基于STM32的5G无线音箱实验系统设计

第４２卷　第４期２０２０年８月
电气电子教学学报
ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＥＥＥ
Ｖｏｌ．４２　Ｎｏ．４
Ａｕｇ．２０２０
收稿日期：２０２０ ０１ ０２；修回日期：２０２０ ０１ １２
基金项目：２０１９年意法半导体公司教育部产学合作协同育人项目 ＳＴＭ３２高校精品课程建设项目；２０１９年浙江大学实验技术研究项目
（ＳＪＳ２０１９０６）；２０１８年浙江大学高等教育“十三五”第一批教学改革研究项目；国家自然科学基金面上项目（５１８７７１８８）；
第一作者：陆玲霞（１９８２ ），女，博士研究生，工程师，主要从事嵌入式系统和人工智能的教学与研究工作，Ｅ ｍａｉｌ：ｌｕｌｉｎｇｘｉａ＠ｚｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
基于ＳＴＭ３２的５Ｇ无线音箱实验系统设计
陆玲霞，王丙楠，刘妹琴，于　淼
（浙江大学电气工程学院，浙江杭州３１００２７）
摘要：本文设计了一项嵌入式课程创新实验案例———以ＳＴＭ３２Ｆ１０５为主控的５Ｇ无线音箱实验系统，探讨基于ＳＴＭ３２ＣｕｂｅＭＸ工具的软件开发实验方法，以笙科５Ｇ无线芯片Ａ５１３０进行音频无线传输，并结合ＡＤＡＵ１７０１单芯片音频ＤＳＰ进行了软硬件设计，实现可达到４８ｋＨｚ采样率的ＣＤ级无损音质传输，为高质量无线音箱的研制提供一种科学、可靠的解决方案。

基于该系统，可开展ＳＰＩ、ＤＭＡ、Ｉ２Ｓ、音频数字采集与信号处理等实验项目，充分提升学生的嵌入式系统软硬件设计能力。

关键词：５Ｇ无线音箱；嵌入式实验系统；ＳＴＭ３２中图分类号：ＴＮ４０９
文献标识码：Ａ 文章编号：１００８ ０６８６（２０２０）０４ ０１１１ ０４
ＴｈｅＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆ５ＧＷｉｒｅｌｅｓｓＳｐｅａｋｅｒＢｏｘＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ
ＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＴｈｅＳＴＭ３２
ＬＵＬｉｎｇ ｘｉａ，ＷＡＮＧＢｉｎｇ ｎａｎ，ＬＩＵＭｅｉ ｑｉｎ，ＹＵＭｉａｏ
（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＺｈｅｊｉａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ３１００２７，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎｉｎｎｏｖａｔｉｖｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｃａｓｅ，ｉ．ｅ．，ｔｈｅ５ＧｗｉｒｅｌｅｓｓｓｐｅａｋｅｒｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＳＴＭ３２Ｆ１０５ｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．ＴｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎＳＴＭ３２ＣｕｂｅＭＸｔｏｏｌｈａｓｂｅｅｎｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ａｎｅｗｗａｙｏｆｕ ｓｉｎｇｔｈｅ５ＧｗｉｒｅｌｅｓｓｃｈｉｐｓＡ５１３０ｆｏｒｔｈｅｗｉｒｅｌｅｓｓｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄａｎｄＡＤＡＵ１７０１ｓｉｎｇｌｅｃｈｉｐａｕｄｉｏＤＳＰｉｓｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｄｔｏｄｅｓｉｇｎｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅａｎｄｈａｒｄｗａｒｅ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ５Ｇｗｉｒｅｌｅｓｓｓｐｅａｋｅｒｂｏｘｅｑｕｉｐｐｅｄｗｉｔｈ４８ｋＨｚｓａｍ ｐｌｉｎｇｒａｔｅｉｓｓｅｔｕｐｗｉｔｈＣＤ ｌｅｖｅｌｔｏｎｅｑｕａｌｉｔｙ，ｗｈｉｃｈｃａｎｐｒｏｖｉｄｅａｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃａｎｄｒｅｌｉａｂｌｅｓｏｌｕｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐ ｍｅｎｔｏｆｈｉｇｈｑｕａｌｉｔｙｗｉｒｅｌｅｓｓｓｐｅａｋｅｒｓ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍ，ｖａｒｉｏｕｓｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｐｒｏｊｅｃｔｓｓｕｃｈａｓＳＰＩ，ＤＭＡ，Ｉ２Ｓ，ａｕｄｉｏｄｉｇｉｔａｌａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎａｎｄｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｃａｎｂｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ，ｗｈｉｃｈｃａｎｆｕｌｌｙｅｎｈａｎｃｅｔｈｅｓｔｕｄｅｎｔｓ＇ａｂｉｌｉｔｙｏｆｈａｒｄｗａｒｅａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅｄｅｓｉｇｎ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：５Ｇｗｉｒｅｌｅｓｓｓｐｅａｋｅｒｂｏｘ；ｅｍｂｅｄｄｅｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｙｓｔｅｍ；ＳＴＭ３２
０　引言
随着嵌入式技术迅速发展，其应用已深入到各个领域，对各行各业的技术升级改造、产品更新换代、加速自动化进程等方面都起到重要推动作
用［１～２］。

