Что такое шина i2s (7 видео)

Учимся передавать звук с использованием протокола I2S

I2S (Inter-IC Sound) — это цифровой протокол передачи звука, который довольно часто используется в современной электронике. I2S не имеет ничего общего с I2C кроме похожего названия, поэтому важно эти протоколы не путать. В рамках сего поста мы постараемся разобраться, на что вообще похож I2S, и как с ним работать.

На базе устройств, использующих I2S, существует немало готовых плат, в частности:

У Adafruit есть два микрофона — первый и второй;
DAC на базе чипа UDA1334A можно купить у той же компании;
Еще есть DAC с усилителем MAX98357 для вывода звука на динамик;
На Tindie можно купить I2S-микрофон на базе ICS43434;
На том же сайте был найден DAC на базе чипа CS4344;

При написании этого поста я использовал PmodI2S производства компании Digilent. Данный модуль построен на базе чипа CS4344 (типичная маркировка «344C 1609», даташит [PDF]). Устройство было приобретено в Чип-и-Дипе, но на момент написания этих строк оно успело куда-то пропасть с сайта магазина. Впрочем, для повторения описанных далее шагов вы можете использовать любой аналогичный модуль. Внешний вид использованного мной модуля:

Типичный I2S-сигнал выглядит в PulseView как-то так:

Здесь SCK представляет собой тактовый сигнал. WS (он же LRCLK) отвечает за выбор канала. Через SDA (он же SDIN) передаются сами данные. Сигнала MCLK, строго говоря, нет в спецификации I2S [PDF]. Но на практике многие устройства используют его для синхронизации своих внутренних операций. Обычно сюда идет тактовый сигнал с частотой в 256 раз больше частоты дискретизации звука.

Fun fact! Если хочется извлечь звук из записанного I2S-сигнала, это можно сделать такой командой:

Для экспериментов с модулем я воспользовался отладочной платой Nucleo-F411RE. Микроконтроллер, используемый в этой плате, имеет аппаратную поддержку I2S, которой и было решено воспользоваться. Какие настройки доступны в STM32CubeMX и к каким пинам микроконтроллера следует подключать модуль, вы без труда разберетесь самостоятельно по полной версии проекта. Поговорим лучше непосредственно о коде.

Например, генерация синусоидального сигнала с частотой 100 Гц осуществляется так:

#define PI 3.14159265358979323846
#define TAU (2.0 * PI)

Интересно, что по каким-то причинам микроконтроллеры STM32 не могут использовать традиционные значения частоты дискретизации, такие, как 44100 Гц или 48000 Гц. В частности, при выборе частоты 48000 Гц реальная частота составит 46876 Гц (на 2.34% меньше). Впрочем, на слух такая разница совершенно незаметна. Все эти различия между желаемой и реальной частотой отображаются прямо в STM32CubeMX.

Но это еще не все. Если вы попытаетесь, например, просто взять и проиграть WAV-файл с SD-карты «в лоб», то у вас ничего не получится. Звук будет периодически обрываться и слушать такое будет совершенно невозможно. Решение заключается в том, чтобы использовать прерывания и двойную буфферизацию. Другими словами, параллельно с проигрыванием одного отрывка файла должен читаться следующий отрывок. Таким образом, когда проигрывание текущего отрывка завершится, следующий отрывок будет уже готов, и не придется тратить время на его чтение с SD-карты (что и является источником обрывов в звуке).

volatile bool end_of_file_reached = false ;
volatile bool read_next_chunk = false ;
volatile uint16_t * signal_play_buff = NULL ;
volatile uint16_t * signal_read_buff = NULL ;
volatile uint16_t signal_buff1 [ 4096 ] ;
volatile uint16_t signal_buff2 [ 4096 ] ;

void HAL_I2S_TxCpltCallback ( I2S_HandleTypeDef * hi2s )

int playWavFile ( const char * fname )

