音帶、數字聲音處理器。對于設備和生產廠家來說，標準化的信息傳輸結構可以提高系統的適應性。

I2S(Inter—IC Sound)總線是飛利浦公司為數字音頻設備之間的音頻數據傳輸而制定的一種總線標準，該總線專責于音頻設備之間的數據傳輸，廣泛應用于各種多媒體系統。它采用了沿獨立的導線傳輸時鐘與數據信號的設計，通過將數據和時鐘信號分離，避免了因時差誘發的失真，為用戶節省了購買抵抗音頻抖動的專業設備的費用。在飛利浦公司的 I2S 標準中，既規定了硬件接口規范，也規定了數字音頻數據的格式。

I2S 總線接口有 3 個主要信號，但只能實現數據半雙工傳輸，后來為實現全雙工傳輸有些設備增加了擴展數據引腳。

MM32F3270 系列控制器支持 I2S 總線接口，本章節在接下來會對MM32F3270 I2S進行介紹，并使用MM32F3270和CS4344芯片進行I2S通信來演示播放MP3。

01、I2S 主要特征

1）半雙工通信（僅發射機或接收機）

2）主操作或從操作

3）8 位可編程線性預分頻器，以達到精確的音頻采樣頻率（ 8KHz 到 192KHz）

4）數據格式可以是 16 位、 24 位或 32 位

5）數據包幀固定為 16 位（16 位數據幀）或 32 位（16 位、 24 位、 32 位數據幀）

6）可編程時鐘極性（穩定狀態）

7）發射模式下的下溢標志（僅從機），接收模式下的上溢標志（主和從機）和接收/發射模式下的幀錯誤標志（僅從機）

8）用于傳輸和接收的 32 位寄存器為兩個聲道分時復用

9）支持 I2S 協議：

– 飛利浦標準
– MSB 對齊標準（左對齊）
– LSB 對齊標準（右對齊）
– PCM 標準（在 16 位信道幀上具有短幀和長幀同步或擴展到 32 位信道幀的 16 位數據幀）

10）數據方向始終是 MSB 優先

11）DMA 傳輸能力（ 32 位寬）

12）可配置輸出 MCLK 來驅動外部音頻組件，比率固定在 256× FS（其中 FS 為音頻采樣頻率）

02、I2S 總線接口

I2S 與 SPI 共用三個公共管腳：

1）SD：串行數據（映射在 MOSI 管腳上），用于發送或接收兩次多路數據通道（僅在半雙工模式下）。

2）WS：聲道選擇（映射在 NSS 引腳上），是 master 中的數據控制信號輸出模式和從模式輸入。

3）CK：串行時鐘（映射在 SCK 引腳上），是主模式下的串行時鐘輸出以及從機模式下的串行時鐘輸入。

4）當某些外部設備需要主時鐘輸入時，可以使用一個附加的管腳輸出時鐘到音頻設備。

5）MCK：驅動時鐘（映射在 MISO 引腳上），用于驅動外部音頻組件，僅主模式時使用。

03、I2S 數據格式

三線總線處理音頻數據的線路必須經過分時復用兩個聲道：右聲道和左聲道。但是只有一個 32 位寄存器用于傳輸或接收。所以由軟件依次配置寄存器 TXREG 為每個聲道側的值，或依次讀取寄存器 RXREG的數據。總是先發送左聲道，然后發送右聲道（ CHSIDE 對 PCM 協議沒有意義）。

數據可采用以下格式發送：

1) 16 位數據打包在 16 位幀中

2) 16 位數據打包在 32 位幀中

3) 24 位數據打包在 32 位幀中

4) 32 位數據打包在 32 位幀中

當使用 32 位幀上發送 16 位數據時，前 16 位（MSB）是有效的位，16 位 LSB 制為 0，無需任何軟件操作，通過硬件實現。其他格式相似。

04、通信標準

對于所有數據格式和通信標準，總是先發送最高位（ MSB 優先）。I2S 接口支持四種音頻標準，可通過配置 SPI_I2S_I2SCFGR 寄存器的 I2SSTD[1:0]和 PCMSYNC 進行切換。