但嵌入式系统课程涉及学科多、综合性强、理论知识比较抽象，学生普遍认为难以掌握［３］。

针
对嵌入式课程实践性要求高，行业技术更新快等特点，迫切需要将符合行业发展趋势且具有良好体验
的实验案例引入到实践环节中［
４～５］。

但市场上现有的嵌入式实验设备往往存在底层不开源、价格昂贵、技术更新慢、实用性差及无法开展综合性、探究性实
验等问题［６～７］。

为适应国家对“新工科”人才培养模式需求，我
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校自动化（电气）专业在“嵌入式系统”课程的探究性、创新性实验环节中，以目前工控领域广泛使用的ＳＴＭ３２为核心处理器，自研自制出５Ｇ频段无线音箱实验系统。

通过参与该项目的实验设计与探究过程，使学生充分体验电路设计与改进、底层ＰＣＢ绘制至电路焊接等全部硬件研制和调试过程，并掌握ＳＰＩ串口通信协议、ＤＭＡ直接内存存取方法、Ｉ２Ｓ通信协议和音频数字采集与信号处理技术等算法研究、软件调试等整个软件实现过程，研究基于５Ｇ频段传输的笙科Ａ５１３０芯片结合ＳＴＭ３２进行４８ｋＨｚ采样率ＣＤ级无损音质无线传输方法，实现一对多的数据传输功能以达到立体声效果，最终完成产品级的方案设计和功能演示。

以此提高学生的动手实践能力和创新能力，使学生具备解决复杂工程问题的能力。

１　系统架构及工作原理
本文通过研究基于ＳＴＭ３２的５Ｇ无线音箱实验系统，提供一种成本较低、传输速率高、传输距离远和高可靠性的解决方案，该实验系统框图如图１所
示。

图１　５Ｇ无线音箱实验系统框图
该系统分主机侧和从机侧：主机侧由手机等多媒体终端通过音频信号线，将音频模拟量输入到ＤＳＰ音频采集单元，并对双声道音频信号进行ＡＤ采样，采样频率为４８ｋＨｚ；转换完毕的双通道音频数字量通过Ｉ２Ｓ通信协议实时输入到ＳＴＭ３２主控芯片并保存至其内存；接着通过ＳＰＩ接口将内存中的双声道音频数字信号发送给５
Ｇ无线发送模块，并通过广播方式一对多实时发送给从机端。

各从机端工作过程与主机端相反，先通过５Ｇ接收模块接收主机端广播发送的双声道数字音频信号，接着通过ＳＰＩ协议实时传给ＳＴＭ３２并保存至其内存中，然后将内存中的双声道数字音频信号通过Ｉ２Ｓ协议传给ＤＳＰ音频Ｄ／Ａ处理单元实现模拟音频还原并通过功放模块获得４８ｋＨｚ采样率ＣＤ级无损音质播放。

系统中音频采集单元和Ｄ／Ａ处理单元均采用
ＡＤＡＵ１７０１ＤＳＰ芯片，５Ｇ无线收发模块采用笙科Ａ５１３０芯片，主控芯片是ＳＴＭ３２Ｆ１０５ＲＣＴ６。

２　实验系统硬件设计
基于ＳＴＭ３２的５Ｇ无线音箱实验系统的硬件主要包括ＳＴＭ３２主控单元、音频采集和Ｄ／Ａ处理单元、５Ｇ通信模块等。

２．１　主控芯片与核心电路电路设计
通过主控芯片ＳＴＭ３２Ｆ１０５ＲＣＴ６的Ｉ２Ｓ３接口与ＡＤＡＵ１７０１芯片（音频采集和Ｄ／Ａ处理单元）通信，为得到４８ｋＨｚ采样率ＣＤ级无损音质，ＳＴＭ３２需确保能生成标准４８ｋＨｚ的Ｉ２Ｓ信号，因此选择不受系统时钟影响的ＰＬＬ３作为Ｉ２Ｓ的时钟源进行单独配置，ＳＴＭ３２核心电路采用外部１４．７４５６ＭＨｚ晶振。

