STM32F1 - problem z przesyłaniem pliku WAV za pomocą I2S (SD, FatFs, DMA, I2S, DAC)

[Teo]

Cześć!

Po kilku małych projektach opartych na Nucleo i Discovery postanowiłem wykonać trochę bardziej skomplikowany i praktyczny projekt - odtwarzacz plików WAV z karty SD i... zwracam się do Was z prośbą o pomoc 😄

Projekt oparty jest o STM32F103RCT6 do którego podłączone jest gniazdo kart microSD i DAC (PCM1780).

Za pomocą FatFs odczytuję plik WAV z karty microSD do bufora, następnie korzystając z DMA wysyłam go do DACa z wykorzystaniem I2S. Po przesłaniu pierwszej połowy bufora, wczytuję ją z karty microSD w trakcie gdy odtwarzana jest druga. W trakcie odtwarzania pierwszej, wczytuję drugą połowę bufora, itd... teoretycznie 🙂

Dźwięk który udało mi się uzyskać jest mocno zniekształcony i spowolniony.
Po podłączeniu oscyloskopu do wyjścia DACa okazało się że dźwięk generowany jest tylko przez ok. 1/3 czasu.

Po sprawdzeniu sygnałów LRCK i SDATA stało się jasne gdzie leży przyczyna:

Sygnał SDATA generowany jest prawidłowo przez taki sam czas jak poprawnie odtwarzany dźwięk. Przez resztę czasu nie ma go w ogóle lub ma znacznie za niską częstotliwość (równą sygnałowi LRCK).

Kod programu wygląda następująco:

main.c

/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "main.h"
#include "fatfs.h"

/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "wavPlayer.h"
#include "sd.h"
#include "string.h"
#include "math.h"
/* USER CODE END Includes */

/* Private variables ---------------------------------------------------------*/
I2S_HandleTypeDef hi2s2;
DMA_HandleTypeDef hdma_spi2_tx;

SPI_HandleTypeDef hspi1;

/* USER CODE BEGIN PV */

/* USER CODE END PV */

/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);
static void MX_DMA_Init(void);
static void MX_SPI1_Init(void);
static void MX_I2S2_Init(void);
/* USER CODE BEGIN PFP */
void HAL_I2S_TxCpltCallback(I2S_HandleTypeDef *hi2s);
void HAL_I2S_TxHalfCpltCallback(I2S_HandleTypeDef *hi2s);
/* USER CODE END PFP */

/**
  * @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 */
  HAL_I2S_MspInit(&hi2s2);
  /* USER CODE END SysInit */

  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_DMA_Init();
  MX_FATFS_Init();
  MX_SPI1_Init();
  MX_I2S2_Init();
  MX_SPI3_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */
  
  SDMount();
  WAVPlayerFileSelect("test1.wav");
  WAVPlayerPlay(&hi2s2);

  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
	  WAVPlayerProcess();
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
  }
  /* USER CODE END 3 */
}

/**
  * @brief System Clock Configuration
  * @retval None
  */
void SystemClock_Config(void)
{
  RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
  RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};
  RCC_PeriphCLKInitTypeDef PeriphClkInit = {0};

  /** Initializes the RCC Oscillators according to the specified parameters
  * in the RCC_OscInitTypeDef structure.
  */
  RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;
  RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;
  RCC_OscInitStruct.HSEPredivValue = RCC_HSE_PREDIV_DIV1;
  RCC_OscInitStruct.HSIState = RCC_HSI_ON;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLMUL = RCC_PLL_MUL7;
  if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }

  /** Initializes the CPU, AHB and APB buses clocks
  */
  RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
                              |RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
  RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
  RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
  RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;
  RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;

  if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_2) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  PeriphClkInit.PeriphClockSelection = RCC_PERIPHCLK_I2S2;
  PeriphClkInit.I2s2ClockSelection = RCC_I2S2CLKSOURCE_SYSCLK;
  if (HAL_RCCEx_PeriphCLKConfig(&PeriphClkInit) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
}

/**
  * @brief I2S2 Initialization Function
  * @param None
  * @retval None
  */
static void MX_I2S2_Init(void)
{

  /* USER CODE BEGIN I2S2_Init 0 */

  /* USER CODE END I2S2_Init 0 */

  /* USER CODE BEGIN I2S2_Init 1 */

  /* USER CODE END I2S2_Init 1 */
  hi2s2.Instance = SPI2;
  hi2s2.Init.Mode = I2S_MODE_MASTER_TX;
  hi2s2.Init.Standard = I2S_STANDARD_PHILIPS;
  hi2s2.Init.DataFormat = I2S_DATAFORMAT_16B;
  hi2s2.Init.MCLKOutput = I2S_MCLKOUTPUT_ENABLE;
  hi2s2.Init.AudioFreq = I2S_AUDIOFREQ_44K;
  hi2s2.Init.CPOL = I2S_CPOL_LOW;
  if (HAL_I2S_Init(&hi2s2) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  /* USER CODE BEGIN I2S2_Init 2 */

