STM32. Obsługa interfejsu I²S. Dekoder audio

96 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 9/2010 NOTATNIK KONSTRUKTORA Dodatkowe informacje: Dodatkowe informacje na temat mikrokontrolerów STM32 oraz środowiska Atollic TrueSTUDIO można znaleźć w  poprzednich numerach EP, m. in: ? ?Atollic TrueSTUDIO. Sposób na mikrokontrolery STM32?, EP 02/2010, ? ?Obsługa portów we/wy, przerwań i  timerów w  mikrokontrolerach STM32. Wykorzystanie funkcji API?, EP 12/2008 Interfejs I2 S Coraz większa liczba urządzeń, szcze- gólnie należących do segmentu elektroniki konsumenckiej, jest wyposażona w interfejs dźwiękowy. Tor audio składa się zazwyczaj z  pamięci, w  której zapisane są sekwencje dźwiękowe, mikrokontrolera sterującego oraz dekodera audio. Komunikacja z pamię- cią zależy od jej typu, natomiast wiele de- koderów audio może korzystać z  interfejsu I2 S (ang. Inter-IC Sound) zaprojektowanego przez firmę Philips do przesyłania dźwięku w formie cyfrowej pomiędzy układami sca- lonymi. Standaryzacja przesyłania sygnału audio w postaci cyfrowej miała na celu upo- rządkowanie i zunifikowanie interfejsów sto- sowanych przez różnych producentów ukła- dów scalonych. Zadaniem interfejsu I2 S jest więc przesy- łanie tylko danych audio. Pozostałe sygnały, jeśli takie są wymagane, muszą być przesyła- ne w inny sposób. W minimalnej konfigura- cji, do przesyłu informacji za pomocą magi- strali I2 S wymagane są tylko trzy linie: ? zegarowa SCK, ? aktywnego kanału audio LRCK, ? danych SDATA. Norma interfejsu przewiduje przesyłanie jedynie sygnału stereofonicznego. Jeśli deko- der audio nie ma własnego generatora sygna- łu zegarowego, to istnieje możliwość dostar- czenia go do dekodera za pomocą czwartej linii sygnałowej MCLK. Częstotliwość sygna- łu MCLK powinna być 256 razy większa od częstotliwości linii zegarowej SCK. Przebiegi czasowe przykładowego fragmentu komuni- kacji pokazano na rysunku 1. Urządzenia dołączone do magistrali I2 S mogą pracować w kilku trybach w zależno- ści od tego, które jest urządzeniem nadrzęd- nym, a które podrzędnym. W bardziej rozbu- dowanych aplikacjach może być konieczne dołączenie do interfejsu kontrolera magistra- li. Jego zadaniem będzie takie zarządzanie STM32 Obsługa interfejsu I2 S Dekoder audio Zdecydowana większość interfejsów maszyna ? człowiek korzysta z  ludzkiego zmysłu wzroku. Niekiedy jednak zadowalające efekty komunikacji mogą być osiągnięte za pomocą słuchu. Interfejs dźwiękowy może być podstawowym do komunikacji urządzenia z  operatorem lub być uzupełnieniem graficznego. W  artykule przedstawiono informacje na temat obsługi magistrali I2 S w  roli medium łączącego mikrokontroler STM32 z  dekoderem audio. Rysunek 1. Komunikacja za pomocą interfejsu I2 S Rysunek 2. Tryby pracy urządzeń dołączonych do interfejsu I2 S stanami linii sygnałowych, aby nie wystąpiły konflikty, np. przełączenie się dwóch urzą- dzeń w  tryb master. Możliwe tryby pracy przedstawiono na rysunku  2. Sygnały SCK i  LRCK są zawsze generowane po stronie układu nadrzędnego. Należy zaznaczyć, że długości ramek danych nie są z  góry zdefi- niowane w  normie. Nadajnik nie musi wiedzieć ilu bitów spodziewa się odbiornik, ana- logicznie odbiornik nie musi mieć informacji, ile bitów za- wierają ramki wysyłane przez nadajnik. Aby osiągnąć pra- widłową komunikację przy ta- kich