這個一個將USB作為OTG的電路設計，在本設計中，我們只是將USB作為device來使用，因此，上圖我們關注下面部分就可以了。在本設計中，我們使用到全速USB，從上圖可以看出D+與D-引腳分別為PA12，PA11。

2.2.2 Codec部分

如下圖所示:

圖3

如上圖所示，這裡的Codec為具體型號為CS43L22，MCU通過I2C介面(PB9,PB6)連線Codec，作為其控制介面，使用I2S(PC7,PC10,PC12,PA4)作為資料通道，此外，MCU使用PD4這個IO管腳控制Codec的reset。CS43L22的14,15腳連線到外面的耳機插孔，也就是說，我們可以通過插入耳機線的方式來收聽PC端播放的聲音。

2.3 軟體設計

為了簡化開發流程，這裡使用CubeMx自動生成程式碼工具來生成初始化程式碼，首先基於Cube庫架構以及USB協議棧的特點，我們得先設計一個合理的軟體框架。

圖4

如上圖，藍色表示的模組為標準模組，不需要我們去修改它，將由CubeMx自動生成，而綠色部分則可能涉及到需要修改，其中BSP部分是需要自己新增的程式碼，其他的都是由CubeMx生成。

各個模組的工作流程如下設計:

•  初始化流程: 由main開始，它首先對將使用到的外設I2C，I2S初始化，這最終將調到HAL MSP底層部分實現對具體IO管腳和外設的初始化。同時main使用usb description的資料通過呼叫USB棧初始化介面來完成對USB介面的初始化，這一步還涉及到USB的列舉過程。
• USB資料傳輸過程：PC端軟體在播放音樂後，通過USB通道向MCU傳輸音訊資料，音訊資料到達MCU時，首先觸發USB中斷，然後進入到HAL driver層，在回撥到 usb conf模組，接著進入到usb core，usb core再轉給usb audio class，最後音訊資料到達usb audio interface模組，到達這裡，就只剩下對音訊資料進行處理了。Usb audio interface模組是一個數據接收到資料處理的一箇中間對接模組。
• USB音訊資料處理過程: usb audio interface 模組將從USB stack底層傳上來的音訊資料轉發給Codec元件，最終通過Codec元件連線的耳機播放出來。

從以上的音訊資料流程來看，最主要的就是usbaudio interface模組，它實現了從USB audio stack到codec驅動的對接。

3 軟體實現

還是老辦法，採用CubeMx這個工具來生成初始化程式碼，這樣可以節省我們花費在基本外設上的除錯初始引數時間。

3.1 建立CubeMx工程

由於我們使用到的硬體平臺是STM32F4Discovery板，上面搭載的MCU型號是STM32F407VGT6，我們就以此型號建立一個名為Audio_Test的工程。

pinout:

外設有用到USB_OTG_FS(PA11,PA12device模式)，I2C1(PB6,PB9)，I2S3(PC12,PA4,PC10,PC7，半雙工主模式),此外Codec的reset使用PD4管腳控制，使用外部8M HSE。其pinout如下圖所示：

圖5

Clock configuration:

圖6

時鐘樹如上設定，主頻使用168M，I2S時鐘輸出初始化為96M。

Configuration:

• HAL層：

Usb_FS：使用預設引數。

I2C：100K速率，7位地址寬度，使用預設引數。

併為I2S傳送新增DMA，半字位寬：

圖8

• MiddleWares:

USB選擇Audiodevice class,其配置引數如下：

圖9

這裡都是預設引數。

圖10

在描述符引數內得為usb audio class修改兩個引數：

• PID得修改為0x5730(否則windows驅動會加載出錯)
•  序列號：序列號字串內不能包含字母，只能是資料(否則windowsaudio驅動在列舉後也不會將音訊資料傳輸下來)。

最後修改工程設定，將堆大小設為4K，棧大小設為1K，如下圖：

圖11

如此就可以生成工程了，我們生成IAR工程。

3.2 生成的IAR工程介紹

圖12

如上圖所示，生成的IAR工程，主要有User,Drivers,Middleware3個目錄。

• User目錄下為使用者原始碼檔案，使用者的主要修改也將集中在此目錄下，在這裡，我們的主要工作是集中在usbd_audio_if.c檔案，它對應著之前軟體框圖中的usbaudio interface模組，主要是實現USB audio協議棧與Codec的對接。其他原始檔都保持不變就可以了。
• Middlewares目錄對應著usb audio stack模組，它由CubeMx自動生成，保持原樣就可以，不需要任何修改。
• Drivers目錄對應著HAL層，它包含CMSIS，HAL驅動。

3.3 開發

3.3.1 初次編譯測試

首先我們不做任何修改，先編譯一下工程，發現能順利編譯通過，並燒錄進STM32F4DISCOVERY板，執行後通過USB連線上電腦，發現在裝置管理器中能正常識別到這個USB AUDIO裝置，如下圖所示：

圖13

這說明，USB與PC端的連線是OK的，但不知道具體有沒有資料。我們使用USB分析儀TOTAL PHASE USB480這個裝置對USB匯流排進行資料監控，能夠正常採集USB列舉過程和播放音樂的通訊資料，如下圖所示：

圖14

這表明，到目前為止，從PC端到USB端都是能正常工作的，從PC端傳送過來的音訊資料已經到達usb audio interface模組，目前只不過還沒有對這些資料進行處理，顯然，接下來的工作，我們就需要將這些音訊資料通過codec驅動傳送出去，最終到達外部元件CS32L22.

