Составное устройство USB на STM32. Часть 2: USB Audio Speaker
Во второй части публикации о составном устройстве USB я расскажу о том, как работает звуковое устройство USB, которое STM32CubeMX генерирует по умолчанию «из коробки», а также как подготовить проект и настроить параметры звукового устройства перед запуском генерации кода.
В первой части публикации были описаны предпосылки запуска проекта по разработке составного устройства USB и приведены общие сведения о назначении и составе устройства.
Ссылка на первую часть публикации:
Составное устройство USB на STM32. Часть 1: Предпосылки
Проект был создан в STM32CubeIDE из шаблона для платы NUCLEO-F446ZE. Особенностью платы является наличие двух разъёмов USB, к одному из которых подключены встроенный в плату ST-Link V2.1 и виртуальный COM-порт с подключенным к нему UART3. Через этот разъём USB может также осуществляться электропитание платы.
К виртуальному COM-порту можно подключиться на скорости 115200 bps любой терминальной программой и использовать этот канал связи для приёма сообщений при отладке. Прерывание для UART3 по умолчанию отключено, его надо включить.
Пользовательское устройство USB Full Speed использует второй разъём USB. Для корректной работы порта USB в составе проекта опцию «Activate_VBUS» нужно отключить.
При настройке конфигурации порта была обнаружена интересная особенность: при включении опции «Low power» микроконтроллер терял связь с интерфейсом SWD. К счастью, встроенный в плату ST-Link поддерживает режим «Connect under reset», что позволяет выводить MCU из состояния «кирпича» без применения дополнительных аппаратных средств.
Приступим к созданию двухканального дуплексного звукового устройства USB, для чего переходим в раздел «Middleware» и выбираем IP «Audio Device Class». Задаём максимальное количество интерфейсов равное трём. Частоту дискретизации устанавливаем равной 48000 samples/s.
Сохраняем проект. Запускаем генерацию кода. Пытаемся разобраться, что получилось в результате.
Хочу отметить, что использование STM32CubeMX и библиотеки HAL позволяет прятать «под капот» большой объём кода. Для профессиональной разработки такой подход может быть и не приемлем, но для любительского проекта экономит много времени и сил.
Из всего проекта нас пока интересуют только файлы, расположенные в папках USB_DEVICE/App и Middlewares/ST/Class/AUDIO.
Для начала разберем, как в файле usb_device.c происходит процесс формирования и запуска устройства USB:
#include "usb_device.h"
#include "usbd_core.h"
#include "usbd_desc.h"
#include "usbd_audio.h"
#include "usbd_audio_if.h"
USBD_HandleTypeDef hUsbDeviceFS;
void MX_USB_DEVICE_Init (void)
{
USBD_Init (&hUsbDeviceFS, &FS_Desc, DEVICE_FS);
USBD_RegisterClass (&hUsbDeviceFS, &USBD_AUDIO);
USBD_AUDIO_RegisterInterface (&hUsbDeviceFS, &USBD_AUDIO_fops_FS);
USBD_Start (&hUsbDeviceFS);
}
Сначала создаётся переменная hUsbDeviceFS. Тип USBD_HandleTypeDef объявлен в usbd_def.h.
Функция MX_USB_DEVICE_Init вызывается из main.c.
Вызовом функции USBD_Init задаются начальные значения переменной hUsbDeviceFS.
Вызовом функции USBD_RegisterClass в hUsbDeviceFS.pClass размещается указатель на созданную в usbd_audio.c переменную USBD_AUDIO, содержащую указатели на обработчики событий, относящихся к классу устройства. Тип USBD_ClassTypeDef объявлен в usbd_def.h.
Вызовом функции USBD_RegisterInterface в hUsbDeviceFS.pUserData размещается указатель на созданную в usbd_audio_if.c переменную USBD_AUDIO_fops_FS, содержащую указатели на обработчики событий, относящихся к пользовательскому интерфейсу устройства. Тип USBD_AUDIO_ItfTypeDef объявлен в usbd_audio.h.
Вызовом функции USBD_Start производится запуск устройства USB.
Дескрипторы устройств USB являются своеобразными «техническими паспортами» или «руководствами по эксплуатации», из которых хост получает всю необходимую информацию о составе устройства USB и режимах его работы.
Что именно хост получает от сгенерированного в STM32CubeMX звукового устройства, можно узнать с помощью бесплатной утилиты Thesycon USB Descriptor Dumper.
