2018年07月23日 | 基于STM32的WAV音频格式播放器

STM32从SD卡中读取语音文件进行播放，因此需要对语音进行解码，刚开始就一直使用Speex的音频压缩格式，最近发现，在进行语音格式转换时，我们不能很好地分析spx格式音频文件的文件头，这样就会导致语音的播放出现问题。由于WAV采用PCM编码，音质也十分不错，于是考虑用STM32对WAV格式音频文件进行解码，上周末开始找资料和编程，其中也遇到了不少问题，不过功夫不负有心人，最终还是顺利的跑起来了。先将资料和编程过程整理成本文，供大家一起学习和进步。

WAV文件格式是一种重要的用于存放声音文件的文件格式，尽管现在有MP3，RAM等压缩效率更高的声音文件格式，并且广泛被音乐文件所采用，但是又很多的应用程序仍然采用WAV文件格式。由于WAV文件没有采用压缩技术，所以它的文件很庞大，一般都在几MB以上。但也正是因为没有采用压缩技术，声音的采样数据很容易被读出来，便于用作其他的处理。

废话不多说了，我们直接去解析WAV文件格式吧。

WAV格式符合RIFF（Resource interchange File Format）规范。所有的WAV都有一个头文件，这个头文件音频流的编码参数。

表1、WAV文件的文件头

表2、WAV声音文件的数据块
接下来我们用已经编好的程序来读取一个WAV文件的文件头和数据块，看看各个内容都表示什么含义。

图1、WAV源文件

图2、用WinHex软件解析WAV

    图3、STM32读取WAV的信息

头文件样例说明：

?        “52 49 46 46”这个是Ascii字符“RIFF”，这部分是固定格式，表明这是一个WAVE文件头。

?        “24 33 AE 00”这个是我的WAV文件的数据大小，这个大小包括除了前面4个字节的所有字节，也就是等于文件总字节数减去8。得到图3中的11416356。11416356+8=11416364Byte=10.88Mb。

?        “57 41 56 45 66 6D 74 20”，也是Ascii字符“WAVEfmt”，这部分是固定格式。以后是PCMWAVEFORMAT部分。

?        “10 00 00 00”，这是一个DWORD，对应数字16，这个对应定义中的PCMWAVEFORMAT部分的大小，可以看到后面的这个段内容正好是16个字节。当为16时，最后是没有附加信息的，当为数字18时，最后多了两个字节的附加信息。

?        “01 00”，这是一个WORD，对应定义为编码格式（WAVE_FORMAT_PCM格式用的就是这个）。

?        “01 00”，这是一个WORD，对应数字1，表示声道数为1，是个单声道WAV，当值为2时为立体声WAV。

?        “22 56 00 00”对应数字22050，代表的是采样频率220505，采样率（每秒样本数）表示每个通道的播放速度。

?        “44 AC 00 00”对应数字44100，代表的是每秒的数据量，波形音频数据传送数率，其值为通道数×每秒样本数×每个样本的数据位数/8。播放软件利用此值可以估计缓冲区的大小。

?        “02 00:”对应数字是2，表示块对齐的内容。数据块的调整数（按字节算），其值为通道数×每个样本的数据位置/8.播放软件需要一次处理多个改值大小的字节数据，以便将其值用于缓冲区的调整。

?        “10 00”，此数值为16，采样大小为16bits，每样本数据位数，表示每个声道中各个样本的数据位数。如果有多个声道，对每个声道而言，样本大小都一样。

?        “64 61 74 61”，这个是Ascii字符“data”，表示头结束，开始数据区域。

?        “00 33 AE 00”，十六进制数是“0xAE3300”，对应十进制11416320，是数据区的开头以后的数据总数。

再往后就是真正的WAV文件数据体了，头文件分析到此。

常见的声音文件主要有两种，分别对应单声道（11.025KHz采样率、8Bit的采样值）和双声道（44.1KHz采样率、16Bit的采样值）。采样率是指：声音信号在“模->数”转换过程中单位时间内采样的次数。采样值是指每一次采样周期内声音模拟信号的积分值。

对于单声道声音文件，采样数据位8位的短整数；而对于双声道立体声声音文件，每次采样数据位一个16位的整数，高8为和低8位分别代表左右两个声道。
WAVE文件数据块包含以脉冲编码调制（PCM）格式表示样本。WAVE文件是由样本组织而成的。在单声道WAVE文件中，声道0代表左声道，声道1代表右声道。在多声道WAVE文件中，样本是交替出现的。

