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基于靈動(dòng)MM32F5270開發(fā)板播放MP3和WAV音頻文件

2023-06-25
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本帖最后由春嬌霹靂娃于 2023-6-16 14:47 編輯 #申請(qǐng)?jiān)瓌?chuàng)# @21小跑堂一、I2S簡(jiǎn)介 I2S（Inter-IC Sound）總線為集成在芯片內(nèi)的音頻總線，是飛利浦公司為數(shù)字音頻設(shè)備之間的音頻數(shù)據(jù)傳輸而制定的一種總

本帖最后由春嬌霹靂娃于 2023-6-16 14:47 編輯

#申請(qǐng)?jiān)瓌?chuàng)# @21小跑堂

一、I2S簡(jiǎn)介
I2S（Inter-IC Sound）總線為集成在芯片內(nèi)的音頻總線，是飛利浦公司為數(shù)字音頻設(shè)備之間的音頻數(shù)據(jù)傳輸而制定的一種總線標(biāo)準(zhǔn)。

MM32F5270系列MCU最多支持3個(gè)I2S接口，支持半雙工通信和全雙工通信，數(shù)據(jù)幀格式可配置為 16 位、24 位或 32 位。數(shù)據(jù)傳輸方向始終是MSB優(yōu)先，且每個(gè)I2S接口都支持DMA傳輸方式。MM32F5270系列的I2S支持飛利浦標(biāo)準(zhǔn)、MSB向左對(duì)齊標(biāo)準(zhǔn)、LSB向右對(duì)齊標(biāo)準(zhǔn)和PCM標(biāo)準(zhǔn)四種。

MM32F5270 是一款搭載了安謀科技 Arm China STAR-MC1 內(nèi)核的 MCU 產(chǎn)品，其工作頻率可達(dá) 120MHz，內(nèi)置多達(dá) 256KB Flash 和 192KB RAM。MM32F5270 相較于現(xiàn)有產(chǎn)品全面提升了性能、存儲(chǔ)容量、總線架構(gòu)和外設(shè)配置，旨在覆蓋更廣泛的工業(yè)、汽車和 IoT 應(yīng)用。

二、本文實(shí)現(xiàn)音頻播放的設(shè)計(jì)框架
本實(shí)驗(yàn)搭載在 PLUS-F5270 開發(fā)板，通過 SDSPI 組件實(shí)現(xiàn) FatFs 移植讀取音頻文件，分為 WAV 格式音頻文件解碼和 MP3 格式音頻文件通過 libmad 解碼。組件包含SDSPI、FatFS 和 Libmad 三部分組成，整個(gè)設(shè)計(jì)框圖如下圖：

三、實(shí)驗(yàn)環(huán)境

1.硬件環(huán)境：MM32F5277E9P開發(fā)板，SD卡及讀卡器

I2S 部分電路原理圖：

2.軟件環(huán)境：KEIL軟件，Tera Term 終端軟件，酷狗音樂

本實(shí)驗(yàn)整個(gè)設(shè)計(jì)思路為：
1.通過 SDSPI 接口操作 SD 卡，移植 FatFs 文件系統(tǒng)對(duì)音頻文件進(jìn)行識(shí)別，對(duì)音頻文件數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取操作;
2.通過 DMA 搬運(yùn)的方式，將存儲(chǔ)在 SD 卡中的音頻文件（WAV 格式 / MP3 格式）通過 I2S 總線，將音頻數(shù)據(jù)發(fā)送給 CS4344 音頻數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，從而播放出音樂;
3.開啟 DMA 傳輸完成中斷和半傳輸完成中斷;
4.使用雙緩沖區(qū)，實(shí)現(xiàn)流暢的音頻文件播放效果。

四、FatFS簡(jiǎn)介
1.FatFs official website: http://elm-chan.org/fsw/ff/00index_e.html
FatFS 負(fù)責(zé)管理和存儲(chǔ)文件信息的軟件機(jī)構(gòu)，是一種在磁盤上組織文件的方法。其優(yōu)點(diǎn)有：

