一种用stm32f103单片机实现语音功能的方法

用stm32f103单片机实现语音功能

 在 很多设备中需要加入语音播报功能，比如常见的家用电器、汽车、专用的手持设备等等。实现语音功能的方法比较多，比如用mp3解码芯片对mp3音频数据进行 解码，或用单片机直接对mp3文件解码，或直接是用语音芯片。这些方法各有各的优缺点，mp3解码芯片价格贵，能对mp3软解码的单片机性能要求高，用语 音IC需要定制，有不够灵活。基于这样的原因，我使用了一种既灵活成本也不高的方法，那就是用stm32f103rcbt6单片机+I2S芯片+功放芯片 实现语音功能。音频文件用.wav格式的，这是一种未经压缩的的音频文件，wav格式文件的结构是前44 Byte放的是文件的基本信息，第44Btye后的数据就是音频数据；头信息数据结构如下所示：

typedef struct
{
    u8 chRIFF[4];//固定为RIFF
    u32 wavlen; //文件长度
    u8 chWAV[4]; //固定为WAVE
    u8 chFMT[4]; //固定为fmt
    u16 formart; //格式类别
    u16 CHnum; //通道数，为1代表是单声道
    u32 SampleRate;//采样率
    u32 speed; //音频传送速率
    u16 ajust; //数据块调速数
    u16 SampleBits;//样本数据位数
    u8 chDATA[4]; //固定为data
    u32 DATAlen; //数据长度，数据后面跟的是音频数据
}WAV_file;

用FlexHEX软件打开一个音频文件，可以看到整个文件的数据，如下：
t

图 中泉内的数据就是wav文件的头信息，对照头信可以得到wav文件的基本数据是：单声道，采样率=0x5622（十进制为22050，即为22kHz）, 数据率是0xAC44（十进制是44100，即44kHz）。我们最需要关心的是文件的采样率，从Flash读出wav文件的头信息后就可以对单片机的 I2S接口配置，然后DMA向I2S接口发送音频数据。
从flash读取wav文件数据前得先把文件放到flash里面，怎么放呢？用专业设备写 进去？不，那太麻烦了，stm32本身就带USB的硬件模块，我只要利用ST的USB库，把Flash模拟成一个U盘，就可以插上USB数据线，就可以在 电脑上直接打开，然后把要用的文件拷进去就行了，当然，说起来容易，要实现还是够折腾一阵子的。另外，单片机要读取文件的加上文件系统，这里使用的是 FatFs文件系统，这开源的，简单易用，当然也得花点时间内学习。
下面看看电路图：


                                                                                                      单片机


                       USB                                                                                                    Flash

  

                         I2S   芯片                                                                           功放芯片

电路不多讲，下面看代码，这才是核心部分：

//配置单片机I2S模块
static void codec_i2s_init(uint32_t sampleRate)
{
    I2S_InitTypeDef I2S_InitStructure;

    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_SPI2, ENABLE);

    SPI_I2S_DeInit(SPI2);
    I2S_InitStructure.I2S_AudioFreq = sampleRate;
    I2S_InitStructure.I2S_Standard =I2S_Standard_MSB;
    I2S_InitStructure.I2S_DataFormat =I2S_DataFormat_16b;
    I2S_InitStructure.I2S_CPOL = I2S_CPOL_Low;
    I2S_InitStructure.I2S_Mode = I2S_Mode_MasterTx;
    I2S_InitStructure.I2S_MCLKOutput = I2S_MCLKOutput_Disable;

    I2S_Init(SPI2, &I2S_InitStructure);
    I2S_Cmd(SPI2, ENABLE);
}

//配置DMA中断
static void DMA_NVIC_Config(void)
{
  NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

  /* Configure one bit for preemption priority */
  NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_1);

  /* 配置P[A|B|C|D|E]0为中断源 */
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = DMA1_Channel5_IRQn;
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
  NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}

//配置DMA
void DMA_Config(void)
{
    DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;
    RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1, ENABLE); //开启DMA时钟
    DMA_NVIC_Config(); //配置DMA中断
     /*设置DMA源：内存地址&串口数据寄存器地址*/
    DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = SPI2_DR_Base;
    /*内存地址(要传输的变量的指针)*/
    DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = (u32)sendbuf;
    /*方向：从内存到外设*/
    DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralDST;
    /*传输大小DMA_BufferSize=SENDBUFF_SIZE*/
    DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = SENDBUFF_SIZE;
    /*外设地址不增*/
    DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable;
    /*内存地址自增*/
    DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;
    /*外设数据单位*/
    DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize =DMA_PeripheralDataSize_HalfWord; //DMA_PeripheralDataSize_Byte;
    /*内存数据单位 8bit*/
    DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize =/*DMA_MemoryDataSize_Word;*/ DMA_MemoryDataSize_HalfWord; /*DMA_MemoryDataSize_Byte;*/
    /*DMA模式：一次传输，循环*/
    DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Circular;//DMA_Mode_Normal ;
    /*优先级：中*/
    DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_Medium;
    /*禁止内存到内存的传输 */
    DMA_InitStructure.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable;
    /*配置DMA1的4通道*/
    DMA_Init(DMA1_Channel5, &DMA_InitStructure);
    DMA_Cmd (DMA1_Channel5,ENABLE); //使能DMA
    DMA_ITConfig(DMA1_Channel5,DMA_IT_TC,ENABLE); //配置DMA发送完成后产生中断
}