飛利浦標準

對于本標準， WS 信號用于指示正在傳輸的聲道。發射器在 CK 的下降沿鎖存數據，接收器并在 CK的上升讀取數據。WS 信號也在 CK 的下降沿被鎖定。對于這種標準 I2S 格式的信號，無論有多少位有效數據，數據的最高位總是出現在 WS 變化（也就是一幀開始）后的第 2 個 CK 脈沖處。

飛利浦標準示意圖

MSB 對齊標準

對于這個標準，第一個數據在 WS 變化后的第一個沿有效。

MSB 對齊標準示意圖

LSB 對齊標準

LSB 對齊標準示意圖

PCM 標準

對于 PCM 標準，不需要使用聲道信息。PCM 有兩個模式：短幀模式和長幀模式，通過配置SPI_I2S_I2SCFGR 寄存器的 PCMSYNC 位進行切換。在 PCM 模式下，輸出信號（WS， SD）在 CK 信號的上升沿進行采樣。輸入信號（WS， SD）在 CK 下降沿被捕獲。注意在主模式下， CK 和 WS 被配置為輸出。

PCM 標準示意圖

05、基于MM32F3270的音頻播放實驗

CS4344芯片是實現本次實驗功能的重要器件之一。CS4344是一種立體聲音頻數模轉換器 (DAC) ，可使用單個 +3.3 V 或 +5 V 電源，僅需要最小的支持電路。該系列線性模擬低通濾波器和自動速度模式檢測，當自動選擇 2 kHz 和 200 kHz 之間的采樣率，使用采樣率和主時鐘速率方法。

本實驗的基本原理是MM32F3270 讀取SD卡中的MP3文件，并對其解碼得到PCM信號，通過I2S接口將PCM信號傳輸給CS4344，由CS4344進行DA轉換輸出模擬信號，再經過TS4871（音頻功率放大器）連接到耳機接口，可以接入耳機等音頻播放裝置。

硬件設計

如圖是MB-039的I2S部分，完整原理圖可以通過官網下載。

各個信號引腳對應如下：

程序設計

根據接口電路配置GPIO初始化

static void I2S3_GPIO_Config(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    // I2S  MCLK, SD, CK and WS pins configuration
    RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_GPIOA | RCC_AHBPeriph_GPIOB, ENABLE);
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1ENR_SPI3, ENABLE);

    GPIO_PinAFConfig(GPIOA, GPIO_PinSource15, GPIO_AF_6); //I2S WS
    GPIO_PinAFConfig(GPIOB, GPIO_PinSource3, GPIO_AF_6);      //I2S CK  I2S_SCK
    GPIO_PinAFConfig(GPIOB, GPIO_PinSource5, GPIO_AF_6);     //I2S SD  I2S_DATAOUT  MOSI
    GPIO_PinAFConfig(GPIOC, GPIO_PinSource7, GPIO_AF_5);  //I2S MCK I2S_MCLK

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_15;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_Init(GPIOA,  GPIO_InitStructure);

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_3 | GPIO_Pin_5;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_Init(GPIOB,  GPIO_InitStructure);


    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_7;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_Init(GPIOC,  GPIO_InitStructure);

    // config as the control I/O for power on or enter standby
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_Init(GPIOB,  GPIO_InitStructure);
}

I2S配置初始化

   static void I2S_Mode_Config(SPI_I2S_STANDARD_TypeDef usStandard, SPI_I2S_DATAFORMAT_TypeDef usWordLen, SPI_I2S_AUDIO_FREQ_TypeDef usAudioFreq, SPI_I2S_TRANS_MODE_TypeDef usMode)
{
    I2S_InitTypeDef I2S_InitStructure;

