Nucleo-F413ZH 工程版测评(下): DFSDM, SAI

在前面的若干测试(Nucleo-F413ZH 工程版测评(上): 外观,总线性能,功耗, Nucleo-F413ZH 工程版测评(中): 浮点计算, 频率计)之后，我来试用下STM32F413上面两个比较新的设备：DFSDM 和 SAI.

DFSDM是为Sigma-Delta解调准备的数字滤波器模块，内部结构做得也挺复杂的，在这里我能想到的唯一应用就是数字麦克风了。数字麦克风也许大家不熟悉，其实它就在身边：手机里面、笔记本电脑里面、平板电脑里面用的麦克风很可能就是它。在STM32F7-disco开发板上面就配备了数字麦克风，细心一点就不难观察到。

 
上面照片中的这颗数字麦克风是联想笔记本电脑里面的，在一块麦克风和指示灯组件小板上。单买这种麦克风不好买，但taobao买各种排线模组配件啥的就有了，玩玩也不贵，或者拆淘汰的电子设备上的。数字麦克风是1-bit编码输出，实际上就是Sigma-Delta调制过的音频信号。除了电源、地之外，主要就是Clock和Data两个信号了，Clock是控制器给麦克风的，一般按64倍的采样频率。还有一个特别点是数字麦克风可以两只共用一条Data线，分别把数据在Clock的上升沿和下降沿锁存，所以麦克风还有一个引脚用来配置是用哪个沿发送数据。

 
　　如STM32F413手册上的麦克风连接例子图示

 
STM32F413ZH上有两个DFSDM部件，分别有2个和4个数字滤波器，所以最多可以处理6路麦克风信号，还带有延迟补偿，可以实现麦克风阵列，蛮强大的。不过我这个小板子上就两只麦克风，暂时就用一只接收音频看看吧。

 
DFSDM主要的部分是两个：串行接收模块(Channel)，数字滤波器模块(Filter)。还有其它功能比如watchdog, 各种比较器, 还可以从APB上读数据作为滤波器输入，等等。我为了实验数字麦克风，就不必要的不管了。整到最后，发现要采集数字麦克风音频其实配置少量寄存器就是了：
　　(1) APB使能DFSDM1硬件，GPIO把 DFSDM1_CKOUT (我用PC2)，DFSDM1_DATIN0 (我用PB1)引脚设好
　　(2) 把DFSDM1用的clock选好，这个clock不是APB接口的时钟
　　(3) 配置 CH0CFGR1 寄存器，开启Channel0功能，设定输入模式，以及输出时钟分频：
DFSDM1_Channel0->CHCFGR1 = DFSDM_CHCFGR1_DFSDMEN|DFSDM_CHCFGR1_CHEN|15<<16|DFSDM_CHCFGR1_CKOUTSRC|DFSDM_CHCFGR1_SPICKSEL_0; 
　　(4) 配置 FLT0FCR，设置sinc滤波器阶数，降采样率：我用5阶滤波器, 64倍降采样
DFSDM1_Filter0->FLTFCR = 5<<29|63<<16;
　　(5) 配置 FLT0CR1，设置工作模式，数据来源，开启并启动转换：
DFSDM1_Filter0->FLTCR1 = DFSDM_FLTCR1_FAST|DFSDM_FLTCR1_RCONT|DFSDM_FLTCR1_DFEN;
DFSDM1_Filter0->FLTCR1 |= DFSDM_FLTCR1_RSWSTART;

　　实验现场：从小板上的Testpad飞线出来，接插针，连到Nucleo

 
　　示波器采到的数字麦克风Clock和Data波形：

 
用示波器很容易确认麦克风在工作，但还要在 FLT0ISR 寄存器中确认 REOCF 位变为1，才有转换后的数据可读。24-bit的转换值在 FLT0RDATAR 寄存器的高24位。我的时钟设定结果大约是 44100 的音频采样率，麦克风的时钟是这个的64倍。因为这里只是确认能读到数据，并没有任何数据处理比如声音检测算法啊，也暂时没做啥实际用途