założeniach, jako pierw- szy transmitowany jest zawsze bit najbardziej znaczący MSB. Podziału strumienia danych na linii SDATA na kanał lewy i prawy dokonuje linia aktyw- nego kanału LRCK. Poziom wysoki na LRCK oznacza, że przesyłana jest próbka należą- ca do kanału lewego, a  niski, że do prawego. Częstotliwość sygnału aktywnego kanału określa zarazem częstotliwość próbkowania sygnału audio. Narzędzia Punktem wyjścia dla każ- dego projektu mikroproce- sorowego jest odpowiednia baza sprzętowa i  środowisko programowe. Do implementacji cyfrowego toru audio wy- korzystano dwa zestawy: STM32Butterfly2 i  KAmodDIGA. Zestaw STM32Butterfly2 jest nowszą i zarazem bogatszą wersją zesta- 97ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 9/2010 Obsługa interfejsu I2 S aplikacji jest tryb z  obsługą magistrali I2 S, któremu odpowiadają poziomy wysokie na wyprowadzeniach FORMAT. Dla takiego ustawienia długość ramki danych jednego kanału może zmieniać się w przedziale od 16 do 24-bitów. Połączenie obydwu płytek nie powinno sprawić żadnych problemów, ponieważ obydwa moduły mają dobrze opi- sane wyprowadzenia sygnałów. Ustawianie sygnałów zegarowych Wraz ze wzrostem poziomu skompliko- wania układów, a co ważniejsze, ze wzro- stem ich stopnia scalenia, coraz ważniejsza staje się potrzeba zarządzania w układach mikroprocesorowych sygnałami zegarowy- mi o różnych częstotliwościach, zależnych od rodzaju zastosowanych układów pery- feryjnych. Mikrokontrolery STM32, nale- żące od rodziny connectivity line, są wy- posażone w imponującą liczbę peryferiów komunikacyjnych, m. in.: Ethernet MAC (opcjonalnie), USB OTG, I2 S. Implikuje to, w  przypadku symultanicznej pracy wielu urządzeń, konieczność generowania sygna- łów zegarowych o  różnych a  co ważniej- sze ? ściśle określonych częstotliwościach. W  przypadku interfejsu I2 S normalizacja częstotliwości próbkowania sygnału audio powoduje, że mikrokontroler powinien ge- nerować sygnał zegarowy związany liczbo- wo z wartością tej częstotliwości. Układy z  rodziny STM32 connectivi- ty line mają wbudowane aż trzy układy PLL, dzięki którym możliwości generowa- nia przebiegów taktujących są naprawdę duże. Źródłem sygnału zegarowego dla I2 S może być zegar systemowy SYSCLK lub PLL3. Na rysunku  4 przedstawiono bloki, które mogą brać udział w generowa- niu sygnału zegarowego dla I2 S. Pomimo tego, że możliwości ich konfigurowania są spore, to mnożniki i  dzielniki zostały zoptymalizowane pod kątem rezonatorów kwarcowych o  częstotliwościach 25  MHz i  14,7456  MHz. Zestaw STM32butterfly2 ma zamontowany rezonator o częstotliwo- ści 14,7456 MHz. Najprostszym sposobem wyznacze- nia wszystkich mnożników i  dzielników jest ich pobranie z  tabeli zamieszczonej w dokumencie ?RM0008 Reference manu- al?, dostępnym na stronie www.st.com/ stm32. Fragment tej tabeli zamieszczono na rysunku 5. Są w niej podane wszystkie niezbędne wartości oraz błędy wynikające z  zastosowanych ustawień. W  programie konfigurującym sygnały zegarowe przed- stawionym na listingu 1 zastosowano za- lecane w tabeli wartości dla FS = 44,1 kHz. Program z  listingu pozwala na uzyskanie sygnału taktowania kontrolera I2 S, a  czę- stotliwości pracy poszczególnych linii in- terfejsu są określane już przez samo urzą- dzenie peryferyjne, co opisano poniżej. Rysunek 3. Schemat blokowy