第五十七章 USB声卡(Slave)实验
1.硬件平台：正点原子探索者STM32F407开发板 2.软件平台：MDK5.1 3.固件库版本：V1.4.0
上一章我们向大家介绍了如何利用STM32F4的USB接口来做一个USB读卡器，本章我们将利用STM32F4的USB来做一个声卡。本章分为如下几个部分：
57.1 USB声卡简介
57.2 硬件设计
57.3 软件设计
57.4 下载验证
57.1 USB声卡简介
ALIENTEK探索者STM32F4开发板板载了一颗高性能CODEC芯片：WM8978，我们可以利用STM32F4的IIS，控制WM8978播放音乐，同样，如果结合STM32F4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àSTM32 USB 学习资料àSTM32_USB-Host-Device_Lib_V2.1.0àProjectàUSB_De
vice_ExamplesàAUDIO，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。
57.2 硬件设计
本节实验功能简介：开机的时候先显示一些提示信息，之后开始USB配置，在配置成功之后就可以在电脑上发现多出一个USB声卡。我们用DS1来指示USB是否连接成功，并在液晶上显示USB连接状况，如果成功连接，我们可以将耳机插入开发板的PHONE端口（或者喇叭接P1（SPK）端子也行），听到来自电脑的音频信号。同样我们还是用DS0来指示程序正在运行。
所要用到的硬件资源如下：
1） 指示灯DS0 、DS1
2） 串口
3） TFTLCD模块
4） USB SLAVE接口
5） WM8978
这几个部分，在之前的实例中都已经介绍过了，我们在此就不多说了。这里再次提醒大家，P11的连接，要通过跳线帽连接PA11和D-以及PA12和D+。
57.3 软件设计
本章，我们在第四十八章实验 （实验43 ）的基础上修改，先打开实验43 的工程，在HARDWARE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57.3.1所示的工程：
图57.3.1
USB声卡工程截图
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。
其中usb_bsp.c和usbd_usr.c的代码，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。
usb_desc.c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官方的就行。
最后stm324xg_usb_audio_codec.c，这里面的代码，是重点要修改的，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WM8978，所以这里面代码要大改，修改后代码如下：
u8 volume=0; //当前音量
vu8 audiostatus=0; //bit0:0,暂停播放;1,继续播放
vu8 i2splaybuf=0; //即将播放的音频帧缓冲编号
vu8 i2ssavebuf=0; //当前保存到的音频缓冲编号
#define AUDIO_BUF_NUM 100 //由于采用的是USB同步传输数据播放
//而STM32 IIS的速度和USB传送过来数据的速度存在差异,
//比如在48Khz下,实际IIS是低
//于48Khz(47.991Khz)的,所以电脑送过来的数据流,会比STM32播放速度快,缓冲区写位置
//追上播放位置(i2ssavebuf==i2splaybuf)时,就会出现混叠.设置尽量大的AUDIO_BUF_NUM
//值,可以尽量减少混叠次数.
u8 *i2sbuf[AUDIO_BUF_NUM];
//音频缓冲帧,占用内存数=AUDIO_BUF_NUM*AUDIO_OUT_PACKET 字节
//音频数据I2S DMA传输回调函数
void audio_i2s_dma_callback(void)
{
if((i2splaybuf==i2ssavebuf)&&audiostatus==0)
I2S_Play_Stop();
else
{
i2splaybuf++;//指向下一个buf
if(i2splaybuf>(AUDIO_BUF_NUM-1))i2splaybuf=0;//溢出
if(DMA1_Stream4->CR&(1<<19))
DMA_MemoryTargetConfig(DMA1_Stream4,(u32)i2sbuf[i2splaybuf],DMA_Memory_0); else
DMA_MemoryTargetConfig(DMA1_Stream4,(u32)i2sbuf[i2splaybuf],DMA_Memory_1);
}
}
//配置音频接口
//OutputDevice:输出设备选择,未用到.
