STM32之音频数据的Flash读取与DAC播放

一. STM32103之内部Flash原理

1. Flash介绍

Flash 中文名字叫闪存，是一种长寿命的非易失性（断电数据不丢失）的存储器，可以对称为块的存储器单元块进行擦写和再编程，在进行写入操作之前必须先执行擦除。
一个Nand Flash由多个块(Block)组成，每个块里面又包含很多页(page)。每个页对应一个空闲区域/冗余区域(spare area)，这个区域不是用来存储数据的，用于放置数据的校验值检测和纠错的。
块，是Nand Flash的擦除操作的基本/最小单位。
页，是Nand Flash的写入操作的基本/最小的单位。

2. Flash的组成

STM32F1 的闪存（Flash）模块由：主存储器、信息块和闪存存储器接口寄存器三部分组成

模块	作用
主存储器	该部分用来存放代码和数据常数（如 const 类型的数据）。对于大容量产品，其被划分为 256 页，每页 2K 字节。注意，小容量和中容量产品则每页只有 1K 字节。从上图可以看出主存储器的起始地址就是0X08000000， BOOT0、BOOT1 都接 GND 的时候，就是从 0X08000000 开始运行代码的。
信息块	该部分分为 2 个小部分，其中启动程序代码，是用来存储 ST 自带的启动程序，用于串口下载代码，当 BOOT0 接 V3.3， BOOT1 接 GND 的时候，运行的就是这部分代码。用户选择字节，则一般用于配置写保护、读保护等功能
闪存存储器接口寄存器	该部分用于控制闪存读写等，是整个闪存模块的控制机构。对主存储器和信息块的写入由内嵌的闪存编程/擦除控制器(FPEC)管理；编程与擦除的高电压由内部产生。

在执行闪存写操作时，任何对闪存的读操作都会锁住总线，在写操作完成后读操作才能正确地进行；
在进行写或擦除操作时，不能进行代码或数据的读取操作。
它们的地址分布及大小如下：

STM32的Flash地址起始于0x0800 0000，结束地址是0x0800 0000加上芯片实际的Flash大小，不同的芯片flash大小不同。

3. STM32内部框架图

STM32F103系列的FLASH 容量一般为 512K 字节，属于大容量芯片

• STM32内部框架图
  
  其中的SRAM为静态随机存取存储器，是随机存取存储器的一种，只要保持通电，里面储存的数据就可以恒常保持。但是当电力供应停止时，SRAM储存的数据是会消失的；而Flash不会断电丢失数据的特性就被无限放大。

二. SD卡的读写

在SD卡创建一个.txt文件，循环（不加延时）分批一次写入256字节，累计写入不少于64KB字节；然后读取此文件数据，通过串口显示出来，并分析写入和读取的速率。

具体操作参考博客：STM32F103之完成对SD卡的数据读取

1. 实验过程

• 打开串口助手，观察输出结果
  
  总共用了12分钟，写了64K字节。

2. 查看hello.txt

3. 从SD卡里读出数据

利用FATS从SD卡读出数据，并且串口输出
（1）代码修改

• 因为要进行读取，所以将写入部分的函数改为读出函数
  
• 声明读出函数，定义双字节数据类型s，用来保存地址(或者存放指针)，再定义字节类型格式的变量和一个存储读取的数组
  
  ① 修改f_open函数的第三个参数设置为打开状态为FA_READ模式
  ②文件指针移至相应位置，否则无输出
  ③指针加地址
  ④使用FATS的read函数，第一个参数是指针，第二个是存储数组，第三个是数组大小，第四个是强制转换br为UINT格式
  ⑤输出
  
  （2）结果显示
  

三. Flash地址空间的数据读取

STM32F103C8T6只有20KB内存（RAM）供程序代码和数组变量存放，因此针对内部Flash的总计64KB存储空间(地址从0x08000000开始），运行一次写入8KB数据，总计复位运行代码4次，将32KB数据写入Flash。并验证写入数据的正确性和读写速率。