//配置必要的IO端口
void GPIO_Configuration(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
  /* 使能SPI2 时钟 */
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC |RCC_APB2Periph_GPIOB|RCC_APB2Periph_AFIO,ENABLE);


    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =GPIO_Pin_6;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure);
    GPIO_SetBits( GPIO_Pin_6);

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_12|GPIO_Pin_13|GPIO_Pin_15;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode =GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
}
//

u8 Check_Ifo(u8* pbuf1,u8* pbuf2)
{
    u8 i;
    for(i=0;i<4;i++)if(pbuf1[i]!=pbuf2[i])return 1;//不同
    return 0;//相同
}

u32 Get_num(u8* pbuf,u8 len)
{
    u32 num;
    if(len==2)num=(pbuf[1]<<8)|pbuf[0];
    else if(len==4)num=(pbuf[3]<<24)|(pbuf[2]<<16)|(pbuf[1]<<8)|pbuf[0];
    return num;
}

//初始化wav头信息数据结构
u8 WAV_Init(u8* pbuf)//初始化并显示文件信息
{
    if(Check_Ifo(pbuf,"RIFF"))return 1;//RIFF标志错误
    wav1.wavlen=Get_num(pbuf+4,4);//文件长度，数据偏移4byte
    if(Check_Ifo(pbuf+8,"WAVE"))return 2;//WAVE标志错误
    if(Check_Ifo(pbuf+12,"fmt "))return 3;//fmt标志错误
    wav1.formart=Get_num(pbuf+20,2);//格式类别
    wav1.CHnum=Get_num(pbuf+22,2);//通道数
    //CHanalnum=wav1.CHnum;
    wav1.SampleRate=Get_num(pbuf+24,4);//采样率
    wav1.speed=Get_num(pbuf+28,4);//音频传送速率
    wav1.ajust=Get_num(pbuf+32,2);//数据块调速数
    wav1.SampleBits=Get_num(pbuf+34,2);//样本数据位数
// Bitnum=wav1.SampleBits;
    if(Check_Ifo(pbuf+36,"data"))return 4;//data标志错误
    wav1.DATAlen=Get_num(pbuf+40,4);//数据长度
    return 0;
}

//读取指定的语音文件进行播音
extern void delay_ms(u32 nms);
void SpeakerVoice(const char *sound)
{
    u32 br;
    u16 buffer[44]={0};//头信息缓存区

    GPIO_SetBits(GPIOC,GPIO_Pin_6);//使能功放IC
    if(FR_OK!=f_open(&file,(const TCHAR*)sound,FA_READ)) //打开sound指定的文件
        return;
    if(FR_OK!=f_read(&file,buffer,44,&br))//从文件读取头信息到缓存区
        return;
    WAV_Init((u8*)buffer);//初始化头信息数据结构wav1

    codec_i2s_init(wav1.SampleRate/2);//用读到的文件的采样率配置I2S模块。

    f_lseek(&file,44);//丁文到文件第44Byte的位置。
    f_read(&file,(u8*)sendbuf,SENDBUFF_SIZE*2,&br);//读取512个直接到发送缓存区。
    readlength=1;

    DMA_Config();//配置DMA
    delay_ms(250);//延时等待功放启动
    SPI_I2S_DMACmd(SPI2,SPI_I2S_DMAReq_Tx,ENABLE); //启动DMA传输

}

//DMA中断函数
void DMA1_Channel5_IRQHandler(void)
{
    u32 br;
    //判断是否为DMA发送完成中断
    if(DMA_GetFlagStatus(DMA1_FLAG_TC5)==SET)
    {
        DMA_ClearFlag(DMA1_FLAG_TC5);

        if((wav1.DATAlen/(SENDBUFF_SIZE*2)) > readlength)
        {
            f_lseek(&file,readlength*SENDBUFF_SIZE*2+44);
            f_read(&file,(u8*)sendbuf,SENDBUFF_SIZE*2,&br);
            readlength++;
        }else
        {
            f_lseek(&file,readlength*SENDBUFF_SIZE*2+44);
            f_read(&file,(u8*)sendbuf,wav1.DATAlen % (SENDBUFF_SIZE*2),&br);
            readlength=0;
            delay_us(wav1.DATAlen % (SENDBUFF_SIZE*2)*16);
            DMA_Cmd (DMA1_Channel5,DISABLE); //失能DMA
            f_close(&file);
            GPIO_ResetBits(GPIOC,GPIO_Pin_6);
        }
    }
}

void speaker_io_ini(void)
{
    GPIO_Configuration();
}

以上就是语音实现的核心代码了，现在只需要调用void SpeakerVoice(const char *sound)，填写指定路径的wav文件就以了，比如：SpeakerVoice("0:/finger1.wav");