STM32 HAL学习笔记：GC1808（PCM1808）的使用以及使用I2S+DMA读取
前言
我的项目需要使用一个立体声ADC对运算放大器输出的模拟音频进行读取，并通过USB Audio Class传输到PC。
在群友的指导下，我选择了STM32F042K6T6作为主控，该型号支持硬件I2S，并支持USB Device(FS)。最重要的是，该型号在淘宝售价仅3元（还包邮）。
我选择的ADC型号位GC1808，这是一款低成本立体声音频模数转换器，最高支持96KHz 24bit，I2S接口输出，可通过引脚配置为主/从、飞利浦/MSB左对齐模式。该产品为TI生产的PCM1808的Pin-to-Pin兼容（山寨）芯片（数据手册的图都是从TI手册里截的），且在立创商城的ADC目录中按价格从低到高排名第一。
ADC芯片配置及输出验证
GC1808模块原理图如下图所示。手册要求大电容使用电解电容，我这里为了省空间改成了MLCC，总之能用。三个功能选择引脚接出来，用一坨锡就能修改。
我计划将音频采样率配置为48KHz，即：
选择$$f_{ICK} = 512 \times f_S = 24.576MHz$$
另选择工作在主机模式、数据格式为左对齐、24bit，故将引脚配置为：
| 引脚 | 电平 |
|---|---|
| FMT (Pin 12) | 高 |
| MD1 (Pin 11) | 低 |
| MD0 (Pin 10) | 高 |
由数据手册可知，每一帧由2个声道共32个位组成，故可计算得到BCK（位时钟）的频率为：
LRCK（左右时钟）的频率与输出音频采样率相同，即：
连接示波器，可以看到测试结果与理论值一致，如下图所示。其中，1通道（黄色）为BCK波形，2通道（青色）为LRCK波形。由于学校的包浆示波器探头找不到接地弹簧，我只能使用接地夹子测量，测量波形噪声较多、质量很差。
更换探头位置，1通道测量LRCK波形，2通道测量DOUT（数据输出）波形，结果如下图所示。可以看到，ADC正在发送两个声道的数据，与手册标注的格式一致。
STM32CubeMX配置与接线
为产生ADC所需的时钟信号，我使用了一个24.576MHz的无源晶振，并将整个单片机运行在24.576MHz。这款单片机似乎没有为I2S单独提供时钟的PLL，无法使用I2S的MCO（主时钟输出）功能输出ADC芯片所需的系统时钟，故配置时钟树将HCLK通过MCO引脚输出，连接到ADC的SCKI。时钟树如下图所示。
在左侧选择I2S，页面上方模式设置为半双工从机模式，传输模式修改为从机接收，通信标准为MSB优先左对齐，数据和帧格式为在32位帧上传输的24位数据，音频频率为48KHz。可以看到，得益于专门选择的晶体频率，频率误差为0。如下图所示。
切换到DMA设置标签页。点击加号添加一个DMA请求，STM32CubeMX自动帮我们配置了一些信息。我们需要将DMA设置请求中的模式切换为循环。根据参考手册，I2S接收的寄存器只有16位，32位的一帧需要DMA分两次搬运，故这里的数据宽度都选择半字（16位）。设置如下图所示。
STM32CubeMX已经帮我们分配了各个引脚，从机模式的I2S占用了3个引脚，分别为WS（字选择，输入）、CK（时钟，输入）、SD（串行数据，输入）。根据我们上面的设置，接线方式如下。
| STM32 | GC1808 |
|---|---|
| WS | LRCK |
| CK | BCK |
| SD | DOUT |
| MCO | SCKI |
代码
整体代码如下所示。
# main.c
/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include <stdio.h>
#include <stdarg.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
/* USER CODE END Includes */
/* Private define ------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PD */
#define I2S_HALF_DMA_CACHE_SAMPLES 32 // 可按需求调整: 表示半次DMA缓冲中每个声道的采样数
/* USER CODE END PD */
/* Private variables ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PV */
// 原始DMA接收缓冲，I2S_HALF_DMA_CACHE_SAMPLES * 2声道 * 2个uint16_t * 2（前后分开处理）
static uint16_t i2s_rx_dma_buf[8 * I2S_HALF_DMA_CACHE_SAMPLES];
// 分离后的左右声道数据 (存放在 32bit 中, 低 24bit 有效)，前后分开处理
static int32_t i2s_left[I2S_HALF_DMA_CACHE_SAMPLES * 2];
static int32_t i2s_right[I2S_HALF_DMA_CACHE_SAMPLES * 2];
// 统计静音采样数，调试用
static uint32_t leftzero_cnt = 0;
static uint32_t rightzero_cnt = 0;
/* USER CODE END PV */
/* Private user code ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN 0 */
// 合并并符号扩展 24bit 数据
static void ProcessI2SBlock(const uint16_t *src_words, uint32_t samples, uint32_t offset)