  /* USER CODE END I2S2_Init 2 */

}

/**
  * @brief SPI1 Initialization Function
  * @param None
  * @retval None
  */
static void MX_SPI1_Init(void)
{

  /* USER CODE BEGIN SPI1_Init 0 */

  /* USER CODE END SPI1_Init 0 */

  /* USER CODE BEGIN SPI1_Init 1 */

  /* USER CODE END SPI1_Init 1 */
  /* SPI1 parameter configuration*/
  hspi1.Instance = SPI1;
  hspi1.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER;
  hspi1.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES;
  hspi1.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT;
  hspi1.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW;
  hspi1.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_1EDGE;
  hspi1.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT;
  hspi1.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_4;
  hspi1.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB;
  hspi1.Init.TIMode = SPI_TIMODE_DISABLE;
  hspi1.Init.CRCCalculation = SPI_CRCCALCULATION_DISABLE;
  hspi1.Init.CRCPolynomial = 10;
  if (HAL_SPI_Init(&hspi1) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  /* USER CODE BEGIN SPI1_Init 2 */

  /* USER CODE END SPI1_Init 2 */

}

/**
  * Enable DMA controller clock
  */
static void MX_DMA_Init(void)
{

  /* DMA controller clock enable */
  __HAL_RCC_DMA1_CLK_ENABLE();

  /* DMA interrupt init */
  /* DMA1_Channel5_IRQn interrupt configuration */
  HAL_NVIC_SetPriority(DMA1_Channel5_IRQn, 0, 0);
  HAL_NVIC_EnableIRQ(DMA1_Channel5_IRQn);

}

/**
  * @brief GPIO Initialization Function
  * @param None
  * @retval None
  */
static void MX_GPIO_Init(void)
{
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
/* USER CODE BEGIN MX_GPIO_Init_1 */

  // REMAP NJTRST pin to use PB4 as normal GPIO
  __HAL_RCC_AFIO_CLK_ENABLE();
  __HAL_AFIO_REMAP_SWJ_NONJTRST();

/* USER CODE END MX_GPIO_Init_1 */

  /* GPIO Ports Clock Enable */
  __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();

  /*Configure GPIO pin Output Level */
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_SET);

  /*Configure GPIO pin : PA4 */
  GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_4;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_OD;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
  GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
  HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

/* USER CODE BEGIN MX_GPIO_Init_2 */
/* USER CODE END MX_GPIO_Init_2 */
}

/* USER CODE BEGIN 4 */

void HAL_I2S_TxCpltCallback(I2S_HandleTypeDef *hi2s)
{
	WAVPlayerBufferState(2);
}

void HAL_I2S_TxHalfCpltCallback(I2S_HandleTypeDef *hi2s)
{
	WAVPlayerBufferState(1);
}

/* USER CODE END 4 */

/**
  * @brief  This function is executed in case of error occurrence.
  * @retval None
  */
void Error_Handler(void)
{
  /* USER CODE BEGIN Error_Handler_Debug */
  /* User can add his own implementation to report the HAL error return state */
  __disable_irq();
  while (1)
  {
  }
  /* USER CODE END Error_Handler_Debug */
}

#ifdef  USE_FULL_ASSERT
/**
  * @brief  Reports the name of the source file and the source line number
  *         where the assert_param error has occurred.
  * @param  file: pointer to the source file name
  * @param  line: assert_param error line source number
  * @retval None
  */
void assert_failed(uint8_t *file, uint32_t line)
{
  /* USER CODE BEGIN 6 */
  /* User can add his own implementation to report the file name and line number,
     ex: printf("Wrong parameters value: file %s on line %d\r\n", file, line) */
  /* USER CODE END 6 */
}
#endif /* USE_FULL_ASSERT */

wavPlayer.c

#define SPI_TIMEOUT 500

#include <wavPlayer.h>
#include "fatfs.h"

FATFS fatFs;			// file system
FIL wavFile;			// file
FIL file;
FRESULT fresult;		// to store the result

UINT br, bw;

/* capacity related variables */
FATFS *pfatFs;
DWORD fre_clust;
uint32_t total, free_space;

uint8_t bufferState = 0;

int16_t audioBuffer[AUDIO_BUFFER_SIZE];

extern SPI_HandleTypeDef hspi3;

bool SDMount(void)
{
  /* Mount SD Card */
  if (f_mount(&fatFs, "", 0) == FR_OK)
  {
	  return true;
  }
  else
  {
	  return false;
  }
}

bool WAVPlayerFileSelect(const char* filePath)
{
	UINT readBytes = 0;
	uint32_t chunkId;
	uint32_t chunkSize;
	uint32_t format;
	uint32_t subchunk1Id;
	uint32_t subchunk1Size;
	uint16_t audioFormat;
	uint16_t numChannels;
	uint32_t sampleRate;
	uint32_t byteRate;
	uint16_t blockAlign;
	uint16_t bitsPerSample;
	uint32_t subchunk2Id;
	uint32_t subchunk2Size;

