用 STM32 进行音频处理

STMicroelectronics (ST) 的高性能 ARM Cortex-M7 产品线刚刚发布一款全新产品 STM32H735，发布后前 30 天由 DigiKey 独家供货。像这样的新产品拿到我手上时，我一般会用它搞个小项目，以深入了解其各项特性。在这篇博客中，我选择使用 STM32H735G-DK Discovery 套件来研究各种音频外设并显示结果。我的一个同事提供了下面这个关于套件简介和开箱演示的视频，请先观看一下。

声音捕捉

STM32H735G 具有两个专用的串行音频接口 (SAI)，提供了很大的灵活性。每个 SAI 都有两个子块，可以分别配置为主机或从机， 并包含用于 I²S 类型通信的发射器或接收器。此外，它们还可以为 PDM 麦克风提供时钟，并将输出转换为 PCM。

该器件的其他外设也可以重新改换用途而用于音频。其四个 SPI 接口均可配置用于 I²S。嵌入式三角积分滤波器 (DFSDM) 还可代替 SAI 来处理 PDM 麦克风的转换。

在这个 Discovery 套件中，上面提到的两个 SAI 配置均可以看到起作用。SAI 接口之一通过 I²S 连接到 Cirrus Logic WM8994 编解码器。有编解码器，音频就可以通过 Line In 端口接收，并通过耳机插孔或放大的扬声器输出播放出来。第二个 SAI 工作在 PDM 模式下，并直接连接至板载麦克风。

ST 在 STM32CubeMX 架构中提供了一个 BSP 示例项目，可快速开始使用这些音频外设进行开发。该项目包含用于这些外设的低层驱动程序以及用于 Discovery 套件功能（如音频编解码器）的高层驱动程序。例如，使用 BSP 驱动程序配置来自 Line In 连接器的音频输入就非常简单：

副本
#define BUFFER_SIZE    2048

int16_t audio_buffer[BUFFER_SIZE]
BSP_AUDIO_Init_t  AudioInInit;

/* Initialize audio interface to use line in port for input */
AudioInInit.Device = AUDIO_IN_DEVICE_ANALOG_LINE1;
AudioInInit.ChannelsNbr = 2;
AudioInInit.SampleRate = 44100;
AudioInInit.BitsPerSample = AUDIO_RESOLUTION_16B;
AudioInInit.Volume = 80;

/* Initialize audio in on Instance 0 (SAI I2S) */
BSP_AUDIO_IN_Init(0, &AudioInInit);

/* Start DMA recording into buffer */
BSP_AUDIO_IN_Record(0, (uint8_t *) audio_buffer, 2* BUFFER_SIZE);

利用 ARM CMSIS-DSP

如果您以前用 ARM 开发过，那么很可能已经了解 CMSIS（Cortex 微控制器软件接口标准）。如果没用过，那么知道它是一个硬件抽象层就行，其代码在不同的 ARM Cortex 实现中是一致的。就目前这种情况，我对 CMSIS-DSP 库感兴趣，该库包含针对 ARM 架构进行了优化的常见信号处理功能。

对我而言，合并 CMSIS 库的最简单方法就是直接从源代码上进行。整个 CMSIS 存储库可以从 ARM 的 GitHub 上克隆，但是只需将 CMSIS/DSP/Include 和 CMSIS/DSP/Include 目录添加到您的 ST 项目即可开始。通常，这些文件应复制到默认项目结构中的 Drivers/CMSIS 目录。

在编译之前，先执行两个快速项目调整。首先，在项目的 include 路径中添加新的 CMSIS/DSP/Include 目录。位于该目录的 arm_math.h 标头将包含在您的应用程序中，以访问 DSP 功能。

其次， DSP 库使用了两个 #define 来定义有关硬件架构的信息：__FPU_PRESENT 和 ARM_MATH_CM7。我发现确保找到它们的最简单方法是将它们添加到全局项目符号中，如下所示。

图 1：项目符号定义。

后面是 FFT 计算，仅需几行代码：

副本
#include “arm_math.h”

#define FFT_SIZE    256

arm_rfft_fast_instance_f32 fft_inst;
float32_t fft_in[FFT_SIZE], fft_out[FFT_SIZE];
float32_t fft_mag[FFT_SIZE>>1];

/* Initialize ARM FFT instance with num points */
arm_rfft_fast_init_f32(&fft_inst, FFT_SIZE);

/* Fill the fft_in buffer from Line In or Microphone input */

/* Perform forward direction 32-bit FFT */
arm_rfft_fast_f32(&fft_inst, fft_in, fft_out, 0);

/* Calculate magnitude (buffer size is half because real + imag parts are merged) */
arm_cmplx_mag_f32(fft_out, fft_mag, FFT_SIZE >> 1);

全部汇集在一起

计算完 FFT 后，就可以用图形方式查看结果了。下面的函数结合了来自 ST BSP 驱动程序和 CMSIS-DSP 库的函数，可以在 Discovery 套件的显示屏上绘制出一个简约的观察仪样式的图形。

图 2：Discovery 套件上显示的观察仪。

副本
static void Display_FFT(float32_t *fft_mag)
{
	uint8_t i;
	float32_t max_val;
	uint32_t max_idx;
	uint32_t box_height;
	uint8_t box_width = 2;

	/* Draw horizontal axis */
	UTIL_LCD_FillRect(10, 135, 460, 2, UTIL_LCD_COLOR_WHITE);

	/* Use max value in the results for scale */
	arm_max_f32(fft_mag, FFT_SIZE >> 1, &max_val, &max_idx);

	/* Draw frequency bins */
	for(i = 0; i < 230; i++)
	{
		box_height = 100 * (fft_mag[i] / max_val);
		UTIL_LCD_FillRect(10 + box_width*i, 135, box_width, box_height, UTIL_LCD_COLOR_WHITE);
	}
}

总结

STM32H735 是一款功能强大的微控制器，具有大量板载功能，尤其适合多媒体和信号处理应用。在本月月底前，DigiKey 是该产品的独家分销商，因此如果您认为这个对您的下一个项目很有用，那么请到我们的网站进一步了解。