USB Audio设计与实现
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1前言
本文将基于STM32F4 Discovery板,从零开始设计并实现一个USB Audio的例子。
2设计构思所谓的USB AUDIO就是制作一个盒子，这个盒子可以通过USB连接到PC，PC端将其识别为Audio设备，然后在PC端播放音乐的时候，声音可以通过盒子播放出来。
2.1从原理框图开始图1
如上图所示,我们大概构思一下，为了实现USB%20AUDIO功能，我们使用一个MCU的USB外设连接PC端，整个流程是这样:%20PC端播放音乐时，代表音乐的数据流从PC端通过USB传输到MCU端，MCU端然后将其转发给一个外部Codec，最后通过Codec上连接的扬声器或耳机播放音乐。
2.2硬件支撑这里选择ST官方的STM32F4-DISCOVERY板来实现，之所以选择这块板子，就是因为其上有USB接口和Codec，正好符合我们设计的要求。
2.2.1%20USB接口如下图为USB接口部分的电路：
图2
这个一个将USB作为OTG的电路设计，在本设计中，我们只是将USB作为device来使用，因此，上图我们关注下面部分就可以了。在本设计中，我们使用到全速USB，从上图可以看出D+与D-引脚分别为PA12，PA11。
如下图所示:
图3
如上图所示，这里的Codec为具体型号为CS43L22，MCU通过I2C接口(PB9,PB6)连接Codec，作为其控制接口，使用I2S(PC7,PC10,PC12,PA4)作为数据通道，此外，MCU使用PD4这个IO管脚控制Codec的reset。CS43L22的14,15脚连接到外面的耳机插孔，也就是说，我们可以通过插入耳机线的方式来收听PC端播放的声音。
2.3 软件设计为了简化开发流程，这里使用CubeMx自动生成代码工具来生成初始化代码，首先基于Cube库架构以及USB协议栈的特点，我们得先设计一个合理的软件框架。
图4
如上图，蓝色表示的模块为标准模块，不需要我们去修改它，将由CubeMx自动生成，而绿色部分则可能涉及到需要修改，其中BSP部分是需要自己添加的代码，其他的都是由CubeMx生成。
各个模块的工作流程如下设计:
初始化流程: 由main开始，它首先对将使用到的外设I2C，I2S初始化，这最终将调到HAL MSP底层部分实现对具体IO管脚和外设的初始化。同时main使用usb description的数据通过调用USB栈初始化接口来完成对USB接口的初始化，这一步还涉及到USB的枚举过程。
USB数据传输过程：PC端软件在播放音乐后，通过USB通道向MCU传输音频数据，音频数据到达MCU时，首先触发USB中断，然后进入到HAL driver层，在回调到 usb conf模块，接着进入到usb core，usb core再转给usb audio class，最后音频数据到达usb audio interface模块，到达这里，就只剩下对音频数据进行处理了。Usb audio interface模块是一个数据接收到数据处理的一个中间对接模块。
USB音频数据处理过程: usb audio interface 模块将从USB stack底层传上来的音频数据转发给Codec组件，最终通过Codec组件连接的耳机播放出来。
从以上的音频数据流程来看，最主要的就是usbaudio interface模块，它实现了从USB audio stack到codec驱动的对接。
接下来，我们来看看软件层面上的实现。
还是老办法，采用CubeMx这个工具来生成初始化代码，这样可以节省我们花费在基本外设上的调试初始参数时间。
3.1 创建CubeMx工程由于我们使用到的硬件平台是STM32F4Discovery板，上面搭载的MCU型号是STM32F407VGT6，我们就以此型号创建一个名为Audio_Test的工程。
pinout:
外设有用到USB_OTG_FS(PA11,PA12device模式)，I2C1(PB6,PB9)，I2S3(PC12,PA4,PC10,PC7，半双工主模式),此外Codec的reset使用PD4管脚控制，使用外部8M HSE。其pinout如下图所示：
图5
Clock configuration:
图6
时钟树如上设置，主频使用168M，I2S时钟输出初始化为96M。
Configuration:
HAL层：
Usb_FS：使用默认参数。
I2C：100K速率，7位地址宽度，使用默认参数。
I2S：主发模式，标准16位宽，默认音频为48K，如下图：
图7
并为I2S发送添加DMA，半字位宽：
图8
MiddleWares:
USB选择Audiodevice class,其配置参数如下：
图9
这里都是默认参数。
图10
在描述符参数内得为usb audio class修改两个参数：
PID得修改为0x5730(否则windows驱动会加载出错)
序列号：序列号字符串内不能包含字母，只能是数据(否则windowsaudio驱动在枚举后也不会将音频数据传输下来)。
最后修改工程设置，将堆大小设为4K，栈大小设为1K，如下图：
图11
如此就可以生成工程了，我们生成IAR工程。
3.2 生成的IAR工程介绍图12
如上图所示，生成的IAR工程，主要有User,Drivers,Middleware3个目录。