	/* Open WAV file to read */
	if (f_open(&wavFile, filePath, FA_READ) != FR_OK)
	{
		return false;
	}

	f_read(&wavFile, &chunkId, sizeof(chunkId), &readBytes);
	f_read(&wavFile, &chunkSize, sizeof(chunkSize), &readBytes);
	f_read(&wavFile, &format, sizeof(format), &readBytes);
	f_read(&wavFile, &subchunk1Id, sizeof(subchunk1Id), &readBytes);
	f_read(&wavFile, &subchunk1Size, sizeof(subchunk1Size), &readBytes);
	f_read(&wavFile, &audioFormat, sizeof(audioFormat), &readBytes);
	f_read(&wavFile, &numChannels, sizeof(numChannels), &readBytes);
	f_read(&wavFile, &sampleRate, sizeof(sampleRate), &readBytes);
	f_read(&wavFile, &byteRate, sizeof(byteRate), &readBytes);
	f_read(&wavFile, &blockAlign, sizeof(blockAlign), &readBytes);
	f_read(&wavFile, &bitsPerSample, sizeof(bitsPerSample), &readBytes);
	f_read(&wavFile, &subchunk2Id, sizeof(subchunk2Id), &readBytes);
	f_read(&wavFile, &subchunk2Size, sizeof(subchunk2Size), &readBytes);

	if(CHUNK_ID_CONST == chunkId && FORMAT_CONST == format)
	{
		return true;
	}
	else
	{
		return false;
	}
	return true;
}

void WAVPlayerPlay(I2S_HandleTypeDef* i2s)
{
	// Fill buffer first time
	f_read(&wavFile, &audioBuffer, AUDIO_BUFFER_SIZE, &br);
	// Start circular DMA
	HAL_I2S_Transmit_DMA(i2s, (uint16_t *)audioBuffer, AUDIO_BUFFER_SIZE);
}
void WAVPlayerBufferState(uint8_t bs)
{
	bufferState = bs;
}

void WAVPlayerProcess(void)
{
	if(bufferState == 1)
	{
		f_read(&wavFile, &audioBuffer[0], AUDIO_BUFFER_SIZE / 2, &br);
		bufferState = 0;
	}
	if(bufferState == 2)
	{
		f_read(&wavFile, &audioBuffer[AUDIO_BUFFER_SIZE / 2], AUDIO_BUFFER_SIZE / 2, &br);
		bufferState = 0;
	}
}

wavPlayer.h

#include "main.h"
#include "stm32f1xx_hal.h"

#define AUDIO_BUFFER_SIZE		4096
#define WAV_FILE_HEADER_SIZE	44

#define CHUNK_ID_CONST			0x46464952
#define FORMAT_CONST			0x45564157
#define CHANNEL_STEREO			2

bool SDMount(void);
bool WAVPlayerFileSelect(const char* filePath);
void WAVPlayerPlay(I2S_HandleTypeDef* i2s);
void WAVPlayerBufferState(uint8_t bs);
void WAVPlayerProcess(void);

 

Próbowałem manewrować różnymi parametrami I2S oraz rozmiarem bufora i jedyna zmiana którą zauważyłem to przy zmniejszeniu rozmiary bufora do 512 czas poprawnego generowania sygnału zwiększył się do ok. 1/2 czasu.

Co może być przyczyną takiego zachowania I2S?

Edytowano Kwiecień 27, 2023 przez Teo

[Teo]

Udało mi się rozwiązać problem 🙂

Okazało się że...
1) Mój bufor audio jest typu int16_t (2 bajty), natomiast funkcja f_read jako ilość informacji do odczytu oczekuje wartości w bajtach, dlatego AUDIO_BUFFER_SIZE / 2 sprawiało że wypełniana była 1/4 bufora. Po zamianie na AUDIO_BUFFER_SIZE wypełniane są całe połowy bufora.
2) Wygląda na to że dla STM32F103RCT6 plik WAV z częstotliwością próbkowania 44,1 kHz to zbyt wiele. Przekonwertowałem pliku WAV na 22kHz i zmieniłem ustawienia I2S.

Po obu zabiegach sygnał jest generowany cały czas i bez zniekształceń 😉

[Treker (Damian Szymański)]

@Teo dzięki za podzielnie się rozwiązaniem problemu, jest duża szansa, że przyda się komuś w przyszłości 🚀