51开源 180MHz-PWM-播放立体声音乐@STC32G12K128, USB-CDC实时传输音频

银河小铁骑

WAV播放程序使用说明
1、简介
建议用户直接下载"Objects"里的"audio-play.hex"测试. 下载时选择主频30MHz。
本WAV播放器使用STC32G12K128运行，MCU内部HIRC工作于30MHz，PLL到180MHz给PWM时钟，6分频30MHz给CPU-系统时钟。
两路HS-PWM工作时钟为180MHz，PWM周期为4097，输出PWM频率大约为44KHz(与CD采样率44.1KHz相近)，占空比为12位。
本播放程序支持以下WAV文件的播放，由【STC-ISP | 调试接口 |播放WAVE】界面通过 USB-CDC 虚拟串口/就是串口下传音频数据：
支持PCM、ADPCM、A-Law：
支持16位无压缩（CD音轨）WINDOWS PCM格式，单声道或双声道采样率最高支持44.1KHz。
支持IMA-ADPCM格式，单通道或双通道采样率最高支持44.1KHz。
支持A-law(A率)格式，单通道或双通道采样率最高支持44.1KHz。
语音解码算法可能看似跟网上的有差异，但算法实际是一样的，我只是将其简化操作而已。各种算法可以网搜相关知识，但不在本文讨论之列。


2、输出滤波电路
输出PWM要经过低通滤波器获得光滑的模拟信号输出，请参考下图的
电路：3阶巴特沃斯低通滤波器。

PWMA1P--P1.0左声道，    PWMA3P--P1.4右声道。
左右声道完全一致，以左声道为例，PWM信号经过R1、R2分压适当衰减后与C1组成第一阶RC低通滤波，将变化陡峭的PWM的高频谐波滤除，再送到运放组成的二阶低通滤波电路滤波输出，就得到模拟信号，经过C4隔直后得到交流信号，从3.5mm的立体声插座输出。用户可以用SPWM输出一个1000Hz正弦波来评估其性能。
上图参数为对应16KHz采样的输出，转折频率为不超过采样频率的一半即可。
要改成别的采样频率，则按比例改变电容即可，电阻不变。
注意：图中零件不是随便取的，是经过精心计算的，无源一阶低通、有源二阶低通的截止频率和Q值都不同，两者串联才能得到最终的输出响应。
模拟滤波器相关的知识不在本文讨论范畴，用户可以自行复习模拟电子技术基础的相关章节。

3、使用“屠龙刀三”核心板验证
本程序使用STC公司的“屠龙刀三”核心板验证，用户可以自行修改到自己的系统上。
与“屠龙刀三”核心板的连接：
将上述的P1.0、P1.4、VCC、GND连接到核心板的对应焊盘即可，最好断开板上R107、R108两个0欧姆电阻，避免其电路影响PWM信号。
板上的P3.2按键为播放键，P3.3按键为停止键。
P2.7为每个采样解码时间指示（高电平时间），用示波器观察。
P2.0为播放指示灯，正在播放时输出低驱动LED亮。
P2.1为CDC接收数据包指示，每收到一包（64字节）就取反一次，下传数据一块为1024字节，分16个包传输。
P2.4为MCU请求PC传输数据的提示，从请求开始P2.4输出高电平，之后收到第一包数据（64字节）输出低电平，用示波器观察。


4、下载程序
下载程序和CDC通信均使用板上TYPE-C接口实现。打开STC-ISP V6.92G或更高版本。
打开程序文件，即打开"Objects"里的"audio-play.hex"文件。
用USB TYPE-C延长线将“屠龙刀三”核心板与PC连接，持续按下P3.2按键，短按OFF键释放，1秒后释放P3.2按键，STC ISP就能自动识别到设备：

点击下载按钮，将程序下载到MCU中。


5、播放设置

此时STC ISP已能自动识别播放程序的CDC通信口，下图的“扫描”里显示的就是CDC串口。
点击“STC调试接口”，选择“播放Wave(P)”，见下图：


点击“打开Wave”，选择要播放的Wave文件。


Wave文件信息里会显示文件的重要信息：
    文件格式，目前只支持：1-PCM，6-A law，17-IMA ADPCM这3种类型。
    通道数：1表示单声道，2表示立体声。
    采样率：不用解释。
    采样位数：就是一个采样点的位数，用户不用关心。
    数据大小：即声音的字节数。
设置数据发送模式里的“每个数据包的大小（字节）”为1024。
勾选“第一包数据发送WAVE文件信息”
选择“应答式发送”。
点击“发送Wave数据”。


