《STM32F407 探索者开发指南》第六十四章 USB声卡(Slave)实验

正点原子运营

第六十四章 USB声卡(Slave)实验

1）实验平台：正点原子探索者STM32F407开发板

2) 章节摘自【正点原子】STM32F407开发指南 V1.1

3）购买链接:https://detail.tmall.com/item.htm?id=609294673401

4）全套实验源码+手册+视频下载地址：http://www.openedv.com/docs/boards/stm32/zdyz_stm32f407_explorerV3.html

5）正点原子官方B站：https://space.bilibili.com/394620890

6）STM32技术交流QQ群:151941872

上一章我们向大家介绍了如何利用STM32F407的USB接口来做一个USB读卡器，本章我们将利用STM32F407的USB来做一个声卡。本章分为如下几个部分：

64.1 USB声卡简介

64.2 硬件设计

64.3 软件设计

64.4 下载验证

64.1 USB声卡简介

USB声卡依赖于USB音频类（USB Audio Class），一个像USB通用的数据接口，可以实现数字音频的数据传输。

正点原子探索者STM32F407开发板板载了一颗高性能CODEC芯片：ES8388，我们可以利用STM32F407的I2S接口，控制ES8388播放音乐，同样，如果结合STM32F407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à1，STM32CubeF4固件包à STM32Cube_FW_F4_V1.26.0àProjectsà STM324xG_EVAL

àApplicationsàUSB_DeviceàAudio_Standalone，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。

64.2 硬件设计

1. 例程功能

本节实验功能简介：先将开发板通过USB_SLAVE连接电脑，开发板开机的时候先提示一些信息，然后开始USB配置，在配置成功之后就可以在电脑上发现多出一个声卡。我们在LCD液晶屏上显示USB的连接状态，如果连接成功，此时，我们可以通过耳机或开发板板载喇叭，可以听到来自电脑电脑的音频信号，还可以通过两个按键调节ES8388音量：按键KEY0可以增大音量，按键KEY2可以减少音量。LED0闪烁，提示程序运行。USB和电脑连接成功，LED1常亮，USB断开连接，LED1灭。

2. 硬件资源

1）LED灯

LED0 – PF9

LED1 – PF10

2）独立按键

KEY0 – PE4

KEY1 – PE3

KEY2 – PE2

KEY_UP – PA0  (程序中的宏名:WK_UP)

3）串口1 (PA9/PA10连接在板载USB转串口芯片CH340上面)

4）正点原子 2.8/3.5/4.3/7寸TFTLCD模块(仅限MCU屏，16位8080并口驱动)

5）ES8388音频CODEC芯片，通过I2S驱动

6）I2S音频接口

7）USB_SLAVE接口(D-/D+连接在PA11/PA12上)

8）外部SRAM芯片,通过FSMC驱动

64.3 程序设计

62.3.1 程序流程图                           

图64.3.1.1 USB声卡实验程序流程图

64.3.2 程序解析

这里我们只讲解核心代码，详细的源码请大家参考光盘本实验对应源码。

本章，我们在实验43 音乐播放器实验的基础上修改，把不需要的文件从工程中移除，在Middlewares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64.3.2.1所示的工程：   

图64.3.2.1USB声卡工程截图

1. USB驱动代码

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。

usbd_conf.c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，但是需要在usbd_conf.h中定义音频频率，代码如图下。

1. /* AUDIO Class Config */
   
2. /* ST USB库目前只支持这一个采样率, 设置其他采样率无法正常工作 */
   
3. #define USBD_AUDIO_FREQ                       48000

复制代码

usbd_desc.c/usbd_desc.h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USB Audio例程的就行。

usbd_audio_if代码，是USB声卡的接口文件，usbd_audio.c对外的所有接口函数，都在该.c文件里面，然后通过stm32f407_audio.c文件里面提供的相关函数，分别实现各个接口函数。该文件不需要做太多修改，这里我们就不做介绍了，详见本例程源码。

stm32f407_audio.c代码，是我们重点要修改的，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ES8388，需要修改代码，修改后代码如下：

1. uint8_t g_volume = 0;    /* 当前音量 */
   
2. /* USB数据输出状态,在usbd_audio.c里面定义 */
   
3. extern uint8_t g_usbd_audio_dataout_en;
   
4. /**
   
5. *@brief        播放时,I2S DMA传输回调函数
   
6. *@param        无
   
7. *@retval       无
   
8. */
   
9. voidbsp_audio_i2s_dma_callback(void)
   
10. {
    
11.    BSP_AUDIO_OUT_TransferComplete_CallBack();    /* 执行回调函数,更新数据 */
    
12. }
    
13. /**
    
14. *@brief   配置音频接口
    
15. *@param   OutputDevice    :输出设备选择,未用到.
    