UART_Printf ( «File opened, reading. \r \n » ) ;

unsigned int bytesRead ;
uint8_t header [ 44 ] ;
res = f_read ( & file , header , sizeof ( header ) , & bytesRead ) ;
if ( res != FR_OK )

if ( memcmp ( ( const char * ) header , «RIFF» , 4 ) != 0 )

if ( memcmp ( ( const char * ) header + 8 , «WAVEfmt » , 8 ) != 0 )
if ( memcmp ( ( const char * ) header + 36 , «data» , 4 ) != 0 )

UART_Printf (
«— WAV header — \r \n »
«File size: %lu \r \n »
«Header size left: %lu \r \n »
«Compression (1 = no compression): %d \r \n »
«Channels num: %d \r \n »
«Sample rate: %ld \r \n »
«Bytes per second: %ld \r \n »
«Bytes per sample: %d \r \n »
«Bits per sample per channel: %d \r \n »
«Data size: %ld \r \n »
«—————— \r \n » ,
fileSize , headerSizeLeft , compression , channelsNum ,
sampleRate , bytesPerSecond , bytesPerSample ,
bitsPerSamplePerChannel , dataSize ) ;

Читайте также: Шина 23 1r26 применение

if ( headerSizeLeft != 16 )

if ( compression != 1 )

if ( channelsNum != 2 )

if ( ( sampleRate != 44100 ) || ( bytesPerSample != 4 ) ||
( bitsPerSamplePerChannel != 16 ) || ( bytesPerSecond != 44100 * 2 * 2 )
|| ( dataSize sizeof ( signal_buff1 ) + sizeof ( signal_buff2 ) ) )

read_next_chunk = false ;
end_of_file_reached = false ;
signal_play_buff = signal_buff1 ;
signal_read_buff = signal_buff2 ;

HAL_StatusTypeDef hal_res ;
int nsamples = sizeof ( signal_buff1 ) / sizeof ( signal_buff1 [ 0 ] ) ;
hal_res = HAL_I2S_Transmit_IT ( & hi2s2 , ( uint16_t * ) signal_buff1 ,
nsamples ) ;
if ( hal_res != HAL_OK )

while ( dataSize >= sizeof ( signal_buff1 ) )

dataSize -= sizeof ( signal_buff1 ) ;
>

res = f_close ( & file ) ;
if ( res != FR_OK )

Передача данных по I2S осуществляется асинхронно при помощи процедуры HAL_I2S_Transmit_IT . По завершении передачи данных вызывается коллбэк HAL_I2S_TxCpltCallback . Если это известно, то остальная часть кода становится тривиальной.

Напомню, что с форматом WAV-файлов и библиотекой FatFs мы ранее познакомились в рамках статей Парсинг заголовка и проигрывание WAV-файла на Scala и Работа с FAT32 и exFAT с помощью библиотеки FatFs соответственно.

Вот и все, о чем я хотел сегодня рассказать. Исходники к этому посту вы найдете на GitHub. Если у вас есть вопросы или дополнения, используйте комментарии, не стесняйтесь!

Содержание

STM Урок 46. I2S AUDIO. Часть 1
I2S AUDIO
ЗВУКОМАНИЯ
Что такое I2S?
Что такое I2S?
Что такое I2S?
Немного истории I2S
И2С также может включать следующие строки:
В качестве аудио-соединения I2S
ЭТО ДОСТАТОЧНО ПРОСТОЙ ИНТЕРФЕЙС
Итак, у вас есть I2S
ESP32 I2S намного сложнее, чем базовый стандарт.
Если вы являетесь производителем, рекламодателем, импортером, дистрибьютором или агентом в области качественного воспроизведения звука и хотели бы связаться с нами, пожалуйста, пишите в
ВК или ОК или ИНСТА или по эл. почте: anl555@bk.ru
📺 Видео

Видео:Лекция 308. Шина I2CСкачать

STM Урок 46. I2S AUDIO. Часть 1

Видео:Введение в шину I2CСкачать

I2S AUDIO

Сегодня мы начинаем изучение нового для нас интерфейса – это шина I2S, чем то похожая на I2C, но заточенная непосредственно на передачу цифрового аудиопотока. Описание и диаграммы протокола данной шины можно найти на странице 894 STM32F4 Reference manual. Ну если кратко, данная шина является также синхронной, причем синхронизация обеспечивается не только для каждого переданного бита, как у I2C, а также поканально. То есть отдельный провод синхронизации задействован так, что при передачи полностью всех битов (их может быть 8, 16, 24) одного канала он находится в состоянии 1, а при передачи всех битов другого канала – в 0. Данное условие обеспечивает невозможность случайного обмена каналов между собой вследствие искажения сигнала потока.