Information for device STM32 Audio Class (VID=0x0483 PID=0x5740):
Connection Information:
------------------------------
Device current bus speed: FullSpeed
Device supports USB 1.1 specification
Device supports USB 2.0 specification
Device address: 0x000A
Current configuration value: 0x00
Number of open pipes: 0
Device Descriptor:
------------------------------
0x12 bLength
0x01 bDescriptorType
0x0200 bcdUSB
0x00 bDeviceClass
0x00 bDeviceSubClass
0x00 bDeviceProtocol
0x40 bMaxPacketSize0 (64 bytes)
0x0483 idVendor
0x5740 idProduct
0x0200 bcdDevice
0x01 iManufacturer
0x02 iProduct
0x03 iSerialNumber
0x01 bNumConfigurations
Configuration Descriptor:
------------------------------
0x09 bLength
0x02 bDescriptorType
0x006D wTotalLength (109 bytes)
0x02 bNumInterfaces
0x01 bConfigurationValue
0x00 iConfiguration
0xC0 bmAttributes (Self-powered Device)
0x32 bMaxPower (100 mA)
Interface Descriptor:
------------------------------
0x09 bLength
0x04 bDescriptorType
0x00 bInterfaceNumber
0x00 bAlternateSetting
0x00 bNumEndPoints
0x01 bInterfaceClass (Audio Device Class)
0x01 bInterfaceSubClass (Audio Control Interface)
0x00 bInterfaceProtocol
0x00 iInterface
AC Interface Header Descriptor:
------------------------------
0x09 bLength
0x24 bDescriptorType
0x01 bDescriptorSubtype
0x0100 bcdADC
0x0027 wTotalLength (39 bytes)
0x01 bInCollection
0x01 baInterfaceNr(1)
AC Input Terminal Descriptor:
------------------------------
0x0C bLength
0x24 bDescriptorType
0x02 bDescriptorSubtype
0x01 bTerminalID
0x0101 wTerminalType (USB Streaming)
0x00 bAssocTerminal
0x01 bNrChannels (1 channels)
0x0000 wChannelConfig
0x00 iChannelNames
0x00 iTerminal
AC Feature Unit Descriptor:
------------------------------
0x09 bLength
0x24 bDescriptorType
0x06 bDescriptorSubtype
0x02 bUnitID
0x01 bSourceID
0x01 bControlSize
bmaControls:
0x01 Channel(0)
0x00 Channel(1)
0x00 iFeature
AC Output Terminal Descriptor:
------------------------------
0x09 bLength
0x24 bDescriptorType
0x03 bDescriptorSubtype
0x03 bTerminalID
0x0301 wTerminalType (Speaker)
0x00 bAssocTerminal
0x02 bSourceID
0x00 iTerminal
Interface Descriptor:
------------------------------
0x09 bLength
0x04 bDescriptorType
0x01 bInterfaceNumber
0x00 bAlternateSetting
0x00 bNumEndPoints
0x01 bInterfaceClass (Audio Device Class)
0x02 bInterfaceSubClass (Audio Streaming Interface)
0x00 bInterfaceProtocol
0x00 iInterface
Interface Descriptor:
------------------------------
0x09 bLength
0x04 bDescriptorType
0x01 bInterfaceNumber
0x01 bAlternateSetting
0x01 bNumEndPoints
0x01 bInterfaceClass (Audio Device Class)
0x02 bInterfaceSubClass (Audio Streaming Interface)
0x00 bInterfaceProtocol
0x00 iInterface
AS Interface Descriptor:
------------------------------
0x07 bLength
0x24 bDescriptorType
0x01 bDescriptorSubtype
0x01 bTerminalLink
0x01 bDelay
0x0001 wFormatTag (PCM)
AS Format Type 1 Descriptor:
------------------------------
0x0B bLength
0x24 bDescriptorType
0x02 bDescriptorSubtype
0x01 bFormatType (FORMAT_TYPE_1)
0x02 bNrChannels (2 channels)
0x02 bSubframeSize
0x10 bBitResolution (16 bits per sample)
0x01 bSamFreqType (Discrete sampling frequencies)
0x00BB80 tSamFreq(1) (48000 Hz)
Endpoint Descriptor (Audio/MIDI 1.0):
------------------------------
0x09 bLength
0x05 bDescriptorType
0x01 bEndpointAddress (OUT endpoint 1)
0x01 bmAttributes (Transfer: Isochronous / Synch: None / Usage: Data)
0x00C0 wMaxPacketSize (1 x 192 bytes)
0x01 bInterval (1 frames)
0x00 bRefresh
0x00 bSynchAddress
AS Isochronous Data Endpoint Descriptor:
------------------------------
0x07 bLength
0x25 bDescriptorType
0x01 bDescriptorSubtype
0x00 bmAttributes
0x00 bLockDelayUnits (undefined)
0x0000 wLockDelay
Microsoft OS Descriptor is not available. Error code: 0x0000001F
String Descriptor Table
--------------------------------
Index LANGID String
0x00 0x0000
0x01 0x0000 Request failed with 0x0000001F
0x02 0x0000 Request failed with 0x0000001F
0x03 0x0000 Request failed with 0x0000001F
------------------------------
Connection path for device:
xHCI-??????????? ????-?????????? USB
Root Hub
STM32 Audio Class (VID=0x0483 PID=0x5740) Port: 2
Running on: Windows 10 or greater
Brought to you by TDD v2.11.0, Mar 26 2018, 09:54:50Данные из листинга становятся более понятными, если обратиться к следующим документам:
[2] Universal Serial Bus Audio Device Class Specification for Basic Audio Devices. Release 1.0. November 24, 2006
[3] Universal Serial Bus Device Class Definition for Audio Devices. Release 1.0. March 18, 1998
Из раздела Device Descriptor мы видим, что устройство поддерживает USB 2.0, имеет единственную конфигурацию, и что класс, подкласс и протокол устройства определяются классом, подклассом и протоколом интерфейса.