16. *@param   Volume           :音量大小, 0~100
    
17. *@param   AudioFreq       :音频采样率
    
18. *@retval                    操作结果
    
19. *  @arg                      0    , 成功
    
20. *  @arg                      其他 , 错误代码
    
21. */
    
22. uint8_t BSP_AUDIO_OUT_Init(uint16_t OutputDevice, uint8_t Volume,
    
23.                                  uint32_t AudioFreq)
    
24. {
    
25.    es8388_i2s_cfg(0, 3);    /* 飞利浦标准,16位数据长度 */
    
26.     /*飞利浦标准,主机发送,时钟低电平有效,16位扩展帧长度 */
    
27.     i2s_init(I2S_STANDARD_PHILIPS, I2S_MODE_MASTER_TX, I2S_CPOL_LOW,
    
28.               I2S_DATAFORMAT_16B_EXTENDED);
    
29.    i2s_samplerate_set(AudioFreq);      /* 设置采样率 */
    
30.    BSP_AUDIO_OUT_SetVolume(Volume);    /* 设置音量 */
    
31.     /* 回调函数指 bsp_audio_i2s_dma_callback */
    
32.    i2s_tx_callback = bsp_audio_i2s_dma_callback;
    
33.    
    
34.    printf("EVAL_AUDIO_Init:%d,%d\r\n", Volume, AudioFreq);
    
35.    
    
36.     return 0;
    
37. }
    
38. /**
    
39. *@brief   开始播放音频数据
    
40. *@param   pBuffer    : 音频数据流首地址指针
    
41. *@param   Size         :数据流大小(单位:字节)
    
42. *@retval                操作结果
    
43. *  @arg                 0    , 成功
    
44. *  @arg                 其他 , 错误代码
    
45. */
    
46. uint8_t BSP_AUDIO_OUT_Play(uint16_t* pBuffer, uint32_t Size)
    
47. {
    
48.    i2s_tx_dma_init((uint8_t*) pBuffer, 0, Size);    /* 配置I2S TX DMA */
    
49.    I2S_TX_DMASx->CR &= ~(1 << 8);      /* 单次模式 */
    
50.    I2S_TX_DMASx->CR &= ~(1 << 18);     /* 改成单缓冲模式 */
    
51.    i2s_play_start();                      /* 开启DMA */
    
52.    
    
53.    printf("EVAL_AUDIO_Play:%x,%d\r\n", pBuffer, Size);
    
54.    
    
55.     return 0;
    
56. }
    
57. /**
    
58. *@brief   切换音频数据流buffer,每次DMA中断完成会调用该函数
    
59. *@param   pData   : 音频数据流缓存首地址
    
60. *@param   Size    : 音频数据流大小(单位:harf word,也就是2个字节)
    
61. *@retval            : 无
    
62.   */
    
63. voidBSP_AUDIO_OUT_ChangeBuffer(uint16_t *pData, uint16_t Size)
    
64. {
    
65.     if (g_usbd_audio_dataout_en== 1)        /* USB有音频数据输出 */
    
66.     {
    
67.        g_usbd_audio_dataout_en = 0;         /* 清除标记位 */
    
68.     }
    
69.     else if (g_usbd_audio_dataout_en== 0)  /* 没有收到任何数据,全部填充0 */
    
70.     {
    
71.        my_mem_set(pData, 0, AUDIO_TOTAL_BUF_SIZE);
    
72.        g_usbd_audio_dataout_en = 2;          /* 标记已经清零了buffer,停止数据输出 */
    
73.     }
    
74.     if (Size !=AUDIO_TOTAL_BUF_SIZE)
    
75.     {   /* 想观察数据,可以printf,但是会有轻微的影响音质 */
    
76.        // printf("chgbuf:%x,%d\r\n",pData, Size);
    
77.     }
    
78.    I2S_TX_DMASx->CR &= ~(1 << 0);           /* 关闭DMA传输 */
    
79.     while (I2S_TX_DMASx->CR & 0X1);          /* 确保DMA可以被设置 */
    
80.    I2S_TX_DMASx->NDTR = Size ;               /* 设置传输长度 */
    
81.    I2S_TX_DMASx->CR |= 1 << 0;               /* 开启DMA传输 */
    
82. }
    
83. /**
    
84. *@brief        停止播放
    
85. *@retval      操作结果
    
86. *  @arg        0    , 成功
    
87. *  @arg        其他 , 错误代码
    
88. */
    
89. uint8_t BSP_AUDIO_OUT_Pause(void)
    
90. {
    
91.    printf("EVAL_AUDIO_Stop\r\n");
    