此外，ＳＴＭ３２通过ＳＰＩ２接口与５Ｇ无线收发模块Ａ５１３０通信，结合按键及信号灯完成按键控制和信号指示，还设置ＳＷＤ接口用于下载程序，并通过ＣＨ３４０芯片结合ＵＳＡＲＴ１接口完成与上位机通信。

２．２　音频采集和Ｄ／Ａ处理单元
主机侧音频信号采样和从机侧音频Ｄ／Ａ处理单元均采用ＡＤＡＵ１７０１，其包含２８／５６ｂｉｔ音频ＤＳＰ、ＡＤＣ、ＤＡＣ等接口。

其电路原理图如图２所示。

在主机侧，ＡＤＡＵ１７０１主要负责音频数据采样，以Ｉ２Ｓ从机模式发送给ＳＴＭ３２；在从机侧，ＡＤＡＵ１７０１主要负责将Ｉ２Ｓ数字音频解码转换为模拟信号播放，在实际测试时，为使Ｉ２Ｓ信号同步，ＡＤＡＵ１７０１晶振采
用了ＳＴＭ３２的Ｉ２ＳＭＣＬＫ作为时钟信号。

同时设计Ｉ２Ｃ
接口电路实现该模块程序下载。

图２　ＡＤＡＵ１７０１ＤＳＰ电路设计
２．３　５Ｇ无线通信模块电路设计
５Ｇ无线通信电路以笙科Ａ５１３０芯片为核心，Ａ５１３０的ＲＦ使用ＦＳＫ／ＧＦＳＫ调制，最快传输速率可达４Ｍｂｐｓ，可使用全球通用的５７２５～５８７５ＭＨｚ
第４期陆玲霞，王丙楠，刘妹琴，于淼：基于ＳＴＭ３２的５Ｇ无线音箱实验系统设计１１３
ＩＳＭＢａｎｄ与５１５０～５２５０ＭＨｚ两个频段。

外部ＣＰＵ可使用ＳＰＩ接口控制Ａ５１３０，且通过一个缓存器设定即可轻松跳频，使用者可以此制定抗干扰协议。

因此，本系统使用ＳＰＩ接口与ＳＴＭ３２连接，ＳＴＭ３２通过控制Ａ５１３０内部寄存器来完成无线通信。

为达到良好的传输质量，其天线采用外置独立天线，以增强信号发送和接收能力。

５Ｇ无线通信模块电路原理图如图３
所示。

图３　Ａ５１３０无线通信模块电路设计
３　系统软件设计与实现
软件系统中Ａ５１３０无线音频传输软件实现分两个步骤来实现：一是ＳＴＭ３２ＣｕｂｅＭＸ软件初始化配置后，生成初始化ＭＤＫ工程；二是在ＫｅｉｌＭＤＫ下进行ＬＬ库程序开发。

３．１　Ａ５１３０无线音频传输软件实现
本系统在发送端和接收端分别采用Ａ５１３０模块实现无线音频传输。

Ａ５１３０支持Ｄｉｒｅｃｔ和ＦＩＦＯ，为实现无损音频传输和实时播放，并兼顾传输效率和实时性，本设计采用６４Ｂｙｔｅｓ的ＦＩＦＯ；经计算要传输４８ｋＨｚ且１６位采样深度采样率的音频流需要速率４８ｋＨｚ×２声道×２Ｂｙｔｅｓ（１６位采样深度）／６４Ｂｙｔｅｓ＝３ｋ个数据包。

经测试，以６４Ｂｙｔｅｓ为单位数据包发送，系统实际最快可达每秒３．５６ｋ个数据包，可满足传输速率要求。

发送端软件流程如图４所示。

先初始化ＳＴＭ３２的ＳＰＩ；因Ａ５１３０的ＳＰＩ时钟不应超１０ＭＨｚ，本文用８．２９４４ＭＨｚ。

Ａ５１３０默认采用三线ＳＰＩ，而ＳＴＭ３２为四线ＳＰＩ，为能读取Ａ５１３０寄存器，将ＧＩＯ１引脚设置为ＳＤＯ功能后对Ａ５１３０寄存器初始化。

初始化后设置无线通信信道，进入ＦＩＦＯ模式，设置ＦＩＦＯ长度后写入操作，并通过命令使Ａ５１３０进入发送模式，此时需将ＧＩＯ１设为ＷＴ
Ｒ
图４　发送软件流程图
功能，发送完成后，ＧＩＯ１变为低电平，ＳＴＭ３２通过读取ＧＩＯ１判断是否发送完成，发送完成后才可进行下一次ＦＩＦＯ写入操作。