//Volume:音量大小,0~100
//AudioFreq:音频采样率
uint32_t EVAL_AUDIO_Init(uint16_t OutputDevice,
uint8_t Volume, uint32_t AudioFreq)
{
u16
t=0;
for(t=0;t<AUDIO_BUF_NUM;t++) //内存申请
{
i2sbuf[t]=mymalloc(SRAMIN,AUDIO_OUT_PACKET);
}
if(i2sbuf[AUDIO_BUF_NUM-1]==NULL) //内存申请失败
{
printf("Malloc
Error!\r\n");
for(t=0;t<AUDIO_BUF_NUM;t++)myfree(SRAMIN,i2sbuf[t]);
return
1;
}
I2S2_Init(I2S_Standard_Phillips,I2S_Mode_MasterTx,I2S_CPOL_Low,
I2S_DataFormat_16bextended);
//飞利浦标准,主机发送,时钟低电平有效,16位扩展帧长度
I2S2_SampleRate_Set(AudioFreq); //设置采样率
EVAL_AUDIO_VolumeCtl(Volume); //设置音量
I2S2_TX_DMA_Init(i2sbuf[0],i2sbuf[1],AUDIO_OUT_PACKET/2);
i2s_tx_callback=audio_i2s_dma_callback; //回调函数指wav_i2s_dma_callback
I2S_Play_Start(); //开启DMA
printf("EVAL_AUDIO_Init:%d,%d\r\n",Volume,AudioFreq);
return
0;
}
//开始播放音频数据
//pBuffer:音频数据流首地址指针
//Size:数据流大小(单位:字节)
uint32_t EVAL_AUDIO_Play(uint16_t* pBuffer,
uint32_t Size)
{
printf("EVAL_AUDIO_Play:%x,%d\r\n",pBuffer,Size);
return
0;
}
//暂停/恢复音频流播放
//Cmd:0,暂停播放;1,恢复播放
//Addr:音频数据流缓存首地址
//Size:音频数据流大小(单位:harf word,也就是2个字节
//返回值:0,成功
// 其他,设置失败
uint32_t EVAL_AUDIO_PauseResume(uint32_t Cmd,
uint32_t Addr, uint32_t Size)
{
u16 i;u8
*p=(u8*)Addr;
if(Cmd==AUDIO_PAUSE)
audiostatus=0;
else
{
audiostatus=1;
i2ssavebuf++;
if(i2ssavebuf>(AUDIO_BUF_NUM-1))i2ssavebuf=0;
for(i=0;i<AUDIO_OUT_PACKET;i++)
i2sbuf[i2ssavebuf]=p;//拷贝数据
I2S_Play_Start();//开启DMA
}
return
0;
}
//停止播放
//Option:控制参数,1/2,详见:CODEC_PDWN_HW定义
//返回值:0,成功
// 其他,设置失败
uint32_t EVAL_AUDIO_Stop(uint32_t Option)
{
printf("EVAL_AUDIO_Stop:%d\r\n",Option);
audiostatus=0;return
0;
}
//音量设置
//Volume:0~100
//返回值:0,成功
// 其他,设置失败
uint32_t EVAL_AUDIO_VolumeCtl(uint8_t Volume)
{
volume=Volume;
WM8978_HPvol_Set(volume*0.63,volume*0.63);
WM8978_SPKvol_Set(volume*0.63);
return
0;
}
//静音控制
//Cmd:0,正常
// 1,静音
//返回值:0,正常
// 其他,错误代码
uint32_t EVAL_AUDIO_Mute(uint32_t Cmd)
{
if(Cmd==AUDIO_MUTE_ON)
{
WM8978_HPvol_Set(0,0); WM8978_SPKvol_Set(0);}
else
{
WM8978_HPvol_Set(volume*0.63,volume*0.63);
WM8978_SPKvol_Set(volume*0.63);
}
return
0;
}
//播放音频数据流
//Addr:音频数据流缓存首地址
//Size:音频数据流大小(单位:harf word,也就是2个字节)
void Audio_MAL_Play(uint32_t Addr, uint32_t Size)
{
u16 i; u8 t=i2ssavebuf;
u8 *p=(u8*)Addr;
u8
curplay=i2splaybuf; //当前正在播放的缓存帧编号
if(curplay)curplay--;
else
curplay=AUDIO_BUF_NUM-1;
audiostatus=1;
t++;
if(t>(AUDIO_BUF_NUM-1))t=0;
if(t==curplay) //写缓存碰上了当前正在播放的帧,跳到下一帧
{
t++;
if(t>(AUDIO_BUF_NUM-1))t=0;
printf("bad
position:%d\r\n",t);
}
i2ssavebuf=t;
for(i=0;i<Size*2;i++)
i2sbuf[i2ssavebuf]=p;//拷贝数据
I2S_Play_Start(); //开启DMA
}
这里特别说明一下，USB
AUDIO我们使用的是USB同步数据传输，音频采样率固定为：48Khz（通过USBD_AUDIO_FREQ设置，在usbd_conf.h里面），这样，USB传输过来的数据都是48Khz的音频数据流，STM32F4必须以同样的频率传输数据给IIS，以同步播放音乐。
但是，STM32F4我们采用的是内部8M时钟倍频后分频作为IIS时钟的，在使能主时钟（MCK）输出的时候，只能以47.991Khz频率播放，稍微有点误差，这样，导致USB送过来的数据，会比传输给IIS的数据快一点点，如果不做处理，就很容易产生数据混叠，产生噪音。
因此，我们这里提供了一个简单的解决办法：建立一个类似FIFO结构的缓冲数组，USB传输过来的数据全部存放在这些数组里面，同时通过IIS DMA双缓冲机制，播放这些数组里面的音频数据，当混叠发生时（USB传过来的数据，赶上IIS播放的数据了），直接越过当前正在播放的数组，继续保存。这样，虽然会导致一些数据丢失（混叠时），但是避免了混叠，保证了良好的播放效果（听不到噪音），同时，数组个数越多，效果就越好（越不容易混叠）。