3.3.2 新增codec驅動和audio bsp模組

我們已經知道，我們需要為audio新增BSP模組，在這裡，我們將BSP歸屬於drivers類，因此，在drivers目錄下新增BSP目錄，通過之前的軟體架構圖我們可以知道，BSP包含Codec驅動（CS43L22）和Audio bsp模組，因此，我們在BSP目錄下有添加了Codec的驅動原始碼cs43l22.c與bsp_audio.c,如下圖所示：

圖15

其中cs43l22.c為codec cs32l22的驅動，我們可以從ST的元件驅動中找到它，並copy過來直接使用，不需要修改任何程式碼。而bsp_audio.c是我們自己寫的，它的任務是為usbd_audio_if.c與cs43l22.c提供服務，讓這兩個模組勝利對接。

3.3.2.1 Codec與HAL的對接

首先我們來看Codec驅動檔案cs43l22.c原始檔，這個檔案需要使用這個外部需要提供的介面：

AUDIO_IO_Init()
AUDIO_IO_DeInit()
AUDIO_IO_Write()
AUDIO_IO_Read()

這個都是Codec的基本控制介面，是通過I2C來控制的。都是需要使用者在驅動外部來提供這些介面給到驅動，於是，我們在bsp_audio.c檔案中來提供這個介面的實現：

//---------------------for c43l22 port--------------------------//
static void I2Cx_Error(uint8_t Addr)
{
  /* De-initialize the IOE comunication BUS */
  HAL_I2C_DeInit(&hi2c1);

  /* Re-Initiaize the IOE comunication BUS */
  //I2Cx_Init();
  //MX_I2C1_Init();
}
static void CODEC_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);
}
void AUDIO_IO_Init(void)
{
  //I2Cx_Init();
}
void AUDIO_IO_DeInit(void)
{

}
/**
  * @brief  Writes a single data.
  * @param  Addr: I2C address
  * @param  Reg: Reg address
  * @param  Value: Data to be written
  */
static void I2Cx_Write(uint8_t Addr, uint8_t Reg, uint8_t Value)
{
  HAL_StatusTypeDef status = HAL_OK;

  status = HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1, Addr, (uint16_t)Reg, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, &Value, 1, I2C_TIMEOUT);

  /* Check the communication status */
  if(status != HAL_OK)
  {
    /* I2C error occured */
    I2Cx_Error(Addr);
  }
}
void AUDIO_IO_Write(uint8_t Addr, uint8_t Reg, uint8_t Value)
{
  I2Cx_Write(Addr, Reg, Value);
}

/**
  * @brief  Reads a single data.
  * @param  Addr: I2C address
  * @param  Reg: Reg address
  * @retval Data to be read
  */
static uint8_t I2Cx_Read(uint8_t Addr, uint8_t Reg)
{
  HAL_StatusTypeDef status = HAL_OK;
  uint8_t Value = 0;

  status = HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, Addr, Reg, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, &Value, 1, I2C_TIMEOUT);

  /* Check the communication status */
  if(status != HAL_OK)
  {
    /* Execute user timeout callback */
    I2Cx_Error(Addr);
  }

  return Value;
}
uint8_t AUDIO_IO_Read(uint8_t Addr, uint8_t Reg)
{
  return I2Cx_Read(Addr, Reg);
}

由於在main函式中已經對I2C初始化過了，因此，在AUDIO_IO_Init函式中不需要再次初始化。

3.3.2.2 usb audiointerface與codec的對接

我們開啟usb audio interface原始碼檔案usbd_audio.if.c檔案，此檔案由CubeMx自動生成，已經自動給出了一些關於usb audio class的函式，且這些函式體內容都是空白的，毫無疑問，接下來的工作，我們就是要完成這個空白的內容，就好比做填空題一樣，當然，在做這些”填空題”的過程中，我們將使用到Codec驅動提供的介面，這一過程，就是usb audiointerface與codec的對接過程。

static int8_t AUDIO_Init_FS(uint32_t  AudioFreq, uint32_t Volume, uint32_t options)
{ 
  /* USER CODE BEGIN 0 */
  return (USBD_OK);
  /* USER CODE END 0 */
}