Свой проект мы создадим из одного из предыдущих проектов USB_HOST_MSC_FATFS, так как работать мы будем с USB Flash Drive, ибо нам для изучения преобразования цифрового аудио надо это цифровое аудио откуда-то взять. Было принято решение взять его из WAV файлов, расположенных на данном носителе. Проект мы назовём по наименованию шины I2S_AUDIO. Так как мы ещё будем подключать к плате Discovery носитель USB Flash Drive, то необходимо туда скопировать для WAV-файла со звуком: Track1.wav и Track2.wav. Частота сэмплирования данных файлов может быть любая, но желательно не больше 48 кГц.

Посмотрим подключение аудио-микросхемы в плате Discovery (нажмите на картинку для увеличения изображения)

Данная микросхема именуется CS43L22. Основной её характеристикой является поддерживаемая частота дискретизации. Это от 4 кГц до 96 кГц. Откроем её даташит. Там существуют четыре вида протокола I2S. Мы используем самый первый стандарт. Единственное из даташита непонятно зачем нужен контакт MCLK. В даташите дано следующее описание данного контакта:

MCLK – Master Clock (Input) – Clock source for the delta-sigma modulators.

Пролистав несколько форумов, я нашел, что это ещё третий вид синхронизации – тактирование сэмплов.

Вот так у нас всё подключено к плате

Откроем наш проект в MS Cube и сделаем необходимое добавление определённых настроек. Включим первым делом саму шину I2S

Ножки никакие не переопределяем. Оставим так как есть. Именно по этим ножкам и подключена микросхема Аудио ЦАП.

Внесем также некоторые корректировки в настройки I2S

Для работы лапки RESET микросхемы нам будет ещё необходимо включить на выход и настроить данную лапку порта (PD4)

Также добавим и настроим DMA на шине I2S

А так как управление микросхемой происходит в отличии от основного аудио-потока уже по шине I2C, то необходимо включить ещё и эту шину

Только I2C3 мы отдадим под символьный дисплей, а I2C1 нам понадобится именно для аудио-микросхемы. Мало того, лапку PB7 нужно будет переопределить на PB9. Я думаю, все уже умеют это делать. Сначала сбросим её, а затем переопределим

Теперь переходник дисплея у нас будет подключен к другим лапкам портов:

Сгенерируем проект для среды Keil, настроим программатор на авторезет, добавим в дерево проекта файл lcd.c и скомпилируем проект.

Создадим и добавим в проект новые файлы, предназначенные для работы со звуком, audioplay.c и audioplay.h следующего содержания:

Видео:2020Весна ЦУиМП Шины RS485, RS422, SPI, I2SСкачать

Hi-Fi и High-End техника или энциклопедия звука и видео

Видео:Шина I2C.Скачать

ЗВУКОМАНИЯ

Hi-Fi и High-End техника или энциклопедия звука и видео

Видео:Логический анализатор шины i2cСкачать

Что такое I2S?

Видео:Что такое I2C ??? Подключаем GY-521 и Oled 96*16 к STM 32Скачать

Что такое I2S?

В прошлом месяце мы отметили 40-летие компакт-диска , и это был также некролог, как праздник, потому что эти поликарбонатные диски быстро стали редкостью. Есть еще одна технология из эпохи компакт-дисков, которая до сих пор остается у нас, и она соответствует стандарту для передачи последовательного цифрового звука между чипами. Протокол называется I2S и поставляется как аппаратное периферийное устройство на многих микроконтроллерах. Это удивительно простой интерфейс, с которым довольно легко работать, и, следовательно, его можно взломать, поэтому его стоит немного изучить.