 依靠STM32F4的强大计算能力，只要不是依靠大量数据样本的简单的音频应用还是可能的。

数字麦克风接收的音频到底对不对，还得有办法检查一下。从STM32F413的12-bit DAC输出是一个办法，但对音频来说这个精度不够。用专用的数字音频接口吧：I2S或者SAI都可以胜任。

在STM32系列里面，I2S功能通常是和SPI复用的：大多数的SPI硬件都有I2S模式。但是这个硬件I2S不是很好用，特别是Slave模式有bug。ST在新一代的MCU里面加入了SAI——串行音频接口，就强多了。一个SAI有两个串行收发部分，可以同步也可以独立工作。

 
　　现在我必须要开始吐槽一下STM32F413的手册了，上面这段是从Datasheet里面截图出来的，请注意，支持 SPDIF 输出哦。然后，看Reference manual的SAI部分

 
　　竟然这里就没提 SPDIF ! 我搜遍整个Reference manual, 只字未提 SPDIF 

  ST啊，Nucleo你出一个ES工程版的也就罢了，手册也要来ES版吗？

　　下面是RCC章节部分Clock tree的图

 
　　PLL1的输出这里是连错了，R输出废弃么？

 
　　ck_plli2s_ext 这是引脚么？还是什么信号？通篇都找不到。I2S_CKIN这是要标给什么呢？

 
　　PLLDIVR，这里说的是 div 1 到 32，看好了

 
　　但是后面描述的时候是这么说的

 
　　对，说的是 div只能从1~31。还有，请注意 PLLDIVR 在寄存器中是 12:8 位，但是前面的表里面是这样的

 
　　表格里面是 bit13 到 bit9，前后不符！我在这里就遇到了错误，怎么设都是蹊跷。后来才发现是手册上面自相矛盾。


　　还有这样的错，一眼就能看出来。拜托，发布手册不要这么着急好么？

 
排除了手册的bug，我终于把SAI的I2S master模式调通了。按44100采样频率的设计，从PLL需要产生271MHz的时钟，除以6以后得到45.1667MHz, 再除以1024得到44.1081kHz，是很接近组合。因为PLL R输出最多只能除以7，所以后面分频是用PLLDIVR来除以4, 得到11.2917MHz 作为SAI部分的时钟。同时，PLL R时钟也给DFSDM1, 因为它内部有最大256的分频系数，用在麦克风没有问题，除以16是麦克风的Clock. 

 
　　在SAI A block中，11.2917MHz 除以4是SCK_A的频率，再除以64就是FS_A的频率。协议及数据格式设置如下：
        SAI1_Block_A->CR1 = SAI_xCR1_DS_2|SAI_xCR1_DS_1;
                                // 24-bit, master out, sync mode, free protocol
        SAI1_Block_A->FRCR = SAI_xFRCR_FSOFF|SAI_xFRCR_FSDEF|(31<<8)|63;
      SAI1_Block_A->SLOTR = (3<<16)|(1<<8)|SAI_xSLOTR_SLOTSZ_1; // slot 0 & 1, 32-bit

因为DFSDM1和SAI1用同一个时钟，数据速率也相同，因此传输是同步的。可以用两个DMA通道来实现自动传输，CPU完全闲出来处理其它事情。这样，数字麦克风的1-bit 64倍超采样信号经DFSDM降采样处理后，得到44100采样频率的PCM数据流，再送给SAI，以I2S数据格式输出。我用自己手头别的硬件工具可以采集I2S数据传入电脑了。

 
用Cooledit一分析，声音是采到了，回放听起来正常，但增益实在太高了，容易截顶失真。需要增加设置 DFSDM1 中积分器之后数据右移，偏移量也需要再修正一下。

总结：STM32F413 有丰富的硬件资源给音频相关应用提供便利。再结合100MHz处理速度和320kB片上SRAM、FPU，在音频领域发挥一下创意还是很有前途的。