92.     return 0;
    
93. }
    
94. /**
    
95. *@brief   停止播放
    
96. *@param   Option   : 未用到
    
97. *@retval            操作结果
    
98. *  @arg              0    , 成功
    
99. *  @arg              其他 , 错误代码
    
100. */
     
101. uint8_t BSP_AUDIO_OUT_Stop(uint32_t Option)
     
102. {
     
103.    printf("EVAL_AUDIO_Stop\r\n");
     
104.     return 0;
     
105. }
     
106. /**
     
107. *@brief   音量设置
     
108. *@param   Volume:音量大小, 0~100
     
109. *@retval           操作结果
     
110. *  @arg             0    , 成功
     
111. *  @arg             其他 , 错误代码
     
112. */
     
113. uint8_t BSP_AUDIO_OUT_SetVolume(uint8_t Volume)
     
114. {
     
115.    g_volume = Volume;
     
116.    es8388_hpvol_set(g_volume * 0.3);
     
117.    es8388_spkvol_set(g_volume * 0.3);
     
118.     return 0;
     
119. }
     
120. /**
     
121. *@brief   静音设置
     
122. *@param   Cmd     : 0,不静音; 1,静音
     
123. *@retval            操作结果
     
124. *  @arg              0    , 成功
     
125. *  @arg              其他 , 错误代码
     
126. */
     
127. uint8_t BSP_AUDIO_OUT_SetMute(uint32_t Cmd)
     
128. {
     
129.     if(Cmd)
     
130.     {
     
131.        es8388_output_cfg(0, 0);     /* 关闭输出 ,就是静音 */
     
132.     }else
     
133.     {
     
134.        es8388_output_cfg(1, 1);     /* 打开输出 ,取消静音 */
     
135.     }
     
136.    
     
137.    printf("BSP_AUDIO_OUT_SetMute:%d\r\n", Cmd);
     
138.     return 0;
     
139. }

复制代码

本例程工作的时候，当USB连接成功，并完成识别以后，会先调用BSP_AUDIO_OUT_Init函数，设置音频接口相关参数，包括：ES8388的I2C配置、I2S配置、音量设置和I2S DMA发送完成中断回调函数等。

然后，当上电后首次有音乐输出的时候，会先调用BSP_AUDIO_OUT_Play函数，对I2S的DMA进行配置（使用单次模式，且单缓冲传输），然后启动I2S DMA传输，开始播放电脑的声音。然后，当DMA传输完成后，会自动停止DMA（单次模式），并通过bsp_audio_i2s_dma_callback函数调用BSP_AUDIO_OUT_TransferComplete_CallBack回调函数，在回调函数里面，经过处理如果有新的音频数据，则会调用BSP_AUDIO_OUT_ChangeBuffer函数，重启DMA传输，开启下一次数据DMA传送，然后DMA传输完成又会进入bsp_audio_i2s_dma_callback函数，依次循环。

这样，就实现了USB传过来的音频数据，通过I2S DMA传输出去，最终通过ES8388输出给耳机或开发板板载喇叭，实现USB声卡功能。

USB AUDIO相关代码，就给大家介绍到这里，详细的介绍，请大家参考：UM1734(STM32CubeUSB device library).pdf这个文档。

2. main.c代码

下面是main.c的程序，具体如下：

1. USBD_HandleTypeDefUSBD_Device;              /* USB Device处理结构体 */
   
2. extern volatile uint8_t g_device_state;    /* USB连接 情况 */
   
3. extern uint8_t g_volume;                      /* 音量(可通过按键设置) */
   
4. int main(void)
   
5. {
   
6.     uint8_t key;
   
7.     uint8_t t = 0;
   
8.     uint8_t device_sta = 0xFF;
   
9.    
   
10.     HAL_Init();                             /* 初始化HAL库 */
    
11.     sys_stm32_clock_init(336, 8, 2, 7); /* 设置时钟,168Mhz */
    
12.     delay_init(168);                       /* 延时初始化 */
    
13.     usart_init(115200);                   /* 串口初始化为115200 */
    
14.     led_init();                             /* 初始化LED */
    
15.     lcd_init();                             /* 初始化LCD */
    
16.     key_init();                             /* 初始化按键 */
    
17.     sram_init();                            /* 初始化外部SRAM */
    
18.    
    
19.     my_mem_init(SRAMIN);                  /* 初始化内部SRAM内存池 */
    
20.     my_mem_init(SRAMEX);                  /* 初始化外部SRAM内存池 */
    
21.     my_mem_init(SRAMCCM);                 /* 初始化CCM内存池 */
    
22.    
    