dekodera audio TS4657 [Źródło: STMicroelectonics] Rysunek 4. Źródła sygnału zegarowego dla kontrolera I2 S Rysunek 5. Tabela określania częstotliwości próbkowania [Źródło: STMicroelectonics] cza montaż, ponieważ zazwyczaj na płytce modułu jest wyprowadzone standardowe złącze szpilkowe. Do prawidłowej pracy układ TS4657 wymaga sygnału taktującego wynoszącego 256×częstotliwość próbkowania sygna- łu audio FS . Jak już wspomniano, przebieg zegarowy jest dostarczany jedną linią in- terfejsu I2 S, w postaci sygnału MCLK. Moc wyjściowa układu jest wystarczająca do zadowalającego wysterowania słuchawek. Należy zwrócić uwagę, że dekoder może pracować tylko częstotliwościami próbko- wania z zakresu 32...48 kHz, dlatego nale- ży przygotowywać sekwencje audio sprób- kowane z częstotliwością należącą do tego przedziału. Kilka słów wyjaśnienia wymagają ak- ceptowane przez dekoder formaty danych wejściowych. Typ formatu jest wybierany za pomocą stanów wyprowadzeń FOR- MAT1 i  FORMAT2. Na płytce modułu au- dio (zastosowanego na potrzeby artykułu) można go wybrać zworkami JP1 i JP2. Spo- śród czterech trybów pracy najistotniejszym z  punktu widzenia przedstawionej niżej wu STM32Butterfly, znanego z cyklu warsz- tatów STM32TechDays przeprowadzonych przez firmę STMicroelectronics. Najważ- niejsze zmiany to m. in. dodanie złącz uła- twiających dołączanie zewnętrznych modu- łów, interfejsu USB Host oraz złącz dla kart pamięci SD. Realizacja projektów przedsta- wionych w artykule wymagała rozszerzenia zestawu STM32Butterfly2 o moduł KAmod- DIGA. Do przygotowania i  przetestowania zaprezentowanego dalej oprogramowania użyto darmowej wersji środowiska Atollic TrueSTUDIO. Użyty moduł ?muzyczny? jest podsta- wową aplikacją dekodera audio TS4657. Jest to stereofoniczny, 16-bitowy przetwor- nik C/A  audio. Schemat blokowy układu przedstawiono na rysunku  3. Układ jest prosty w  obsłudze. Wymaga tylko jednego napięcia zasilania z  przedziału 3...5,5  V. Pewnym mankamentem w przypadku mon- towania urządzeń prototypowych może być mała obudowa dekodera typu QFN20, choć jej montaż nawet w warunkach amatorskich jest możliwy (co nie oznacza, że jest łatwy!). Korzystanie z  gotowych modułów uprasz- 98 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 9/2010 NOTATNIK KONSTRUKTORA Konfigurowanie I2 S Sprzętowy kontroler interfejsu I2 S jest wbudowany w mikrokontrolery STM32 na- leżących do segmentu connectivity line oraz high-density performance line. Interfejs I2 S zaimplementowano jako dodatkową cechę funkcjonalną interfejsu SPI, a więc oba ko- rzystają z tych samych wyprowadzeń. Kon- figurowanie wyprowadzeń dzięki bibliotece API nie jest skomplikowana i nie nastręcza trudności. Na listingu 2 zamieszczono frag- ment programu, którego zadaniem jest usta- wienie podstawowych parametrów pracy magistrali, a następnie włączenie kontrolera I2 S. Mikrokontroler jest układem nadrzęd- nego nadajnika dla dekodera audio, dlatego jako tryb pracy I2S_Mode należy wybrać I2S_ Mode_MasterTx. Kontrolery I2 S w  układach STM32 obsługują sprzętowo pięć podsta- wowych formatów ramek danych: I2S_Stan- dard_LSB, I2S_Standard_MSB, I2S_Stan- dard_PCMLong, I2S_Standard_PCMShort, I2S_Standard_Philips. W  aplikacjach oma- wianych w dalszej części artykułu wykorzy- stano ostatni format. Próbki audio mogą być zapisywane przy