PCM数据的存放方式：

                  样本1                    样本2   

8位单声道        0声道                    0声道

8位立体声        0声道（左）1声道（右）    0声道（左） 1声道（右）

16位单声道       0声道低 0声道高          0声道低 0声道高  

16位立体声 0声道（左）低 0声道(左)高 1声道（右）低 1声道（右）高  

    系统硬件组成比较简单，可以分为液晶显示，LED指示，USB输入，SD卡，电源供电，音频功放和按键等，如图3-1所示：

图3-1 系统组成框图

SD卡电路：
SD卡采用SPI驱动。

USB电路：

采用SGM7222做转换开关，识别ID的电压值来选择是作为IAP下载还是用于USB接口

音频功放电路：

充电和系统电源：

程序编写主要有三个部分：定时器初始化，DAC初始化，定时器中断服务程序，WAV播放程序。

定时器初始化：

void Timerx_Init(u16 arr,u16 psc)

{

       NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

       RCC->APB1ENR|=1<<1;//TIM3时钟使能  

      TIM3->ARR=arr;  //设定计数器自动重装值   

       TIM3->SC=psc;  //预分频器7200，得到10KHz的计数时钟

       TIM3->DIER|=1<<0;   //允许更新中断          

       TIM3->DIER|=1<<6;   //允许触发中断

       TIM3->CR1|=0x01;    //使能定时器3

       //优先级设置

      NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);

       NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM3_IRQn;

    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;

    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 3;

    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;

       NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

}

DAC初始化：

#include "dac.h"

extern u16 digital;

void MyDAC_Init(void)//DAC channel1 Configuration

{

    unsigned int tmpreg1=0,tmpreg2=0;

      RCC->APB2ENR|=1<<2;//使能PORTA时钟

       RCC->APB1ENR|=RCC_APB1Periph_DAC;//使能DAC时钟

      GPIOA->CRL&=0XFFF0FFFF;

       GPIOA->CRL|=0X00040000;//PA4浮空输入    

    tmpreg1=DAC->CR;//Get the DAC CR value 

    tmpreg1&=~(CR_CLEAR_Mask<

  tmpreg2=(DAC_Trigger_Software|DAC_WaveGeneration_None|DAC_LFSRUnmask_Bits8_0|DAC_OutputBuffer_Enable);

    tmpreg1|=tmpreg2<

    DAC->CR=tmpreg1;//Write to DAC CR

     DAC->CR|=CR_EN_Set<

       DAC1_SetData(0x000);

       #if 0

    tmpreg1=DAC->CR;//Get the DAC CR value 

    tmpreg1&=~(CR_CLEAR_Mask<

tmpreg1|=tmpreg2<

DAC->CR=tmpreg1;

       DAC->CR|=CR_EN_Set<

       DAC2_SetData(0x000);

       #endif

}

void DAC1_SetData(u16 data)

{

       DAC->DHR12R1=data;//通道1的12位右对齐数据

       DAC->SWTRIGR|=0x01;//软件启动转换

}

void DAC2_SetData(u16 data)

{

       DAC->DHR12R2=data;//通道2的12位右对齐数据

       DAC->SWTRIGR|=0x02;//软件启动转换

}

定时器中断服务程序：

void TIM3_IRQHandler(void)

{                                                      

       u16 temp;

       if(TIM3->SR&0X0001)//溢出中断

       {

              if(CHanalnum==1)//单声道

              {

                     if(Bitnum==8)//8位精度

                     {

                            DAC->DHR12R1=wav_buf[DApc]*10/volume;

                            DAC->DHR12R2=wav_buf[DApc]*10/volume;

                            DAC->SWTRIGR |=0x01;                        

DApc++;

                     }

                     else if(Bitnum==16)                    

{

               temp=(((u8)(wav_buf[DApc+1]-0x80)<<4)|(wav_buf[DApc]>>4))*10/volume;

                        DAC->DHR12L1=temp;

                        DAC->DHR12L2=temp;

                        DAC->SWTRIGR|=0x01;

                        DApc+=2;                     

                     }

              }

              else if(CHanalnum==2)

              {

                     if(Bitnum==8)

                     {

                            DAC->DHR12R1=wav_buf[DApc]*10/volume;

                            DApc++;

                            DAC->DHR12R2=wav_buf[DApc]*10/volume;

                            DApc++;

                            DAC->SWTRIGR|=0x01;                  

}

                     else if(Bitnum==16)

                     {            DAC->DHR12L1=(((u8)(wav_buf[DApc+1]-0x80)<<4)|(wav_buf[DApc]>>4))*10/volume;                       DApc+=2;             DAC->DHR12L2=(((u8)(wav_buf[DApc+1]-0x80)<<4)|(wav_buf[DApc]>>4))*10/volume;