之后，按一下板上的P3.2键开始播放，MCU请求的第一个数据包为14字节的上述文件信息，大端模式。
   Byte0、Byte1：WAV类型，0x0001-->PCM，0x0006-->A Law，0x0011-->IMA ADPCM。
   Byte2：声道数，1（单声道）或2（立体声）。
   Byte3：采样位数，用户不用理会。
   Byte4~Byte7：采样率，Hz。
   Byte8~Byte11：数据长度（字节数）。
   Byte12~Byte13：BLOCK长度(ADPCM使用)。


后面请求发送的都是音频数据包，程序根据文件格式进行处理后送去PWM播放出声音。
输出的声音要接功放和音箱才能听到传真度不错的音乐，使用32KHz或44.1KHz的采样格式，普通音响将难以分辨其与320Kbps码率的MP3的音质有啥差别。


6、通信查询速度适配
文件格式不同，采样率不同，就有不同的数据率，数据率越高，对通信的速度要求就越高。但是通信速度高，PC的CPU占用率就高，这必须要平衡一下。
点击串口助手“更多设设置”，在“响应接收时间（查询周期）”的输入框中，根据数据率输入合适的值，时间短通信速度快，但电脑PC占用率会加大。


下面为参考的时间设置：
PCM  采样率    响应接收时间     数据率
    44.1KHz       0ms        176.4KB/S
     32KHz     1ms或2ms     128KB/S
     16KHz     4ms或5ms      64KB/S


ADPCM 采样率    响应接收时间     数据率
    44.1KHz       5ms           44.1KB/S
      32KHz      10ms            32KB/S
     16KHz       10ms            16KB/S


A law 采样率    响应接收时间     数据率
    44.1KHz    2ms或3ms        88.2KB/S
     32KHz     4ms或5ms         64KB/S
     16KHz       10ms            32KB/S


最后，将HIFI功放打开，8寸迷宫式二单元书架箱安排上，将重低音开最大，听着圆润的歌声和直拍心口的重低音鼓，等待隔壁邻居来敲门！


7、展示图片

猪小呆

哇，STC真的好牛逼好强大好厉害，不知道实现这样的功能对单片机有没有特殊的要求？比如用STM32实现起来容易吗？

lmn2005

看起来是高手才能这样 玩的。

firseve

GB GBA 卡带读写
atmega8515L stc8h8k64U stc32g12k128 同框图
结果是，avr晶振8M， stc用35M
串口读取速度没啥太大区别。。。
代码移植了一部分，都没啥动力继续搞了

STC新势力

STC32G12K128 ， USB-CDC实时传输音频，太酷啦！有时间用屠龙刀试一下

x067

之前为了音质，专门买了4寸的书架箱，里面有分频器的那种。。后面用的数字功放，感觉吧，也就那样。。

sadfun

这是个好东西啊~

jxcnj

高手，收藏学习

阿粗

谢谢分享

孤云feng

数字功放感觉差点味道

数码之家小马哥

谢谢楼主，学习中

海阔天空xsj

这套茶桌感觉还不错哦，茶道友人

sdf15937

firseve 发表于 2023-11-21 10:28
GB GBA 卡带读写
atmega8515L stc8h8k64U stc32g12k128 同框图
结果是，avr晶振8M， stc用35M

这玩意儿可以搞一搞……

tomyluo

pwm能直接驱动mos推动喇叭吗

uccms

很好，很强大，不错。

银河小铁骑

tomyluo 发表于 2023-11-26 16:20
pwm能直接驱动mos推动喇叭吗

可以参考附件的原理图

oosheoo

高人啊，这都可以。

wwb2002

感觉没什么实用价值，不然搞一个stc版jlinkob或者usb blaster？

nm7758521

8寸迷宫式二单元书架箱在哪买的？

tomyluo

能加入usb音频功能吗？作为声卡使用