Читайте также: Устройство для накачки бескамерных шин с 414

Видео:Шина данных i2c - декодируем/синхронизируем с помощью осциллографа Lecroy!Скачать

Что такое I2S?

I2S (Inter-IC Sound) — это конструкция последовательной шины (тракта) для цифровых аудиоустройств и технологий, таких как проигрыватели компакт-дисков ( CD ), цифровые звуковые процессоры и звук цифрового телевидения ( DTV ). Конструкция I2S обрабатывает аудиоданные отдельно от тактовых сигналов. Разделяя данные и тактовые сигналы, ошибки, связанные со временем, что устраняет необходимость в устройствах, предотвращающих джиттер. Конструкция шины I2S состоит из трех последовательных шинных линий: линия с двумя каналами данных мультиплексирования с временным разделением ( TDM ), линия выбора и линия синхронизации.

I²S ( Inter-IC Sound ), — стандарт интерфейса последовательной электрической шины, используемой для соединения цифровых аудиоустройств. Он используется для передачи аудиоданных ИКМ между интегральными схемами в электронном устройстве. Шина I²S разделяет тактовые сигналы и сигналы последовательных данных, в результате чего получатели становятся проще, чем те, которые требуются для асинхронных систем связи, которым необходимо восстановить тактовые импульсы из потока данных. Альтернативно I²S пишется как I2S или IIS. Несмотря на похожее название, I²S не имеет отношения к двунаправленной шине I²C (IIC).

ЦАП I2S DSD256-PCM

Видео:I2c шина в iPhone, способы диагностики, причины циклического перезапуска.Скачать

Немного истории I2S

Этот стандарт был введен в 1986 году компанией Philips Semiconductor (в настоящее время NXP Semiconductors ) и в последний раз пересматривался 5 июня 1996 года

Протокол I²S описывает один конкретный тип цифровой аудиосвязи PCM с определенными параметрами, указанными в спецификации Philips.

Состоит он как минимум из трех линий:

Официально «Word Select (WS)». Обычно называется «левый-правый тактовый генератор (LRCLK)» или «кадровая синхронизация (FS)».
0 = левый канал, 1 = правый канал
По крайней мере, одна мультиплексированная линия данных
Официально «последовательные данные (SD)», но их можно назвать SDATA, SDIN, SDOUT, DACDAT, ADCDAT и т. д.

ЦАП ESS-902 внутри

Видео:I2C интерфейсСкачать

И2С также может включать следующие строки:

Основные часы (обычно 256 x LRCLK)
Это не является частью стандарта I2S но обычно используется для синхронизации внутренней работы аналого-цифровых преобразователей.
Мультиплексированная строка данных для загрузки

Битовая тактовая частота пульсирует один раз для каждого дискретного бита данных в строках данных. Тактовая частота битов является воспроизведением частоты дискретизации , количества бит на канал и количества каналов. Так, например, CD Audio с частотой дискретизации 44,1 кГц, с точностью 16 бит и двумя каналами (стерео) имеет тактовую частоту:

44,1 кГц × 16 × 2 = 1,4112 МГц

Часы выбора слова позволяют устройству узнать, отправляется ли в данный момент канал 0 или канал 1, поскольку I²S позволяет отправлять два канала по одной и той же линии данных. Это сигнал с коэффициентом заполнения 50%, частота которого совпадает с частотой дискретизации. Для стерео материала спецификация I²S гласит, что левый звук передается в низком цикле тактового сигнала выбора слова, а правый канал передается в верхнем цикле. Обычно он синхронизируется с задним фронтом последовательных часов, так как данные фиксируются на переднем фронте.

I2S ЦАП

Данные подписываются , сначала кодируются как два дополнения с MSB ( старший значащий бит ). Это позволяет произвольному числу битов в кадре без согласования между передатчиком и приемником.

Видео:Урок 9. Адреса модулей на шине I2C. Arduino (что такое I2C, адресация, как изменить адрес модуля)Скачать

В качестве аудио-соединения I2S

В звуковом оборудовании I²S иногда используется как внешнее соединение между проигрывателем компакт-дисков и отдельным блоком ЦАП, в отличие от чисто внутреннего соединения внутри одного блока проигрывателя. Это может сформировать альтернативу обычно используемым стандартам AES / EBU или Toslink или S / PDIF.