    if ((usMode == I2S_Mode_SlaveTx)    (usMode == I2S_Mode_SlaveRx)) {
        return;
    }
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1ENR_SPI3, ENABLE);
    SPI_DeInit(SPI3);
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1ENR_SPI3, ENABLE);
    if (usMode == I2S_Mode_MasterTx) {
        I2S_InitStructure.I2S_Mode = I2S_Mode_MasterTx;
        I2S_InitStructure.I2S_Standard = usStandard;
        I2S_InitStructure.I2S_DataFormat = usWordLen;
        I2S_InitStructure.I2S_MCLKOutput = I2S_MCLKOutput_Enable;
        I2S_InitStructure.I2S_AudioFreq = usAudioFreq;
        I2S_InitStructure.I2S_CPOL = I2S_CPOL_Low;
        I2S_Init(SPI3,  I2S_InitStructure);
    }
    else if (usMode == I2S_Mode_MasterRx) {
        I2S_InitStructure.I2S_Mode = I2S_Mode_MasterRx;
        I2S_InitStructure.I2S_Standard = usStandard;
        I2S_InitStructure.I2S_DataFormat = usWordLen;
        I2S_InitStructure.I2S_MCLKOutput = I2S_MCLKOutput_Enable;
        I2S_InitStructure.I2S_AudioFreq = usAudioFreq;
        I2S_InitStructure.I2S_CPOL = I2S_CPOL_Low;
        I2S_Init(SPI3,  I2S_InitStructure);
    }

    SPI_DMACmd(SPI3, ENABLE);
    I2S_Cmd(SPI3, ENABLE);
}

（1）I2S_Mode：I2S 模式選擇，可選主機發送、主機接收、從機發送以及從機接收模式，它設定SPI_I2S_GCTL寄存器MODE位的值。一般設置 MM32 控制器為主機模式，當播放聲音時選擇發送模式，當錄制聲音時選擇接收模式。

（2） I2S_Standard：通信標準格式選擇，可選 I2S Philips 標準、左對齊標準、右對齊標準、 PCM 短幀標準或 PCM 長幀標準，它設定SPI_I2S_I2SCFGR 寄存器 I2SSTD位和 PCMSYNC位的值。一般設置為 I2S Philips 標準即可。

（3）I2S_DataFormat：數據格式選擇，設定有效數據長度和幀長度，可選標準 16bit 格式、擴展16bit(32bit 幀長度) 格式、 24bit 格式和 32bit 格式，它設定 SPI_I2SCFGR 寄存器 DATLEN 位和CHLEN 位的值。對應 16bit 數據長度可選 16bit 或 32bit 幀長度，其他都是 32bit 幀長度。

（4）I2S_MCLKOutput：主時鐘輸出使能控制，可選使能輸出或禁止輸出，它設定 SPI_I2SPR 寄存器 MCKOE 位的值。為提高系統性能一般使能主時鐘輸出。

（5）I2S_AudioFreq：采樣頻率設置，標準庫提供采樣采樣頻率選擇，分別為 4KHz、8kHz、 11kHz、12KHz、16kHz、22kHz、32kHz、44kHz、48kHz、96kHz、192kHz 以及默認 2Hz，它設定 SPI_I2S_SPBRG 寄存器的值。

（6）I2S_CPOL：空閑狀態的 CK 線電平，可選高電平或低電平，它設定 SPI_I2S_CCTL 寄存器 CPOL位的值。一般設置為低電平即可。

在I2S_StartPlay()函數中調用I2S_Mode_Config()函數，

   void I2S_StartPlay(SPI_I2S_STANDARD_TypeDef usStandard, SPI_I2S_DATAFORMAT_TypeDef usWordLen, SPI_I2S_AUDIO_FREQ_TypeDef usAudioFreq)
{
    // config I2S interface as standard, bit length, frequence ,the Master Tx mode
    I2S_Mode_Config(usStandard, usWordLen, usAudioFreq, I2S_Mode_MasterTx);
    SPI3->GCTL |= 0xF;
}

在PlayMP3FileDemo()函數中調用I2S_StartPlay()函數，并配置傳輸模式為主機發送I2S_Mode_MasterTx，選擇Phillips標準，16位數據長度，采樣頻率配置為44KHz。