以上代码AUDIO_BUF_NUM就是我们定义的FIFO结构数组的大小，越大，效果越好，这里我们定义成100，每个数组的大小由音频采样率和位数决定，计算公式为：
(USBD_AUDIO_FREQ * 2 * 2) /1000
单位为字节，其中USBD_AUDIO_FREQ即音频采样率：48Khz，这样，每个数组大小就是192字节。100个数组，我们总共用了19200字节。
audio_i2s_dma_callback函数是IIS播放音频的回调函数，完成IIS数据流的发送，其他函数则基本都是在usbd_audio_out_if.c里面被调用，这里就不再详细介绍了。
最后在main.c里面，我们修改main函数如下：
USB_OTG_CORE_HANDLE USB_OTG_dev;
extern vu8 bDeviceState; //USB连接 情况
extern u8 volume; //音量(可通过按键设置)
int main(void)
{
u8
key; u8 t=0;u8 Divece_STA=0XFF;
NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);//设置系统中断优先级分组2
delay_init(168); //初始化延时函数
uart_init(115200); //初始化串口波特率为115200
LED_Init(); //初始化LED
usmart_dev.init(84); //初始化USMART
LCD_Init(); //LCD初始化
KEY_Init(); //按键初始化
WM8978_Init(); //初始化WM8978
WM8978_ADDA_Cfg(1,0); //开启DAC
WM8978_Input_Cfg(0,0,0); //关闭输入通道
WM8978_Output_Cfg(1,0); //开启DAC输出
my_mem_init(SRAMIN); //初始化内部内存池
my_mem_init(SRAMCCM); //初始化CCM内存池
POINT_COLOR=RED;//设置字体为红色
LCD_ShowString(30,50,200,16,16,"Explorer
STM32F4");
LCD_ShowString(30,70,200,16,16,"USB
Sound Card TEST");
LCD_ShowString(30,90,200,16,16,"ATOM@ALIENTEK");
LCD_ShowString(30,110,200,16,16,"2014/7/22");
LCD_ShowString(30,130,200,16,16,"KEY2:Vol- KEY0:vol+");
POINT_COLOR=BLUE;//设置字体为蓝色
LCD_ShowString(30,160,200,16,16,"VOLUME:"); //音量显示
LCD_ShowxNum(30+56,160,DEFAULT_VOLUME,3,16,0X80);//显示音量
LCD_ShowString(30,180,200,16,16,"USB
Connecting...");//提示正在建立连接
USBD_Init(&USB_OTG_dev,USB_OTG_FS_CORE_ID,&USR_desc,&AUDIO_cb,
&USR_cb);
while(1)
{
key=KEY_Scan(1); //支持连按
if(key)
{
if(key==KEY0_PRES) //KEY0按下,音量增加
{
volume++;
if(volume>100)volume=100;
}else
if(key==KEY2_PRES)//KEY2按下,音量减少
{
if(volume)volume--;
else
volume=0;
}
EVAL_AUDIO_VolumeCtl(volume);
LCD_ShowxNum(30+56,160,volume,3,16,0X80);//显示音量
delay_ms(20);
}
if(Divece_STA!=bDeviceState)//状态改变了
{
if(bDeviceState==1)
{
LED1=0;
LCD_ShowString(30,180,200,16,16,"USB
Connected ");//连接建立
}else
{
LED1=1;
LCD_ShowString(30,180,200,16,16,"USB
DisConnected ");//连接失败
}
Divece_STA=bDeviceState;
}
delay_ms(20);
t++;
if(t>10)
{t=0; LED0=!LED0;}
}
}
}
此部分代码比较简单，同上一章一样定义了USB_OTG_dev结构体，然后通过USBD_Init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WM8978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。
57.4 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STM32F4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_232端口！另外，USB_HOST接口不要插任何外设！），LCD显示效果如图57.4.1所示：
图57.4.1 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，如图57.4.2所示：
图57.4.2 电脑找到ALIENTEK USB声卡
等USB配置成功后，DS1常亮，DS0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ALIENTEK STM32F407 USB AUDIO设备，如图57.4.3所示：
图57.4.3 设备管理器找到ALIENTEK USB声卡
此时，电脑的所有音频输出都被切换到USB声卡输出，将耳机插入探索者STM32F4开发板的PHONE端口（或者接喇叭到P1端子（SPK）），即可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65，大家可以自己调节（范围：0~100）。
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