C 語言編寫，支持 FAT12, FAT16 和 FAT32
支持多種存儲(chǔ)媒介，有獨(dú)立的緩沖區(qū)，可對(duì)多個(gè)文件進(jìn)行讀寫
可裁剪的文件系統(tǒng)
免費(fèi)開源，專門為小型嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.移植FatFS
適配ffconf.h和diskio.c文件，使編譯通過。

FatFS常用的API如下圖：

五、WAV格式音頻文件
1.WAV是 Waveform 的簡(jiǎn)寫，也叫波形文件，是一種可以存儲(chǔ)聲音波形的數(shù)字音頻格式。其具有真實(shí)記錄聲音波形的特點(diǎn)，基本無數(shù)據(jù)壓縮，數(shù)據(jù)體量相對(duì)較大。典型的WAV文件格式如下圖：

WAV 文件采用的是 RIFF 格式結(jié)構(gòu)，至少由 RIFF 塊、fmt 塊和 data 塊組成。每個(gè) RIFF 文件由若干個(gè)塊 (chunk) 組成，每個(gè)塊由塊標(biāo)識(shí)、塊長(zhǎng)度以及數(shù)據(jù)這三部分組成。塊標(biāo)識(shí)由 4 個(gè) ASCII 碼字符組成的，如果不滿 4 個(gè)字符則在右邊以空格來補(bǔ)齊。塊長(zhǎng)度由 4 個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)空間，保存的是當(dāng)前塊數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，但不包含塊標(biāo)識(shí)和塊長(zhǎng)度字段，所以一個(gè)塊的實(shí)際長(zhǎng)度就是塊長(zhǎng)度字段的數(shù)值再加上 8 字節(jié)。

WAV文件格式實(shí)例解析如下：

2.WAV文件解碼

結(jié)構(gòu)體定義：wav_decode.h
結(jié)構(gòu)解析：

bool wav_decode_open(wav_decode_obj_t * obj, char * file_name, uint8_t * buf, uint32_t buf_size)
bool wav_decode_read(wav_decode_obj_t * obj, uint16_t * buf, uint32_t buf_len)
void wav_decode_close(wav_decode_obj_t * obj)

播放實(shí)現(xiàn)：void app_wav_play(void)

wav_decode_open 打開FatFS 中音頻文件：

/* open fatfs file. */
bool wav_decode_open(wav_decode_obj_t * obj,char * file_name, uint8_t * buf, uint32_t buf_size){
UINT fatfs_br = 0u;
uint8_t offset = 0u;
if (FR_OK != f_open(&(obj->fatfs_file), file_name, FA_READ) ){
return false;}
obj->fatfs_buf = buf;
obj->fatfs_buf_size = buf_size;
if (FR_OK != f_read(&(obj->fatfs_file), obj->fatfs_buf, WAV_DECODE_HEAD_BUFFER_SIZE, &fatfs_br)){
return false;}
chunk_riff_def_t *chunk_riff;
chunk_fmt_def_t *chunk_fmt;
chunk_fact_def_t *chunk_fact;
chunk_data_def_t *chunk_data;
chunk_riff = (chunk_riff_def_t *)(obj->fatfs_buf);
chunk_fmt = (chunk_fmt_def_t *)(obj->fatfs_buf + 12);
chunk_fact = (chunk_fact_def_t *)(obj->fatfs_buf + 12 + 8 + chunk_fmt->sub_chunk1_size);
if((chunk_fact->chunk_id == 0x74636166) || (chunk_fact->chunk_id == 0x5453494C)){
chunk_data = (chunk_data_def_t *)(obj->fatfs_buf + 12 + 8 + chunk_fmt->sub_chunk1_size + 8 + chunk_fact->chunk_size);
offset = 12 + 8 + chunk_fmt->sub_chunk1_size + 8 + chunk_fact->chunk_size;}
else{
chunk_data = (chunk_data_def_t *)(obj->fatfs_buf + 12 + 8 + chunk_fmt->sub_chunk1_size);
offset = 12 + 8 + chunk_fmt->sub_chunk1_size;}
if(chunk_riff->format == 0x45564157 && chunk_data->sub_chunk2_id == 0x61746164){
obj->audio_format = chunk_fmt->audio_format;
obj->channel = chunk_fmt->num_of_channels;
obj->sample_rate = chunk_fmt->sample_rate;
obj->bits_per_sample = chunk_fmt->bits_per_sample;
obj->bit_rate = chunk_fmt->byte_rate * 8;
obj->block_align = chunk_fmt->block_align;
obj->data_size = chunk_data->sub_chunk2_size;
obj->data_start_offset = offset;
obj->total_second = obj->data_size;
}else{
return false;}
return true;
}