23.     lcd_show_string(30, 50, 200, 16, 16, "STM32", RED);
    
24.     lcd_show_string(30, 70, 200, 16, 16, "USB Sound Card TEST", RED);
    
25.     lcd_show_string(30, 90, 200, 16, 16, "ATOM@ALIENTEK", RED);
    
26.     lcd_show_string(30, 110, 200, 16, 16, "KEY2:Vol- KEY0:Vol+", RED);
    
27.    
    
28.     lcd_show_string(30, 140, 200, 16, 16, "VOLUME:", BLUE);         /* 提示音量 */
    
29.     /* 显示音量值 */
    
30.     lcd_show_xnum(30 + 56, 140, AUDIO_DEFAULT_VOLUME, 3, 16, 0x80, BLUE);
    
31.     /* 提示正在建立连接 */
    
32.     lcd_show_string(30, 180, 200, 16, 16, "USB Connecting...", RED);
    
33.    
    
34.     es8388_init();                /* ES8388初始化 */
    
35.     es8388_adda_cfg(1, 0);       /* 开启DAC关闭ADC */
    
36.     es8388_output_cfg(1, 1);    /* DAC选择通道输出 */
    
37.     es8388_hpvol_set(25);        /* 设置耳机音量 */
    
38.     es8388_spkvol_set(30);       /* 设置喇叭音量 */
    
39.    
    
40.     USBD_Init(&USBD_Device, &AUDIO_Desc, DEVICE_FS);    /* 初始化USB */
    
41.     USBD_RegisterClass(&USBD_Device, USBD_AUDIO_CLASS); /* 添加类 */
    
42.     /* 为MSC类添加回调函数 */
    
43.     USBD_AUDIO_RegisterInterface(&USBD_Device, &USBD_AUDIO_fops);
    
44.     USBD_Start(&USBD_Device);   /* 开启USB */
    
45.    
    
46.     delay_ms(1800);
    
47.     while(1)
    
48.     {
    
49.         key = key_scan(1);                /* 支持连按 */
    
50.         if (key)
    
51.         {
    
52.             if (key == KEY0_PRES)         /* KEY0按下,音量增加 */
    
53.             {
    
54.                 g_volume++;
    
55.                 if (g_volume > 100)       /* 范围限定 */
    
56.                 {
    
57.                     g_volume = 100;
    
58.                 }
    
59.             }
    
60.             else if (key == KEY2_PRES)   /* KEY2按下,音量减少 */
    
61.             {
    
62.                 if (g_volume)               /* 范围限定 */
    
63.                 {
    
64.                     g_volume--;
    
65.                 }
    
66.             }
    
67.             es8388_hpvol_set(g_volume * 0.3);
    
68.             es8388_spkvol_set(g_volume * 0.3);
    
69.             /* 显示音量值 */
    
70.             lcd_show_xnum(30 + 56, 140, g_volume, 3, 16, 0x80, BLUE);
    
71.             delay_ms(20);
    
72.         }
    
73.         if (device_sta != g_device_state)   /* 状态改变了 */
    
74.         {
    
75.             if (g_device_state == 1)
    
76.             {   /* 提示USB连接已经建立 */
    
77.                 lcd_show_string(30, 180, 200, 16, 16, "USB Connected   ", RED);
    
78.                 LED1(0);    /* LED1亮 */
    
79.             }
    
80.             else
    
81.             {   /* 提示USB连接失败 */
    
82.                 lcd_show_string(30, 180, 200, 16, 16, "USB DisConnected ", RED);
    
83.                 LED1(1);    /* LED1灭 */
    
84.             }
    
85.             device_sta = g_device_state;
    
86.         }
    
87.         delay_ms(20);
    
88.         t++;
    
89.         if (t > 10)
    
90.         {
    
91.             t = 0;
    
92.             LED0_TOGGLE();    /* 提示系统在运行 */
    
93.         }
    
94.     }
    
95. }

复制代码

此部分代码比较简单，同上一章一样定义了USBD_Device结构体，然后通过USBD_Init等函数初始化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ES8388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。

64.4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STM32F407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_UART端口！另外，USB_HOST接口不要插任何外设！），LCD显示效果如图64.4.1所示：

图64.4.1 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。

等USB配置成功后，LED1常亮，LED0闪烁，并且在设备管理器à声音、视频和游戏控制器里面看到多了设备，如图64.4.2所示：   

图64.4.2 设备管理器找到STM32 USB声卡

然后，设置STM32AUDIO Steaming in FS Mode为电脑的默认播放设备，则电脑的所有声音都被切换到开发板输出，将耳机插入探索者STM32F407开发板的PHONE端口，即可听到来自电脑的声音，开发板板载喇叭也可以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70，大家可以自己调节（范围：0~100）。