Из раздела Configuration Descriptor мы видим, что длина дескриптора конфигурации класса устройства составляет 109 байт, что в устройство входят два интерфейса, что устройство «самозапитанное» (self-powered) и не может потреблять от шины USB ток более 100 мА.
Далее идёт описание интерфейса управления (Audio Control Interface, AC), из которого мы узнаём, что структура устройства выглядит так:
Подробней об этой структуре можно прочитать в [2] на стр. 15, 19 — 26.
Для связи с хостом интерфейс управления использует конечную точку 0 (EP0).
Данные дескриптора интерфейса воспроизведения (Audio Streaming Interface, AS) описаны в [2] на стр. 30 — 34. Сначала идёт описание интерфейса, затем — описание используемых им конечных точек.
У интерфейса воспроизведения есть два состояния:
- в состоянии Alternate Setting 0 интерфейс не использует ни одной конечной точки и имеет нулевую полосу пропускания;
- в состоянии Alternate Setting 1 интерфейс использует одну конечную точку и принимает поток данных для воспроизведения по двум каналам 16-битного звука с частотой дискретизации 48 кГц.
Конечная точка с адресом 0×01 работает в асинхронном изохронном режиме и принимает пакеты размером ((48000 Гц * 2 байта * 2 канала) / 1000 мс) = 192 байта с интервалом 1 мс.
Файлы сгенерированного в STM32CubeMX драйвера звукового устройства USB расположены в папках Middlewares/ST/Class/AUDIO и USB_DEVICE.
Функции, с помощью которых драйвер звукового устройства взаимодействует со своим оконечным оборудованием (например ЦАП или кодеком), содержатся в файле usbd_audio_if.c.
Во время инициализации устройства функции AUDIO_Init_FS передаются значения частоты дискретизации в герцах и начального уровня громкости. Эти данные могут быть использованы для инициализации оконечного оборудования.
После первоначального заполнения циклического буфера звукового устройства драйвер формирует команду AUDIO_CMD_START и передаёт оконечному оборудованию указатель типа uint8_t* на начало буфера и число типа uint_32, равное половине длины буфера в байтах.
В идеальном случае, когда скорость чтения данных оконечным устройством из буфера и скорость приёма данных по USB совпадают, было бы достаточно запустить оконечное оборудование на вывод данных с параметрами, преданными вместе с командой AUDIO_CMD_START, прямо из циклического буфера звукового устройства.
В реальном же мире потребуется синхронизация скорости потоков данных. В сгенерированном в STM32CubeMX звуковом устройстве это реализовано путём «подгонки» скорости вывода данных через оконечное оборудование под скорость приёма данных по USB.
Обратная связь организована через вызов оконечным оборудованием функции HalfTransfer_CallBack_FS после окончания чтения половины буфера, а затем вызов функции TransferComplete_CallBack_FS после полного окончания чтения буфера.
При запуске функции TransferComplete_CallBack_FS драйвер звукового устройства формирует команду AUDIO_CMD_PLAY и сравнивает скорости записи в буфер и чтения из буфера по положению указателей чтения и записи. Если расстояние между этими указателями меньше четверти размера буфера, оконечному оборудованию передаётся указатель типа uint8_t* на начало буфера, а также число типа uint_32, равное уменьшенной на 4 половине длины буфера в байтах, если чтение происходит медленней записи, или увеличенной на 4 половине длины буфера в байтах, если чтение происходит быстрей.
Подобный метод синхронизации вносит искажения в сигнал, но они менее заметны на слух, чем искажения при записи в область буфера, из которой производится чтение.
От автора
В следующей части публикации мы:
- дополним звуковое устройство USB трактом записи;
- приведем дескриптор звукового устройства USB в читаемый вид;
- сохраним доработанный драйвер звукового устройства USB в безопасное место;
- сгенерируем в STM32CubeMX драйвер виртуального COM-порта.