链接：https://pan.baidu.com/s/11Tn8TocHT8qithneDyKFIQ
提取码：pmvn

1. Flash写入流程

1. 解锁（固定的KEY值）
   由于内部 FLASH 空间主要存储的是应用程序，是非常关键的数据，为了防止误操作修改了这些内容，芯片复位后默认会给控制寄存器 FLASH_CR 上锁，这个时候不允许设置 FLASH 的控制寄存器，从而不能修改 FLASH 中的内容。所以对 FLASH 写入数据前，需要先给它解锁。
   解锁的操作步骤如下：
   （1）往 FPEC 键寄存器 FLASH_KEYR 中写入 KEY1 = 0x45670123
   （2）再往 FPEC 键寄存器 FLASH_KEYR 中写入 KEY2 = 0xCDEF89AB

2. 页擦除
   在写入新的数据前，需要先擦除存储区域，STM32 提供了页（扇区）擦除指令和整个 FLASH 擦除(批量擦除)的指令，批量擦除指令仅针对主存储区。
   页擦除的过程如下：
   （1）检查 FLASH_SR 寄存器中的“忙碌寄存器位 BSY”，以确认当前未执行任何 Flash 操作；
   （2）在 FLASH_CR 寄存器中，将“激活页擦除寄存器位 PER ”置 1；
   （3）用 FLASH_AR 寄存器选择要擦除的页；
   （4）将 FLASH_CR 寄存器中的“开始擦除寄存器位 STRT ”置 1，开始擦除；
   （5）等待 BSY 位被清零时，表示擦除完成。
   

3. 写入数据
   擦除完毕后即可写入数据，写入数据的过程并不是仅仅使用指针向地址赋值，赋值前还需要配置一系列的寄存器，步骤如下：
   （1）检查 FLASH_SR 中的 BSY 位，以确认当前未执行任何其它的内部 Flash 操作；
   （2）将 FLASH_CR 寄存器中的 “激活编程寄存器位 PG” 置 1；
   （3）向指定的 FLASH 存储器地址执行数据写入操作，每次只能以 16 位的方式写入；
   （4）等待 BSY 位被清零时，表示写入完成。
   

2. 配置STM32CubeMX

• 时钟配置
  
• SYS 配置
  
• 设置PC13为GPIO_Output
  
• 使能GPIO引脚
  
• 设置堆栈大小为4K
  
  之后导出即可

3. 修改代码

1. 将准备好的flash.h加入到工程中
   
2. 在main.c中添加代码

• 修改数组大小
  
• 添加头文件 #include "flash.h"
  
• 修改数据内容
  
• 读取数据
  
  编译后没有错误

4. 设置ST-Link

电路连线：

ST-Link	STM32F103
SWCLK/TCK	SWCLK/TCK
SWDIO/TMS	SWDIO/TMS
GND	GND
VCC	VCC

连接好后，安装好ST-Link驱动
链接：https://pan.baidu.com/s/1cmreV0
安装好驱动后，上电，查看设备管理器，可以看到STLink在电脑上显示出来

5. Keil配置

• 进入keil 配置，设置Debug为ST-Link Debugger
  
• 点击Settings可以看到要检测出SWDIO有信息
  

6. 调试程序

• 点击LOAD将程序下载到STM32中
  
  注意：download后，要将STM32调整为工作模式，并按下复位键
• 进入Debug，全速运行，View->memory windows->memory 1打开内存观察窗口
  
  并在地址栏中输入0x800c000后回车
  
• 在Memory1窗口可观察到成功写入内容
  
• View->Watch windows->Watch 1打开一个变量观察窗口
  
  在main.c文件中，找到变量FlashWBuff 和FlashRBuff，右健单击 'Add FlashWBuff’ to watch1，将变量FlashWBuff 和 FlashRBuff加入到 Watch 1 观察窗口
  