User目录下为用户源码文件，用户的主要修改也将集中在此目录下，在这里，我们的主要工作是集中在usbd_audio_if.c文件，它对应着之前软件框图中的usbaudio interface模块，主要是实现USB audio协议栈与Codec的对接。其他源文件都保持不变就可以了。
Middlewares目录对应着usb audio stack模块，它由CubeMx自动生成，保持原样就可以，不需要任何修改。
Drivers目录对应着HAL层，它包含CMSIS，HAL驱动。
首先我们不做任何修改，先编译一下工程，发现能顺利编译通过，并烧录进STM32F4DISCOVERY板，运行后通过USB连接上电脑，发现在设备管理器中能正常识别到这个USB AUDIO设备，如下图所示：
图13
这说明，USB与PC端的连接是OK的，但不知道具体有没有数据。我们使用USB分析仪TOTAL PHASE USB480这个设备对USB总线进行数据监控，能够正常采集USB枚举过程和播放音乐的通信数据，如下图所示：
图14
这表明，到目前为止，从PC端到USB端都是能正常工作的，从PC端发送过来的音频数据已经到达usb audio interface模块，目前只不过还没有对这些数据进行处理，显然，接下来的工作，我们就需要将这些音频数据通过codec驱动发送出去，最终到达外部组件CS32L22.
3.3.2 添加codec驱动和audio bsp模块我们已经知道，我们需要为audio添加BSP模块，在这里，我们将BSP归属于drivers类，因此，在drivers目录下添加BSP目录，通过之前的软件架构图我们可以知道，BSP包含Codec驱动（CS43L22）和Audio bsp模块，因此，我们在BSP目录下有添加了Codec的驱动源码cs43l22.c与bsp_audio.c,如下图所示：
图15
其中cs43l22.c为codec cs32l22的驱动，我们可以从ST的组件驱动中找到它，并copy过来直接使用，不需要修改任何代码。而bsp_audio.c是我们自己写的，它的任务是为usbd_audio_if.c与cs43l22.c提供服务，让这两个模块胜利对接。
3.3.2.1 Codec与HAL的对接首先我们来看Codec驱动文件cs43l22.c源文件，这个文件需要使用这个外部需要提供的接口：
AUDIO_IO_Init()
AUDIO_IO_DeInit()
AUDIO_IO_Write()
AUDIO_IO_Read()
这个都是Codec的基本控制接口，是通过I2C来控制的。都是需要用户在驱动外部来提供这些接口给到驱动，于是，我们在bsp_audio.c文件中来提供这个接口的实现：
//---------------------forc43l22port--------------------------//
staticvoidI2Cx_Error(uint8_tAddr)
{
/*De-initializetheIOEcomunicationBUS*/
HAL_I2C_DeInit(&hi2c1);
/*Re-InitiaizetheIOEcomunicationBUS*/
//I2Cx_Init();
//MX_I2C1_Init();
}
staticvoidCODEC_Reset(void)
{
HAL_GPIO_WritePin(AUDIO_RESET_GPIO_Port,AUDIO_RESET_Pin,GPIO_PIN_RESET);
HAL_Delay(5);
HAL_GPIO_WritePin(AUDIO_RESET_GPIO_Port,AUDIO_RESET_Pin,GPIO_PIN_SET);
HAL_Delay(5);
}
voidAUDIO_IO_Init(void)
{
//I2Cx_Init();
}
voidAUDIO_IO_DeInit(void)
{
}
/**
*@briefWritesasingledata.
*@paramAddr:I2Caddress
*@paramReg:Regaddress
*@paramValue:Datatobewritten
*/
staticvoidI2Cx_Write(uint8_tAddr,uint8_tReg,uint8_tValue)
{
HAL_StatusTypeDefstatus=HAL_OK;
status=HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1,Addr,(uint16_t)Reg,I2C_MEMADD_SIZE_8BIT,&Value,1,I2C_TIMEOUT);
/*Checkthecommunicationstatus*/
if(status!=HAL_OK)
{
/*I2Cerroroccured*/
I2Cx_Error(Addr);
}
}
voidAUDIO_IO_Write(uint8_tAddr,uint8_tReg,uint8_tValue)
{
I2Cx_Write(Addr,Reg,Value);
}
/**
*@briefReadsasingledata.
*@paramAddr:I2Caddress
*@paramReg:Regaddress
* @retval Data to be read
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