    I2S_StartPlay(I2S_Standard_Phillips, I2S_DataFormat_16b, I2S_AudioFreq_44k);

PlayMP3File()函數是 MP3 播放器的實現函數，定義如下：

   void PlayMP3File(void)
{
    DIR dirs;
    FILINFO finfo;
    FRESULT res;
    static UINT br;

    DELAY_Init();
    RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_GPIOA | RCC_AHBPeriph_GPIOB | RCC_AHBPeriph_GPIOC | RCC_AHBPeriph_GPIOD | RCC_AHBPeriph_GPIOE, ENABLE);
    RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBENR_SDIO, ENABLE);
    CONSOLE_Init(115200);

    SDIO_ConfigInit();
    printf("SDCARD TESTrn");
    while(SD_Init()) {
        printf("SD Card Error!rn");
    }
    MX_FATFS_Init();
    f_mount( SDFatFS, (TCHAR const*)SDPath, 0);

    u8 buff[2] = {0x01, 0x02};
    I2S_TX_DMA_Init( buff[0], 1);
    DMA_Cmd(DMA2_Channel2, ENABLE);

//  while(1){
    if (f_opendir( dirs, "") == FR_OK) {              //success to open directory
        while (f_readdir( dirs,  finfo) == FR_OK) {       //if there is file in this directory
            if (finfo.fattrib   AM_ARC) {
                if(!finfo.fname[0])
                    break;
                printf("rn Now Playing:[");
                printf(finfo.fname);
                printf("]rn");
                res = f_open( fsrc, finfo.fname, FA_OPEN_EXISTING | FA_READ);
                SET_BIT(SPI3->GCR, SPI_GCR_SPIEN);
                MODIFY_REG(DMA2_Channel2->CCR, DMA_CCR_EN, ENABLE CCR, DMA_CCR_EN, DISABLE << DMA_CCR_EN_Pos);
                f_close( fsrc);
                bytesLeft = 0;
            }
        }
    }
    while(1);
//   }

}

MP3文件是經過壓縮算法壓縮而存在的，為得到 PCM 信號，需要對 MP3 文件進行解碼。本實驗使用Helix MP3解碼器，Helix MP3 解碼器的源代碼是開源代碼，受制于源代碼隨附文件中描述的許可協議。該算法支持浮點和定點實現，可移植到任意32位定點處理器上運行，提供對 MPEG-1、 MPEG-2 以及 MPEG-2.5 標準的 Layer3 解碼，以及支持可變位速率、恒定位速率，以及立體聲和單聲道音頻格式。關于Helix MP3解碼器的移植，在本文中不做重點講述，更多信息可訪問網站：

https://datatype.helixcommunity.org/Mp3dec

f_open 函數用于打開文件，如果文件打開失敗則直接退出播放。

MP3InitDecoder 函數用于初始化Helix 解碼器，分配解碼器必須內存空間，如果初始化解碼器失敗直接退出播放。

f_read 函數從 SD 卡讀取 MP3 文件數據，存放在 readBuf緩沖區中， br變量保存實際讀取到的數據的字節數。如果讀取數據失敗則運行 MP3FreeDecoder 函數關閉解碼器后退出播放器。

MP3Decode 函數開始對源數據緩沖區中幀數據進行解碼，通過函數返回值可判斷得到解碼狀態，如果發生解碼錯誤則執行對應的代碼。

讀取到文件末尾就退出循環， 此時MP3文件已經完整播放。

實驗演示

SD卡中存儲有MP3文件，并將SD卡、耳機設備接入MB-039開發板，運行程序，就可以聽到音樂播放。

本次實驗的例程可以通過MindMotion的官網下載MM32F3270 lib_Samples：

工程路徑如下：

~MM32F327x_SamplesDemo_appPlayWave_DemoSPI_I2S_SDIO_FatFsMP3_CS4344_Demo

可以看到詳細的樣例與功能操作。

下章的題目為《使用MM32F3270 的SDIO 驅動SD卡》講解通過SDIO外接MicroSD卡的實現。

來源：靈動MM32MCU

審核編輯：湯梓紅