użyciu różnej liczby bitów. Zazwyczaj w  prostych interfejsach dźwiękowych na jedną próbkę przypada 16 bitów. Pracę z taką długością ramki umożliwia ustawienie pola I2S_DataFormat na wartość określoną defini- cją I2S_DataFormat_16b. Ponadto biblioteka API umożliwia ustawienie długości ramek na 24 lub 32 bity. Częstotliwość próbkowa- nia jest ustalana przez modyfikację pola I2S_ AudioFreq struktury inicjującej kontroler I2 S. Dostępne częstotliwości są zapisane w pliku pomocy dostarczanym wraz z biblioteką pro- gramistyczną API. W aplikacjach opisanych poniżej używa się częstotliwości próbkowa- nia 44,1 kHz, czyli wymienione pole struktu- ry inicjującej powinno zostać zapisane war- tością o  definicji I2S_AudioFreq_44k. Para- metr I2S_CPOL określa zachowanie się linii zegarowej w stanie nieaktywnym - tutaj bę- dzie ona sprowadzana do poziomu niskiego. Ostatnią czynnością związaną z konfigu- rowaniem interfejsu (wypełnianiem struk- tury inicjującej) jest ? jeśli istnieje taka po- trzeba ? włączenie sygnału MCLK. Dekoder audio, zamontowany w module, do popraw- nej pracy wymaga zewnętrznego sygnału taktowania, a  zatem wyjście MCLK zostało aktywowane. Wysyłanie danych może się odbywać co najmniej trzema sposobami. Najprostszy przypadek polega na ciągłym odpytywaniu kontrolera I2 S, czy jego bufory nadawcze są już puste. Nie jest to jednak rozwiązanie ani efektywne, ani eleganckie. Znacznie lep- szym jest użycie przerwania od kontrolera I2 S. Jeszcze lepszym sposobem jest użycie DMA do bezpośredniego przenoszenia da- nych pomiędzy pamięcią (układem peryfe- Listing 1. Konfigurowanie sygnałów zegarowych dla I2 S /* Wlacznenie bufora dla pamieci Flash */ FLASH_PrefetchBufferCmd(FLASH_PrefetchBuffer_Enable); /* dwa ?wait state? */ FLASH_SetLatency(FLASH_Latency_2); /* HCLK = SYSCLK */ RCC_HCLKConfig(RCC_SYSCLK_Div1); /* PCLK2 = HCLK */ RCC_PCLK2Config(RCC_HCLK_Div1); /* PCLK1 = HCLK/2 */ RCC_PCLK1Config(RCC_HCLK_Div2); /* Konfiguracja PLL -----------------------------------------*/ /* PREDIV2: PREDIV2CLK = HSE / 6 = 2.45757 MHz */ RCC_PREDIV2Config(RCC_PREDIV2_Div6 ); /* PLL3: PLL3CLK = (HSE / 2) * 20 = 49.1513 MHz */ RCC_PLL3Config(RCC_PLL3Mul_20); RCC_PLL3Cmd(ENABLE); while(RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_PLL3RDY) == RESET); /* PLL2: PLL2CLK = (HSE / 2) * 20 = 49.1513 MHz */ RCC_PLL2Config(RCC_PLL2Mul_20); RCC_PLL2Cmd(ENABLE); while(RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_PLL2RDY) == RESET); /* PREDIV1: PREDIV1CLK = PLL2 / 3 = 16.38378 MHz */ RCC_PREDIV1Config(RCC_PREDIV1_Source_PLL2,RCC_PREDIV1_Div3); /* PLL1: PLLCLK = PREDIV1 * 4 = 65.535 MHz */ RCC_PLLConfig(RCC_PLLSource_PREDIV1, RCC_PLLMul_4); RCC_PLLCmd (ENABLE); while(RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_PLLRDY) == RESET); /* PLL zrodlem zegara systemowego */ RCC_SYSCLKConfig(RCC_SYSCLKSource_PLLCLK); /* Czekaj na poprawny sygnal zegarowy */ while ((RCC->CFGR & (uint32_t)RCC_CFGR_SWS) != (uint32_t)0x08); RCC_I2S2CLKConfig(RCC_I2S2CLKSource_PLL3_VCO); Listing 2. Konfigurowanie kontrolera I2 S I2S_InitTypeDef I2S_InitStructure; I2S_InitStructure.I2S_Standard = I2S_Standard_Phillips; I2S_InitStructure.I2S_DataFormat = I2S_DataFormat_16b; I2S_InitStructure.I2S_MCLKOutput = I2S_MCLKOutput_Enable; I2S_InitStructure.I2S_AudioFreq = I2S_AudioFreq_44k; I2S_InitStructure.I2S_CPOL = I2S_CPOL_Low; I2S_InitStructure.I2S_Mode = I2S_Mode_MasterTx; I2S_Init(SPI2, &I2S_InitStructure); SPI_I2S_ITConfig(SPI2, SPI_I2S_IT_TXE, ENABLE); I2S_Cmd(SPI2, ENABLE); Listing 3. Skrypt Octave/Matlab tworzący tablicę próbek w formacie pliku tekstowego function wav2txt; [fid] = fopen(?samples.txt?, ?w?); [y, Fs, Nbits] = wavread(?input.wav?); z = (y+1) * 32768; len = length(z) Fs Nbits for i=1:len fprintf(fid, ?0x%X, ?, z(i)); rows = mod (i, 16); if ~rows fprintf(fid, ?