• 全速运行，可以观察到FlashWBuff和 FlashRBuff内容相同
  

四. 实例——基于片内Flash的提示音播放程序

1. DAC介绍

• DAC 是数字/模拟转换模块，它的作用就是把输入的数字编码，转换成对应的模拟电压输出，它的功能与 ADC相反。在常见的数字信号系统中，大部分传感器信号被化成电压信号，而 ADC把电压模拟信号转换成易于计算机存储、处理的数字编码，由计算机处理完成后，再由 DAC输出电压模拟信号，该电压模拟信号常常用来驱动某些执行器件，使人类易于感知，如音频信号的采集及还原就是这样一个过程。
• STM32具有片上DAC外设，它的分辨率可配置为 8位或 12位的数字输入信号，具有两个 DAC 输出通道，这两个通道互不影响，每个通道都可以使用 DMA 功能，都具有出错检测能力，可外部触发。

STM32的DAC模块主要特点有：

• 2个DAC转换器，每个转换器对应1个输出通道
• 8位或12位单调输出
• 12位模式下数据左对齐或右对齐
• 同步更新功能
• 噪声波形形成
• 三角波形形成
• 双DAC通道同时或者分别转换

DAC结构框图如下

2. 使用DAC输出周期2KHZ的正弦波

建议先用单音音频（比如2000Hz的正弦波）的wav数据进行实验，通过DAC或PCM音频模块能够基本还原出原始正弦波声音后，再用语言/音乐信号进行实验。

工程链接：https://pan.baidu.com/s/1gEATonRXK7km3yf-Mu0eEQ
提取码：1234

• 打开Adobe Audition CS6，点击文件->新建->音频文件
  
• 效果->生成基本音色
  
• 文件->导出->设置导出为wav文件
  
• 用UltraEdit打开刚才保存的wav文件
  
• CTRL+A，接着鼠标右键，选择十六进制复制选定视图，将内容粘贴到一个新建文件中
  在新建文件中，CTRL+A，然后右键，选择范围输入起始的行号和列号，确定就选中了整个内容
  
• 然后将上面选中的内容复制到notepad++中，Edit->Column editor(列块编辑-)>输入,0x
  点击第一行的每个数字后面，列编辑插入，0x
  
• 将生成的十六进制写入FLASH
  打开keil工程的bsp_dac.c文件，将内容复制波形数据位置，在下图中进行替换
  
  
  然后编译下载，看能否观察到预期的正弦波

3. 数字音频还原播放

编程读取此段音频，通过stm32f103c8t6自带的DAC通道，转换为模拟音频进行播放，并用示波器观察波形，用耳机/喇叭收听，评判音乐还原效果。

• 用Adobe Audition CS6打开一个音频文件
  
• 右键，点击存储选择为，然后更改参数
  
• 点击确定，完成
  
  接下来用“使用DAC输出周期2KHZ的正弦波”一样的方法：
  ① 用UltraEdit打开刚才保存wav文件-> ② 选择十六进制复制选定视图，将内容粘贴到一个新建文件中-> ③ 将选中的内容复制到notepad++中-> ④ 采用列编辑，在每一列前面加上0x-> ⑤ 将生成的音频十六进制写入FLASH-> ⑥ 打开keil中的文件bsp_dac.c，将正弦波数据换成音频文件生成的数据（刚刚从FLASH写入并读出的数据）-> ⑦ 替换后，烧录程序，通过DAC模块可收听音乐。

五. 总结

本文介绍了STM32内部的Flash原理，以及认识了DAC。通过实例——使用DAC输出周期2KHZ的正弦波和使用STM32F103的DAC功能实现音频输出，进一步了解了Flash的写入过程，将音频文件写入Flash比较复杂，要通过采用audition、ultraedit、notepad++ 手工将wav音频数据提取、再将音频歌曲数据转换为模拟音频波形输出（循环）一系列过程才能成功做出来。

六. 参考资料

https://blog.csdn.net/lushoumin/article/details/87694389
https://www.cnblogs.com/pertor/p/9484663.html
https://blog.csdn.net/zhanglifu3601881/article/details/96632971
https://www.jianshu.com/p/a0c6ec6fcff4
https://blog.csdn.net/qq_43279579/article/details/111990896
https://blog.csdn.net/qq_45748462/article/details/112392144