                            DApc+=2;                   

DAC->SWTRIGR|=0x01;           

                     }

              }           

              if(DApc==16384)

        {

        DApc=0;

        DACdone=1;

    }                                                                                                        

       }                            

       TIM3->SR&=~(1<<0);  

}

WAV初始化：

u8 WAV_Init(u8* wav_buf)

{

       if(Check_Ifo(wav_buf,"RIFF"))

              return 1; 

       wav1.wavlen=Get_num(wav_buf+4,4);

       printf("\n\rwav1.wavlen = %ld\n\r",wav1.wavlen);

//if(Check_Ifo(wav_buf+8,"WAVE"))return 2;//WAVE错误标志

//if(Check_Ifo(wav_buf+12,"fmt "))return 3;//fmt错误标志

       wav1.formart=Get_num(wav_buf+20,2);//格式类别

       printf("\n\rwav1.formart = %d\n\r",wav1.formart);

       wav1.CHnum=Get_num(wav_buf+22,2);//通道数

       printf("\n\rwav1.CHnum = %d\n\r",wav1.CHnum);

       CHanalnum=wav1.CHnum;

       wav1.SampleRate=Get_num(wav_buf+24,4);//采样率

       printf("\n\rwav1.SampleRate = %ld\n\r",wav1.SampleRate);

       wav1.speed=Get_num(wav_buf+28,4);//音频转换数率

       printf("\n\rwav1.speed = %ld\n\r",wav1.speed);

       wav1.ajust=Get_num(wav_buf+32,2);//数据块调速数

       printf("\n\rwav1.ajust = %d\n\r",wav1.ajust);

       wav1.SampleBits=Get_num(wav_buf+34,2);//样本数据位数

       printf("\n\rwav1.SampleBits = %d\n\r",wav1.SampleBits);

       Bitnum=wav1.SampleBits;

//if(Check_Ifo(wav_buf+36,"data"))return 4;//数据标志错误

       wav1.DATAlen=Get_num(wav_buf+40,4);//数据长度

       printf("\n\rwav1.DATAlen = %d\n\r",wav1.DATAlen);

       if(wav1.wavlen<0x100000)

       {

              printf("\n\rwav1.wavlen = %dkb\n\r",(wav1.wavlen)>>10);

       }

       else

       {

              printf("\n\rwav1.wavlen = %dMb\n\r",(wav1.wavlen)>>20);

       }

       if(wav1.formart==1)

              printf("\n\rWAV PCM\n\r");

       if(wav1.CHnum==1)

              printf("\n\rsingle\n\r");

       else

              printf("\n\rstereo\n\r");

       printf("\n\rwav1.SampleRate = %dkHz\n\r",(wav1.SampleRate)/1000);

       printf("\n\rwav1.speed = %dbps\n\r",(wav1.speed)/1000);

       printf("\n\rwav1.SampleBits = %dbit\n\r",wav1.SampleBits);

       return 0;

}

u8 Check_Ifo(u8* pbuf1,u8* pbuf2)

{

       u8 i;

       for(i=0;i<4;i++)

              if(pbuf1!=pbuf2)

                     return 1;

       return 0;

}

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;

}

WAV播放：

u8 Playwav(char *file)

{

       FIL fwav;

       FRESULT Res;

       UINT BR;

       unsigned char i;

       unsigned int times;

       Res = f_open(&fwav, file, FA_OPEN_EXISTING | FA_READ);

       if(Res != FR_OK)

  {

              printf("\n\ropen file error : %d\n\r",Res);

       }

       else

  {

         Res = f_read(&fwav, wav_buf, sizeof(wav_buf), &BR);     /* Read a chunk of src file */

    if(Res==FR_OK)

    {

                     WAV_Init(wav_buf);

                     DACdone=0;

                     DApc=44; //跳过头信息             

                     Timerx_Init(1000000/wav1.SampleRate,72); //定时器初始化

                     times=(wav1.DATAlen>>10)-1; //计算数据大小              

                     for(i=0;i

                     {    

                            while(!DACdone);//等待前面16384字节转换完成                                                   DACdone=0;

                            Res = f_read(&fwav, wav_buf, 16384, &BR);

                            while(!DACdone);// 等待前面16384字节转换完成

                            DACdone=0;

                            Res = f_read(&fwav, wav_buf, 16384, &BR);//读取数据

                     }

              }

              else

              {

                     printf("\n\rread file error : %d\n\r",Res);

              }

              f_close(&fwav);

       }

       return 0;

}