Соединение I²S не предназначалось для использования через кабели, и большинство интегральных микросхем не будет иметь правильного сопротивления для коаксиальных кабелей. Поскольку ошибка адаптации импеданса, связанная с разной длиной линии, может привести к разнице в задержке распространения между тактовой линией и строкой данных, это может привести к проблеме синхронизации между SCK, WS и сигналами данных, в основном на высокой частоте дискретизации и битрейте. Поскольку I²S не имеет никакого механизма обнаружения ошибок, это может вызвать важную ошибку декодирования.

ЦАП 4398+2706

Для этого применения нет стандартного соединительного кабеля. Некоторые производители предоставляют просто три разъема BNC, разъем 8P8C («RJ45») или разъем DE-9 . Другие, такие как Audio Alchemy (ныне несуществующая), использовали разъемы DIN. А вот PS Audio, Musica Pristina и Wyred4Sound используют разъем HDMI. Голландский производитель Van Medevoort внедрил Q-link в своем оборудовании, передает i2s через 4 разъема RCA (Data, MCK, LRCK, BCK).

Видео:Урок 24. Узнаём адреса устройств на шине I2CСкачать

ЭТО ДОСТАТОЧНО ПРОСТОЙ ИНТЕРФЕЙС

Не путайте его с другим протоколом Philips Semiconductor: I2C. Протокол Inter-Integrated Circuit имеет инициалы IIC, и двойная буква была сокращена, чтобы придумать номенклатуру «в квадрате», которую мы полюбили с I2C. Возрожденный в 1982 году, этот предшествующий I2S на четыре года, что объясняет несколько странную аббревиатуру «Inter-Integrated Circuit Sound».

i2s_dac

Протокол застрял, потому что он очень не удобен для работы с последовательных данных, связанных с высококачественным цифровым звуком. Это так не удобно, что вы, вероятно, слышали о том, что он используется для других целей, кроме аудио. Но сначала, что на самом деле делает 2S?

Цифровой источник звука обычно создает два слова данных, одно для левого канала и одно для правого, один раз для каждого интервала выборки. Например, источник аудио CD с частотой дискретизации 44,1 кГц, который будет передавать два 16-битных слова 44 100 раз каждую секунду. На одной последовательной линии это колоссальные 1 411 200 бит в секунду (44100 x 16 x 2).

ЦАП Audiophile V2 на 9038 + клон FM711

Как справляется эта плохая последовательная линия передачи данных? Ну, одна строка последовательных данных не может легко передать границы слов для левой и правой. Также трудно (или невозможно) надежно извлечь часы из него без джиттера. Поэтому для передачи аудио нам действительно нужны другие способы доставки этих фрагментов информации.

I2S решает обе эти проблемы с помощью дополнительных строк, предоставляя строку выбора слова (также иногда называемую тактовыми импульсами L / R) для выбора левого или правого отсчетов, а также битовую линию тактового сигнала для синхронизации всего. Вот и все, что есть в I 2 S: строка данных, строка синхронизации слов и строка синхронизации битов.

Спецификация была формализована Philips в документе 1986 года, благодаря которому подразделение полупроводников компании стало NXP, но, к сожалению, исчезло с веб-сайта NXP. К счастью, у Wayback Machine она есть , поэтому она все еще доступна. Читая документ, становится очевидным, что даже в 1980-х годах это был не сложный интерфейс для работы, и он даже дает базовые диаграммы для передатчика и приемника. Не исключено, что при наличии некоторых микросхем TTL и цепочки резисторов будет возможно создать ЦАП I2S из первых принципов на вашем стенде, хотя это и не очень высокопроизводительный пример.

Видео:25 Шина I2CСкачать

Итак, у вас есть I2S

Все, что вам нужно знать о межкомпонентных аудиоразъемах, в четырех удобных параграфах.