{
for (uint32_t i = offset; i < samples + offset; i++)
{
uint32_t left_word = (uint32_t)src_words[i * 4] << 16 | src_words[i * 4 + 1];
uint32_t right_word = (uint32_t)src_words[i * 4 + 2] << 16 | src_words[i * 4 + 3];
// 取高24bit
int32_t l = (int32_t)(left_word >> 8);
int32_t r = (int32_t)(right_word >> 8);
// 符号扩展 24bit -> 32bit (若第23位为1则为负数，需填充高位)
if (l & 0x00800000u)
l |= 0xFF000000u;
if (r & 0x00800000u)
r |= 0xFF000000u;
i2s_left[i] = l;
i2s_right[i] = r;
// 简单统计静音采样数，调试用
if (abs(l) <= 500)
leftzero_cnt++;
if (abs(r) <= 500)
rightzero_cnt++;
}
}
void HAL_I2S_RxHalfCpltCallback(I2S_HandleTypeDef *hi2s)
{
if (hi2s->Instance == SPI1)
{
ProcessI2SBlock(i2s_rx_dma_buf, I2S_HALF_DMA_CACHE_SAMPLES, 0);
}
}
void HAL_I2S_RxCpltCallback(I2S_HandleTypeDef *hi2s)
{
if (hi2s->Instance == SPI1)
{
ProcessI2SBlock(i2s_rx_dma_buf, I2S_HALF_DMA_CACHE_SAMPLES, I2S_HALF_DMA_CACHE_SAMPLES);
}
}
/* 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_DMA_Init();
MX_USART1_UART_Init();
MX_I2S1_Init();
/* USER CODE BEGIN 2 */
// 启动 I2S DMA 接收: size为 2 * I2S_HALF_DMA_CACHE_SAMPLES 个 32bit 数据
if (HAL_I2S_Receive_DMA(&hi2s1, i2s_rx_dma_buf, 4 * I2S_HALF_DMA_CACHE_SAMPLES) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
my_printf("I2S DMA started.\r\n");
/* USER CODE END 2 */
/* Infinite loop */
/* USER CODE BEGIN WHILE */
while (1)
{
/* USER CODE END WHILE */
/* USER CODE BEGIN 3 */
// 每秒打印一次统计信息
static uint32_t tick_last = 0;
if (HAL_GetTick() - tick_last > 1000)
{
tick_last = HAL_GetTick();
my_printf("leftzero=%lu rightzero=%lu\r\n", leftzero_cnt, rightzero_cnt);
for (int i = 0; i < 2 * I2S_HALF_DMA_CACHE_SAMPLES; i++)
{
my_printf("%ld %ld\r\n", i2s_left[i], i2s_right[i]);
}
leftzero_cnt = 0;
rightzero_cnt = 0;
}
}
/* USER CODE END 3 */
}
STM32CubeMX已经帮我们完成了大部分代码，我们只需要完成几个弱定义的函数就可以了。
需要注意的是，在HAL库的用户手册UM1785中，对HAL_I2S_Receive_DMA的描述如下：
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 16-bit data length.
但这个描述是错误的。在STM32Cube_FW_F0_V1.11.5\Drivers\STM32F0xx_HAL_Driver\目录下的chm文档中，对HAL_I2S_Receive_DMA的描述如下：
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.
我也让了Copilot对HAL库的.c文件作了解读，看起来HAL库会根据配置自动处理，这里只需要填写24或32比特数据的长度即可。
此外，ST的文档中似乎只字未提左右声道的问题。根据ADC的数据手册，在I2S协议中，左声道数据总是先于右声道进行传输。为了验证读取的i2s_rx_dma_buf中的规律，我加了几个函数进行调试。
运行后，程序可以正常打印两个声道的int32数据，左列位左声道，右列为右声道，如下图所示。可以看出，两个声道的数值都很接近0。
用手指触摸13引脚对应的电容，数据变化如下。可以看到，左列数据发生了较大波动，不再接近0。
经过多次复位后重复实验，我们可以确认，在DMA读取的数组中，左声道数据同样先于右声道数据。
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