復(fù)制代碼

wav_decode_read 讀取音頻文件數(shù)據(jù)：

/* read fatfs file. */
bool wav_decode_read(wav_decode_obj_t * obj,uint16_t * buf,uint32_t buf_len){
UINT fat_br = 0u;
if (FR_OK != f_read(&(obj->fatfs_file), buf, buf_len,&fat_br) ){
return false;}
obj->current_second+=fat_br;
if((fat_br <= 0) || (fat_br < buf_len)){
return false;}
return true;
}

復(fù)制代碼

wav_decode_close 解碼數(shù)據(jù)結(jié)束：

/* close fatfs file. */
void wav_decode_close(wav_decode_obj_t * obj){
f_close(&(obj->fatfs_file) );}

復(fù)制代碼

app_wav_play 播放 WAV：

/* play wave audio. */
void app_wav_play(void){
if( wav_decode_open(&wav_obj, file_path, file_buf, 10240) ){
if( (wav_obj.bits_per_sample == 16) &&
(wav_obj.channel == 2) &&
(wav_obj.sample_rate > 44000) &&
(wav_obj.sample_rate < 48100)){
Audio_ClearStatus(AUDIO_STATUS_XFER_HALF | AUDIO_STATUS_XFER_DONE);
wav_decode_read(&wav_obj, audio_buf[0], 5120);
Audio_SetConf(44100, (uint16_t *)audio_buf[0], 2560);
Audio_Enable(true);}}
else{
return;}
uint8_t next_index = 1;
while(1){
while((Audio_GetStatus() & AUDIO_STATUS_XFER_HALF) != AUDIO_STATUS_XFER_HALF);
Audio_ClearStatus(AUDIO_STATUS_XFER_HALF);
if(next_index == 0){
if(!wav_decode_read(&wav_obj,audio_buf[0], 5120)){
break;}}
else{
if(!wav_decode_read(&wav_obj,audio_buf[1], 5120)){
break;}}
while((Audio_GetStatus() & AUDIO_STATUS_XFER_DONE) != AUDIO_STATUS_XFER_DONE);
Audio_ClearStatus(AUDIO_STATUS_XFER_DONE);
if(next_index == 0){
Audio_SetConf(44100, (uint16_t *)audio_buf[0], 2560);
next_index = 1;}
else{
Audio_SetConf(44100, (uint16_t *)audio_buf[1], 2560);
next_index = 0;}
Audio_Enable(true);}
Audio_Enable(false);
wav_decode_close(&wav_obj);}

復(fù)制代碼

六、MP3音頻文件解碼
1.MP3 格式音樂文件 (Moving Picture Experts Group Audio Layer III (MPEG Audio Layer 3) )，經(jīng)過壓縮后的 MP3 文件數(shù)據(jù)由多個(gè)幀 (frame) 組成。幀是 MP3 文件的最小組成單位，每個(gè)幀由幀頭、附加信息和聲音數(shù)據(jù)組成，幀的長(zhǎng)度由不同的 MP3 文件而不同，每個(gè)幀包含一段音頻的壓縮數(shù)據(jù)，通過解碼庫(kù)解碼即可得到對(duì)應(yīng) PCM 音頻數(shù)據(jù)。

2.MP3解碼庫(kù)
適合在小型嵌入式控制器移植的有兩個(gè)開源 MP3 解碼庫(kù)，libmad 解碼庫(kù)和 helix 解碼庫(kù)，這兩個(gè)解碼庫(kù)都是以一幀為解碼單位，一次解碼一幀，其區(qū)別見下表：