在接收端同样先对Ａ５１３０初始化，设置其寄存器进入ＦＩＦＯ模式，将ＧＩＯ１设为ＷＴＲ功能进入接收模式，根据ＧＩＯ１判断是否收到数据，将ＧＩＯ１设为ＳＤＯ功能以读取ＦＩＦＯ，读取完成后将ＧＩＯ１恢复为ＷＴＲ功能，然后进入接收模式等待下一次接收，其流程如图５
所示。

图５　接收流程图
３．２　ＳＴＭ３２ＣｕｂｅＭＸ配置
ＳＴＭ３２ＣｕｂｅＭＸ是一款图形化软件设置工具，支持ＳＴＭ３２全系列芯片，用户可方便地配置ＭＣＵ引脚、时钟、外设等，并且支持自动生成工程项目文件，可极大地减轻开发工作、节省时间和费用。

本实验在ＳＴＭ３２ＣｕｂｅＭＸ中配置步骤如下：
１）选择ＣＰＵ：ＳＴＭ３２Ｆ１０５ＲＣＴ６；
２）在Ｐｉｎｏｕｔ选项里对ＧＰＩＯ功能配置及ＳＰＩ，ＵＡＳＲＴ等启用和配置。

也可在ＭＣＵ上通过鼠标点击芯片引脚直接配置其功能。

本项目采用ＳＰＩ２和Ｉ２Ｓ３主模式，使用外部１４．７４５６ＭＨｚＨＳＥ时钟，故引脚配置如图６所示；
３）在ｃｌｏｃｋｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ中进行时钟配置，本设计采用外部晶振１４．７４５６ＭＨｚ，Ｉ２Ｓ传输数据格式是１６位，查阅ＳＴＭ３２用户手册可设置Ｉ２Ｓ时钟配置寄存器值ＰＲＥＤＩＶ２为３，ＰＬＬ３ＭＵＬ寄存器值为１０，Ｉ２ＳＤＩＶ
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卷
图６　ＭＣＵ引脚配置
寄存器值为３２，ＯＤＤ寄存器值为０，时钟树如图７
所示；
图７　ＭＣＵ时钟树配置
４）接着对每个外设进行更加详细的配置，比如可对ＳＰＩ速率、时钟极性、相位、片选等配置。

同样，对其他模块进行相应配置，并添加对Ｉ２Ｓ收发的ＤＭＡ通道；
５）在设置菜单中选择生成Ｋｅｉｌｖ５工程文件（选Ｌ
Ｌ库），通过Ｐｒｏｊｅｃｔ－ＧｅｎｅｒａｔｅＣｏｄｅ生成Ｋｅｉｌｖ５工程文件，工程中已存在相关模块初始化代码，可在程序中直接调用来实现各种外设的初始化。

４　实验结果与功能测试
硬件原理图设计完成后，需绘制ＰＣＢ以验证设计功能是否达到预期。

根据电源线尽量宽、地线回路和走线开环等ＰＣＢ绘制原则，使用ＰＡＤＳ软件完成ＰＣＢ制作，实物图如图８所示。

在软件方面，为使音频同步，设计Ｉ２Ｓ每发送两个数据包则停止传送，
直至下一轮数据包到达。

以此达到较理想效果。

图８　单侧实验板
为了测试音频传输效果，使用如图９所示的波
形发生软件，测试在输出正弦波情况下接收端输出波形，对比分析观察失真情况。

波形发生软件分别输出１
００和１０ｋＨｚ正弦波，接收端均无明显可见失真，验证系统传输可行性及音频还原的高质量。

在延时方面，两个缓冲区缓冲内容总延时小于２５６Ｂｙｔｅｓ／（４８ｋ ４Ｂｙｔｅｓ）＝１．３３ｍｓ，无可见明显延时，
可达到实时播放的要求。

图９　系统正弦波测试
５　结语
基于ＳＴＭ３２的５Ｇ无线音箱实验系统充分结合“嵌入式系统”课程的教学特点，实验现象直观，案例新颖，易激发学生学习热情，充分培养学生系统观和探究能力，尤其是多学科知识的综合运用能力。

学生借助于该实验系统，可进行新的设计和开发，并完成其它相关的创新实践环节，以此培养解决复杂工程问题的能力，为嵌入式领域培养高素质创新人才。

参考文献：
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