\r\n?); end; end; plot(z); fclose(fid); Listing 4. Funkcja NVIC_Configuration() void NVIC_Configuration(void) { NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure; NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_0); NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = SPI2_IRQn; NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1; NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0; NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); } 99ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 9/2010 Obsługa interfejsu I2 S Listing 5. Obsługa przerwania od kontrolera I2 S void SPI2_IRQHandler(void) { /* Sprawdzenie zrodla przerwania */ if (SPI_I2S_GetITStatus(SPI2, SPI_I2S_IT_TXE) == SET) { /* Wyslij dane przez I2S2 */ SPI_I2S_SendData(SPI2, (I2S2_Buffer_Tx[TxIdx] - 32768)); TxIdx++; } TxIdx &= (table_size + 1) } mi próbek w  zapisie szesnastkowym. Wy- starczy taką tablicę skopiować do programu przeznaczonego dla mikrokontrolera jako ta- blicę stałych wartości. W  aplikacji korzystano z  mechanizmu przerwań, dlatego przed ich użyciem i  włą- czeniem należy skonfigurować sterownik przerwań NVIC. Odpowiada za to funkcja NVIC_Configuration(), której kod zamieszczo- no na listingu 4. Aby przerwanie działało pra- widłowo, należy dodać do pliku stm32f10x_ it.c funkcję jego obsługi. Plik stm32f10x_it.c jest automatycznie tworzony i dodawany do projektu przez środowisko Atollic TrueSTU- DIO. Nazwę funkcji można odczytać z tablicy wektorów przerwań, w tym przypadku jest to SPI2_IRQHandler(). Kod omawianej funkcji zamieszczono na listingu 5. Po uruchomieniu programu w mikrokon- trolerze sekwencja audio zapisana w pamięci Flash będzie odtwarzana dopóty, dopóki bę- dzie włączone napięcie zasilania. Krzysztof Paprocki, EP krzysztof.paprocki@ep.com.pl wyprowadzeń oraz włączeniu niezbędnych sygnałów zegarowych. Odtwarzacz audio Dane audio mają być zapisane w pamię- ci Flash mikrokontrolera, a  więc należy je wyłuskać np. z  pliku *.wav. Prosty skrypt, odczytujący dane z pliku wav i zapisujący je do pliku tekstowego przedstawiono na listin- gu 3. Skrypt można uruchomić w programie Octave lub Matlab. Efektem jego wykonania jest utworzenie w katalogu roboczym pliku tekstowego z ułożonymi w tablicę wartościa- ryjnym), a interfejsem I2 S. Ostatni przypadek jest najbardziej efektywny pod względem użycia mocy obliczeniowej jednostki central- nej. Sprawa się nieco komplikuje, jeżeli dane odczytywane z pamięci mają być modyfiko- wane. W  programie zaprezentowanym na listingu 2 skorzystano z drugiej opcji, a więc przyjęto, że wysyłanie danych następuje po przerwaniu od pustego bufora nadawczego kontrolera I2 S. Na koniec konfigurowania I2 S trzeba jeszcze włączyć urządzenia przez wy- wołanie funkcji I2S_Cmd(). Nie należy także zapominać o odpowiednim konfigurowaniu R E K L A M A forum.ep.com.pl