Libmad	Helix
高精度的MPEG音頻解碼庫(kù) 支持MPEG-1、MPEG-2、MPEG-2.5標(biāo)準(zhǔn) 提供24 bit PCM輸出用定點(diǎn)運(yùn)算模擬浮點(diǎn)運(yùn)算，不需要處理器有浮點(diǎn)運(yùn)算功能對(duì)MP3解碼中關(guān)鍵部分采用優(yōu)化算法軟件庫(kù)結(jié)構(gòu)清晰，易于開發(fā)和使用。。。	支持MPEG-1、MPEG-2、MPEG-2.5標(biāo)準(zhǔn) 支持定點(diǎn)和浮點(diǎn)運(yùn)算支持可變位恒率、恒定位速率及立體聲、單聲道音頻格式。。。

3.libmad軟件解碼庫(kù)
本實(shí)驗(yàn)使用Libmad解碼庫(kù)進(jìn)行MP3解碼。libmad 是一個(gè)開源 MP3 解碼庫(kù)，其對(duì) MP3 解碼算法做了很多優(yōu)化，性能較好，很多播放器如 mplayer、xmms 等都是使用這個(gè)開源庫(kù)進(jìn)行解碼的。Download from : https://downloads.sourceforge.net/mad/libmad-0.15.1b.tar.gz

“mad.h” 頭文件定義了 libmad 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及 API 函數(shù)，libmad 中的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體如下表所示：

4.移植libmad
將 libmad-0.15.1b 文件夾復(fù)制到工程目錄，將所有的 .c 文件加入工程，設(shè)置好包含路徑。

若編譯出現(xiàn) “FPM not select” 警告，在 KEIL 進(jìn)行宏定義配置，如下圖：

libmad 代碼中使用 DEBUG 預(yù)編譯作為調(diào)試開關(guān)，需將其屏蔽

libmad 解碼出的數(shù)據(jù)為 24-bit PCM 數(shù)據(jù)，需進(jìn)行 24-bit 至 16-bit 的轉(zhuǎn)換，使用 uint16_t scale(mad_fixed_t sample) 函數(shù)。

解碼用到三個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，需將其定義為全局變量，防止�？臻g不夠：

struct mad_frame Frame;
struct mad_synth Synth;
struct mad_stream Stream;

解碼的緩沖區(qū) audio buffer 要設(shè)置為全局變量，注意字節(jié)對(duì)齊的問題。

Libmad音頻解碼MP3也分為三個(gè)API完成：

bool mp3_decode_open(mp3_decode_obj_t * obj, char * file_name, uint8_t * buf, uint32_t buf_size);
bool mp3_decode_read(mp3_decode_obj_t * obj, uint16_t * buf, uint32_t buf_len);
void mp3_decode_close(mp3_decode_obj_t * obj);

復(fù)制代碼

最終主函數(shù)實(shí)現(xiàn)WAV和MP3的播放

#include "board_init.h"
#include "ff.h"
#include "mp3_decode.h"
#include "audio_port.h"
#include "wav_decode.h"
FATFS fs;
DIR dir;
char file_path[BOARD_FILE_PATH_MAX_LEN];
const char str_dir_path[] = BOARD_AUDIO_DIR_PATH;
/* audio buffer. */
__attribute__((aligned(4))) uint16_t audio_buf[2][5120];
__attribute__((aligned(4))) uint16_t out_buf[2][5120];
/* file buffer. */
__attribute__((aligned(4))) uint8_t file_buf[10240];
__attribute__((aligned(4))) mp3_decode_obj_t mp3_obj;
__attribute__((aligned(4))) wav_decode_obj_t wav_obj;
bool app_fatfs_init(void);
void app_get_next_audio(void);
void app_mp3_play(void);
void app_wav_play(void);
int main(void){
BOARD_Init();
printf("audio player.\r\n");
app_fatfs_init();
while (1){
app_get_next_audio();
/* play mp3 audio. */
if (strstr(file_path, ".mp3") != NULL || strstr(file_path, ".MP3")) /* mp3 file. */{
app_mp3_play();
printf("done.\r\n");}