I2S для цифрового звука — только начало. Это простая и несложная спецификация, которую легко реализовать, и в то же время легко злоупотреблять. Например, он не определяет верхний предел тактовой частоты. Естественно, его потенциал как очень быстрого последовательного вывода побудил аппаратных хакеров использовать его для других целей. Мы видели, что он используется как радиопередатчик AM , видеовыход NTSC , VGA-выход и даже карта Ethernet . Как же они это делают !

Ответ заключается в модуляции плотности импульсов , форме аналого-цифрового преобразования, в которой число логических 1 битов в данный период времени зависит от уровня аналогового сигнала. Это необработанный вывод АЦП с дельта-сигмой , и он имеет удобное свойство, заключающееся в том, что при наличии только потока данных PDM этап цифроаналогового преобразования может быть выполнен только с помощью простого фильтра нижних частот. Если вы увеличите битрейт на интерфейсе I 2 S до максимума, а затем передадите ему слова, которые образуют поток данных PDM, вы можете добавить фильтр нижних частот, чтобы создать АЦП с максимальной пропускной способностью, равной половине его бита. темп.

Видео:Программирование МК STM32. УРОК 46. I2S. AUDIO. Часть 1Скачать

ESP32 I2S намного сложнее, чем базовый стандарт.

В приведенном выше списке примеров проектов, использующих I2S, есть дополнение, которое касается некоторых из тех, которые мы не представили. ESP32 имеет модуль I 2 S, и благодаря ему были реализованы некоторые впечатляющие проекты, такие как этот полноцветный генератор VGA . Однако, рискуя спором, эти проекты не используют I2S в самом строгом смысле. Страница 303 технического справочника ESP32 проливает некоторый свет на это, показывая, что периферийное устройство I 2 S в части Espressif является многофункциональным. Наряду с обработкой звука I2S, как описано выше, также обрабатывает интерфейсы для камер и ЖК-дисплеев, как если бы вы представляли разъемы камеры и ЖК-дисплея на Raspberry Pi, направленные на один и тот же кусок кремния.

Raspberry Pi 4 + клон дартЗил

Возможно, эта номенклатура имеет корни в ESP8266, имеющем периферийное устройство I 2 S на чипе, и общее периферийное устройство в более позднем устройстве.

Raspberry Pi 4 + клон Зил

Поскольку большинство интерфейсов I 2 S могут работать с тактовой частотой в несколько мегагерц, их пропускная способность может быть на удивление высокой. Это то же самое, что и принцип, заложенный в любой программно-определяемый радиопередатчик: одним махом и с очень небольшим количеством дополнительного оборудования вы перенесли задачу создания произвольных спектров в диапазоне МГц с аппаратного на программное обеспечение.

Raspberry Pi 4 и флешка

Даже самые современные микроконтроллеры обладают достаточной вычислительной мощностью для выполнения этой задачи, что делает относительно простыми некоторые приложения для I 2 S, которые были бы за гранью воображения тех инженеров Philips 1980-х годов. Однако, I2S к которой можно было только подключить аудио ЦАП, не останавливает аудиофилов от подключения, и этот интерфейс становится намного полезнее, а возможности безграничны.

Я надеюсь, что эта статья «Что такое I2S?» немного помогла. Пожалуйста, оставляйте комментарии ниже, чтобы я мог вернуться к вам. Не бойтесь меня и добавляйтесь в ВК, Ютуб

Если вы хотите узнать больше об этой теме, и быть в курсе, пожалуйста, подпишитесь на наш сайт.

Не забывайте сохранять нас в закладках! (CTRL+SHiFT+D) Подписывайтесь, комментируйте, делитесь в соц.сетях. Желаю удачи в поиске своего звука!

На нашем сайте Звукомания есть полезная информация по звуку и видео, которая пригодится для каждого, причем на каждый день, мы обновляем сайт «Звукомания» постоянно и стараемся искать и писать только отличную, проверенную и нужную информацию.

Вам нужен хороший фонокорректор, новый ламповый усилитель или отличный ЦАП, плеер, наушники, АС или другую звуковую технику, (усилитель, ресивер и т.д.) то пишите в ВК, помогу выгодно и с гарантией приобрести хорошую звуковую технику…