這是個空白函式，它是在USB列舉結束並收到set_configuration訊息時會被呼叫到，我們利用他來實現對codec的初始化。在bsp_audio.c檔案中，我們新增一個函式，如下：

static void I2Sx_Init(uint32_t AudioFreq)
{
  /* Initialize the haudio_i2s Instance parameter */
  hi2s3.Instance = SPI3;

 /* Disable I2S block */
  __HAL_I2S_DISABLE(&hi2s3);

  hi2s3.Init.Mode = I2S_MODE_MASTER_TX;
  hi2s3.Init.Standard = I2S_STANDARD;
  hi2s3.Init.DataFormat = I2S_DATAFORMAT_16B;
  hi2s3.Init.AudioFreq = AudioFreq;
  hi2s3.Init.CPOL = I2S_CPOL_LOW;
  hi2s3.Init.MCLKOutput = I2S_MCLKOUTPUT_ENABLE;

  if(HAL_I2S_GetState(&hi2s3) == HAL_I2S_STATE_RESET)
  {
    HAL_I2S_MspInit(&hi2s3);
  }
  /* Init the I2S */
  HAL_I2S_Init(&hi2s3);
}
const uint32_t I2SFreq[8] = {8000, 11025, 16000, 22050, 32000, 44100, 48000, 96000};
const uint32_t I2SPLLN[8] = {256, 429, 213, 429, 426, 271, 258, 344};
const uint32_t I2SPLLR[8] = {5, 4, 4, 4, 4, 6, 3, 1};
uint8_t BSP_AUDIO_OUT_Init(uint16_t OutputDevice, uint8_t Volume, uint32_t AudioFreq)
{
	uint32_t deviceid = 0x00;
	uint8_t ret = AUDIO_ERROR;
	uint8_t index = 0, freqindex = 0xFF;
	RCC_PeriphCLKInitTypeDef RCC_ExCLKInitStruct;

	//get the according P,N value and set into config,this is for audio clock provide
	for(index = 0; index < 8; index++)
	{
		if(I2SFreq[index] == AudioFreq)
		{
			freqindex = index;
		}
	}
	HAL_RCCEx_GetPeriphCLKConfig(&RCC_ExCLKInitStruct);
	if(freqindex != 0xFF)
	{
		RCC_ExCLKInitStruct.PeriphClockSelection = RCC_PERIPHCLK_I2S;
    		RCC_ExCLKInitStruct.PLLI2S.PLLI2SN = I2SPLLN[freqindex];
    		RCC_ExCLKInitStruct.PLLI2S.PLLI2SR = I2SPLLR[freqindex];
    		HAL_RCCEx_PeriphCLKConfig(&RCC_ExCLKInitStruct);
	}
	else
	{
		RCC_ExCLKInitStruct.PeriphClockSelection = RCC_PERIPHCLK_I2S;
    		RCC_ExCLKInitStruct.PLLI2S.PLLI2SN = 258;
    		RCC_ExCLKInitStruct.PLLI2S.PLLI2SR = 3;
    		HAL_RCCEx_PeriphCLKConfig(&RCC_ExCLKInitStruct);
	}

	//reset the Codec register
	CODEC_Reset();
	deviceid = cs43l22_drv.ReadID(AUDIO_I2C_ADDRESS);
	if((deviceid & CS43L22_ID_MASK) == CS43L22_ID)
	  {
		/* Initialize the audio driver structure */
		audio_drv = &cs43l22_drv;
		ret = AUDIO_OK;
	  }
	  else
	  {
		ret = AUDIO_ERROR;
	  }

	 if(ret == AUDIO_OK)
	  {
		audio_drv->Init(AUDIO_I2C_ADDRESS, OutputDevice, Volume, AudioFreq);
		/* I2S data transfer preparation:
		Prepare the Media to be used for the audio transfer from memory to I2S peripheral */
		/* Configure the I2S peripheral */
		I2Sx_Init(AudioFreq);
	  }
	return AUDIO_OK;
}

在BSP_AUDIO_OUT_Init()這個函式內，根據所傳入的取樣率，程式在預定義的陣列內選擇出MCU內部時鐘樹對I2S時鐘的一個合理的分頻值，並設定進時鐘樹配置內，然後再對codec進行初始化，最後對I2S外設初始化。

這個選擇I2S時鐘合理分頻值的過程是根據STM32F407的參考手冊中的建議來做的，如下參考手冊中的28.4.4中表126：

在48K取樣率下，假設時鐘樹下的PLLM VCO=1MHz情況下，且MCK使能，為了儘可能輸出靠近期望的時鐘，此時應該將時鐘樹內的PLL2SN設為258，且PLL2SR設為3，I2S內部的預分頻因子I2SDIV設為3，以及零散因子I2SODD設為1。這個計算公式為: