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SigmaDSP如何来做上位机离线控制、MCU离线控制？

作者：凡人多烦事01 | 2024-02-18 05:29:26

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sigmadsp

作者的话

SigmaDSP，ADI的音频DSP，以ADAU开头的基本都是。最近有很多兄弟问到同样一个问题，说我现在搞DSP一点问题都没有了，因为ADI弄的这个图形化编程实在是太简单了。但是继续往下走，要做自己的产品，调个音量，真实世界里我是需要用一个物理旋钮去调，设置EQ，我想用自己的上位机，甚至手机APP来操作！在真实的用户世界里，我不可能扛着台电脑，板子插着个USBi仿真器，来调节参数。那怎么去搞离线的物理控制？怎么去搞上位机来离线控制DSP调音呢？

这不是个新鲜的问题，也不是一个未解决的专业壁垒，很早以前就有成熟的套路和底层实现逻辑，那我就用这篇文章来简单的说一说吧。

硬件准备

我用ADAU1701来讲吧，先说怎么用MCU离线控制DSP，需要的硬件如下：

ADAU1701EVB-A2B开发板 一块
USBi 调试器 一个
MCU扩展卡 一个
配件线缆若干条

ADAU1701 开发板：https://item.taobao.com/item.htm?spm=a1z10.5-c.w4002-5192690539.15.2a4544c9h33DPa&id=38231117844

USBi 仿真器：https://item.taobao.com/item.htm?spm=2013.1.0.0.531c2344DuIT5w&id=38242936768

MCU扩展板：https://item.taobao.com/item.htm?spm=a1z10.5-c.w4002-5192690539.12.133a629cQsJvmm&id=590935455994

软件准备

SigmaStudio 4.7
System Workbench for STM32
STM32 ST-LINK Utility v4.1.0

有同学说你的STM32开发软件咋跟别人的不一样？每个人习惯不同，我因为长期做SHARC DSP，对Eclipse的环境比较熟悉，所以业余搞STM32的时候，就找了个Eclipse内核的软件，操作起来更舒服一些，开发软件这东西，兄弟们哪个用的舒服就用哪个。

离线控制原理

回顾一下ADAU系列DSP的开发流程，用过 ADI SigmaDSP 的用户都知道，SigmaDSP 的开发都是图形化编程，将程序框架做好后，下载 boot 实现音效处理的功能。但是有个很重要的问题就是，你在 SigmaStudio 软件中调试的各种参数是什么样的状态，下载到外部 EEPROM 中实现脱机后，就是什么样的状态，单凭 DSP 是很难实现实时调整 EEPROM 里的程序参数的。这个时候我如果想做个静音？调个音量？调 EQ 参数怎么办？

这个时候，单片机控制 DSP 就能很完美的解决，从原理上讲就是，单片机模拟 USBi，通过单片机来发送 USBi 一样的指令，来控制 EEPROM 里的 SigmaStudio 程序框架，从而实现调音量、静音等功能。

说通俗一点就是，图形化模块数据变化的采集，以及USBi的特殊读写函数，换成MCU来搞，让DSP认为仍然是USBi在以数据的变化来弄他。

简单举例（很重要，提前有一个控制的概念）

我们看一个简单的例子：

在这里插入图片描述

这个 SigmaStudio 里的程序，模拟音源从 0/1 输入，经过一个调音量的模块，通过两个实时电平监控，分到 0/1 和 2/3 模拟输出，输出之前可以对每个声道进行调音和静音。这是一个很简单的ADAU1701 的例程，如果把这个例程下载到 EEPROM，那么程序就固定死了，每个音量的大小无法调节，也不能对静音模块进行静音处理。但是有了单片机控制板之后，我们就可以用单片机来模拟 USBi 的指令，让 EEPROM 中的 SigmaStudio 程序认为是 USBi 正在操作它，从而实现脱机状态下得调音量和给每个通道静音。

这些 USBi 的指令从哪里找呢？当你用 USBi 在线调试的时候，都会有具体的显示：

在这里插入图片描述

只要我们用单片机，用到相关的函数、程序去模拟 USBi 的这些操作，就能实现啦。

科普完毕，下面进入正题。

ADAU1701 的工程开发

我们先设计一个 ADAU1701 的工程，并基于这个工程进行 MCU 启动与控制的操作。

在这里插入图片描述

先做这样一个程序，这个程序我也有提供现成的。再次罗嗦一下吧，在 DSP 板上，通路上来讲，模拟音源从 0/1 入口进，通过一个 ADC 电位器调音模块，分出左右声道，通过两个电平实时检测模块后，分到 0/1 和 2/3 口输出。在每个输出通道前面都做了音量调节和静音模块。

下面的 IO 控制则是实现按键控制 DSP 开发板上的 LED 灯。

特备注意：用 SigmaStudio 软件、USBi、ADAU1701 开发板先自行验证一下这个程序的正确性哈，SS 的程序如果都不正确，那 MCU 那边控制起来就没有任何意义啦，切记要先做好DSP 的开发！

MCU 板计划做的事情

  1. MCU 板上的四个旋钮分别对应 DSP 程序中的四个调音模块，通过旋钮对 DSP 程序中的这几个模块进行音量调节，根据我们当前提供的 STM32 工程例子，MCU 板上的旋钮、按键对应的 SS 工程的关系如下，这个对应关系是可以通过程序变动的。

在这里插入图片描述

单片机硬件板上的 RW1 对应 SS 工程里的 Single1；
单片机硬件板上的 RW2 对应 SS 工程里的 Single2；
单片机硬件板上的 RW3 对应 SS 工程里的 Single3；
单片机硬件板上的 RW4 对应 SS 工程里的 Single4；

  1. MCU 开发板上的四个静音按键分别对应 DSP 程序中的四个通道静音模块，单片机通过静音按钮控制这四个静音模块实现静音。

在这里插入图片描述

单片机硬件板上的 K1 对应 SS 工程里的 Mute1；
单片机硬件板上的 K2 对应 SS 工程里的 Mute2；
单片机硬件板上的 K3 对应 SS 工程里的 Mute3；
单片机硬件板上的 K4 对应 SS 工程里的 Mute4；

  1. MCU 板上的按键控制自身板上的 LED 灯，以及 DSP 板上的 LED 灯

在这里插入图片描述

SS 工程中的程序，MCU 通过控制软件里的 Swith1 和 Switch2 控制 D6 和 D5；MCU 直接控制MCU 开发板上的 LED2 和 LED3

  1. PC 通过串口输入命令，控制 DSP 工程里的算法模块实现调音

通过串口链接 PC，在串口调试工具中输入相关的命令，实现以上 123 项的全部功能！

  1. 全部 MCU 功能实现后，将包括 DSP 工程在内的所有程序均写入 STM32 中，实现单片机启动整个系统，避免程序暴露在外部 EERPOM 中。

开关说明

  1. DSP 板上的开关，我们把控制 DSP 自启动的 SW1 拨到 OFF，不让 DSP 自启动，把 DSP 板上的 MCU 启动开关 SW2 也拨到 IIC，不用 DSP 开发板上的 STM32 进行启动。自此，DSP 开发板上的 MCU 彻底退休。

  2. MCU 板上的开关，我们把 SW12 拨到 BOOT0=0，BOOT1=1。（此开关是控制单片机板自身启动方式）

硬件链接

正式开工，先检查一下硬件是否正常，我们按下图链接：

在这里插入图片描述

正常链接后，单片机板的 D1 Power灯亮，DSP 板的 D3 Power 灯亮，D2 USB 5V 灯亮，D7 MCU BOOT STATE 黄色灯闪烁。

特别注意 1：如果供电不足，则 DSP 板上的 D1 RESET 灯会亮起并偶尔闪烁，这个时候检查供电！

特别注意 2：MCU 板上的 USB 接口如果接到 PC 上供电，则 PC 会弹出未识别设备，这个是正常的不影响供电！因为我们还没有 STM32 的 USB 驱动，后期如果有需要我们会慢慢添加上去。

在这里插入图片描述

  1. 一切正常后，按下 MCU 板上的 KEY1 和 KEY2，MCU 板上的 D3 和 DSP 板上的 D6 亮起，实现计划章节中的第三项：单片机控制 LED 灯。

  2. 输入接 0/1，输出接 2/3，当按下 MCU 开发板的 K3 和 K4，板上对应的黄灯亮起，而 DSP板的输出 2 和 3 开始发出声音播放音乐。（单片机程序写的是静音按键按下去，开始播放音乐，按起来，通道被静音）

  3. 输入接 0/1，输出接 0/1，当按下 MCU 开发板的 K1 和 K2，板上对应的黄灯亮起，而 DSP 板的输出 0 和 1 开始发出声音播放音乐。（单片机程序写的是静音按键按下去，开始播放音乐，按起来，通道被静音）

实现计划章节中的第二项：单片机控制静音。

  1. 将 4 个静音按键全部按下，让每个通道都正常直通，分别调节 4 个旋钮，可以通过每个通道的音量的变化，来验证 MCU 控制旋钮调 DSP 工程中的每个通道音量。

实现计划章节中的第一项：单片机控制调音量。

上位机通过串口调试工具控制 DSP 板

这个我要单独拿一个大章节来详细说一下，有点点小复杂。

在这里插入图片描述

其他的链接跟开关设置与上面完全一样，不需要改动，串口这我接了一个串口转 USB 线接PC。

串口调试工具

软件我用的是 2.4.1 版的 SerialPortUtility，提供的资料里有。

串口控制协议

使用串口控制需要打开串口控制开关（这一章看不明白没关系，供查询用即可，下一章有详细注解）

开始码 : 0xdd
类型码 : 0x02 静音控制
0x03 音量控制
0x04 Switch 控制
…

数据: Value1 控件编号
Value2 控件参数

静音控制对照表（dd02+ Value1+Value2）

在这里插入图片描述

音量控制对照表（dd03+ Value1+Value2）

在这里插入图片描述

Switch 控制对照表（dd04+ Value1+Value2）

在这里插入图片描述

上位机通过串口控制 SS 程序中 Swich 开关点灯

在这里插入图片描述

通过 MCU 的串口控制这个 Swith1 和 Swich2，来实现 DSP 和 MCU 板上对应的 LED 灯点亮和熄灭。

在这里插入图片描述

按上图来设置软件，串口选择你自己电脑上显示的串口即可。通过上一章得串口协议可知：

在这里插入图片描述

  1. MCU 通过串口控制 SS 工程中得 Switch1，控制 MCU 板子上的 D3 和 DSP 板上的 D6。

在输入栏输入：DD 04 00 00 MCU 板上 D3 亮起，DSP 板上 D6 亮起；
在输入栏输入：DD 04 00 01 MCU 板上 D3 熄灭，DSP 板上 D6 熄灭。

在这里插入图片描述

再详细说一说这个 DD 04 XX XX 吧，DD 是开始，04 是 SW 控制，只要控制 SW，这俩就不变；然后第一个 XX 是表示 SS 工程里的 SW 编号，比如这个例子里我们是控制 Swith1，那么这个XX 就是 00；第二个 XX 是表示点亮和熄灭的，所以 00 是点亮，01 是熄灭。

所以说个题外话，第一个 XX，硬件开关受硬件限制，只能控制 ss 的四个 SW 开关，但是串口可以控制很多，FF 就是 SW256 了！

  1. MCU 通过串口控制 SS 工程中得 Switch2，控制 MCU 板子上的 D2 和 DSP 板上的 D5

在输入栏输入：DD 04 01 00 MCU 板上 D2 亮起，DSP 板上 D5 亮起；
在输入栏输入：DD 04 01 01 MCU 板上 D2 熄灭，DSP 板上 D5 熄灭。

在这里插入图片描述

上位机通过串口控制 SS 程序中静音开关给通道静音

在这里插入图片描述

首先让我们看看串口协议：

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

详细说一下，DD 02 00 00，DD 是开启，02 是类型码，在我的程序里设置的，静音控制都是02，第一个 00 是表示 Mute 编号，Mute1 是 00，Mute2 就是 01 了，依次类推。第二个 00就是状态显示，00 是静音，01 是恢复。

  1. 串口控制 Mute2

在输入栏输入：DD 02 01 00 输出 1 通道静音
在输入栏输入：DD 02 01 01 输出 1 通道恢复

  1. 串口控制 Mute3

在输入栏输入：DD 02 02 00 输出 2 通道静音
在输入栏输入：DD 02 02 01 输出 2 通道恢复

  1. 串口控制 Mute4

在输入栏输入：DD 02 03 00 输出 3 通道静音
在输入栏输入：DD 02 03 01 输出 3 通道恢复

上位机通过串口控制调音量

在这里插入图片描述

首先我们看看串口协议怎么说。

在这里插入图片描述

  1. 串口调通道 0 的调音模块

在输入栏输入：DD 03 00 55 将输出通道 0 的音量设置成 0x55（85）
在输入栏输入：DD 03 00 10 很明显音量降低
在输入栏输入：DD 03 00 35 很明显音量升高

详细说明一下，DD 03 00 55，DD 是开启，03 是类型码，在我的程序里设置的，音量模块都是 03，00 表示第一个：Single 1，假设 01 就表示的第二个：Single 2，55 表示音量大小。注意，音量在 0~100（十进制）随意设置，我这里随便设置的 0x55、0x10、0x35，大家可以随意测试。

  1. 串口调通道 1 的调音模块

在输入栏输入：DD 03 01 55 将输出通道 1 的音量设置成 0x55（85）
在输入栏输入：DD 03 01 10 很明显音量降低
在输入栏输入：DD 03 01 35 很明显音量升高

  1. 串口调通道 2 的调音模块

在输入栏输入：DD 03 02 55 将输出通道 2 的音量设置成 0x55（85）
在输入栏输入：DD 03 02 10 很明显音量降低
在输入栏输入：DD 03 02 35 很明显音量升高

  1. 串口调通道 3 的调音模块

在输入栏输入：DD 03 03 55 将输出通道 1 的音量设置成 0x55（85）
在输入栏输入：DD 03 03 10 很明显音量降低
在输入栏输入：DD 03 03 35 很明显音量升高

MCU 启动 DSP 的原理

先说一说原理：

  1. 在设计好 SigmaStudio 的工程后，下载验证无误后，编译后点击 export System files 按钮，就可以生成导出工程文件，导出的配置文件。如下图所示

在这里插入图片描述

  1. 在上图所生成的配置文件中，我们一般的 MCU 工程用到的有四个文件：“define.h”，“adau701_IC_1.h”，“adau701_IC_1_PARAM.h”，“adau701_IC_1_REG.h”。

  2. DSP 需要配置相关的参数才能启动，而这些所有与 DSP 启动相关的参数由“Demo_IC_1.h”中的 default_download_IC_1() 函数完成，只要在 MCU 主程序中执行一次default_download_IC_1() 函数即可启动, 其中SIGMA_WRITE_REGISTER_BLOCK( )是要 STM32处理器来写. 在 STM32 工程的 adau1701_IC_1.h 文件中：

在这里插入图片描述

  1. default_download_IC_1( ) 中的子函数SIGMA_WRITE_REGISTER_BLOCK( ) 由 I2C/SPI 接口完成数据传送，需要传送的参数有：int devAddress，int address，int length，ADI_REG_TYPE
    *pData，四个，分别代表的是：I2C/SPI 设备地址，寄存器地址，数据长度，数据。这四个数据在 Sigmastudio 导出配置的时候已经定义在“Demo_IC_1.h"，“Demo_IC_1_REG.h” 中。

  2. 所以 MCU 启动 DSP 时序是： 1）上电，2）延时等待约 100ms，3）执行一次default_download_IC_1( ) 函数，4）DSP 程序启动，接下来可以通过 MCU 控制调音了。

MCU 控制 DSP 的原理

控制程序源码都提供了，大家直接看就可以。但是我觉得还是要简单说一下 MCU 控制 DSP的原理，让大家能更快的理解。

之前我也反复讲到，从大原理上讲，是 MCU 模拟 USBi 的指令来控制 SS 软件里的模块，但是具体怎么做的呢？

  1. 控制 SigmaDSP 需要用到 SIGMA_WRITE_REGISTER_BLOCK( )和SIGMA_SAFELOAD_WRITE_REGISTER( )两个接口函数。SIGMA_WRITE_REGISTER_BLOCK( ) 函数与启动 DSP 的接口函数是一样的，SIGMA_SAFELOAD_WRITE_REGISTER( )接口需要先写到 DSP 里面的 Buffer，然后再触发，参考示意图：

在这里插入图片描述

  1. 编译好 SigmaStudio 工程文件后，用鼠标在 SigmaStudio 界面调节一些参数，然后在下面的Capture window 中可以看到会有如下图的信息，每个鼠标动作都会在 Capture window 出现相应的一行/几行动作。Mode 列中显示的即是控制方式，有 Block Write 和 Safeload Write。

在这里插入图片描述

  1. Block Write 使用 SIGMA_WRITE_REGISTER_BLOCK( ) 函数，这个函数就是普通的 IIC 写操作函数，只要把参数跟底层的参数对应上就可以了。

在这里插入图片描述

  1. Safeload Write 控制方式用 SIGMA_SAFELOAD_WRITE_REGISTER( )函数实现。安全加载方式步骤参考 ADI 相关文档，安全加载地址可以通过数据手册中查找

在这里插入图片描述

5.写好 SIGMA_WRITE_REGISTER_BLOCK( )和 SIGMA_SAFELOAD_WRITE_REGISTER( )两个函数之后就要知道单片机程序程序如何关联 SS 的控件以及参数控制，首先单片机程序中要建立 SS控件列表，根据 SS 图中的控件数量来建立这个列表，控件列表在 MCU 工程中的 audio.c 中，如下图代表建立了四个调音量模块、四个静音开关、两个 SWITCH。

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

关联好之后就可以开始写 STM32 对 DSP 的具体控制了。

  1. 为什么一定要用 Safeload？因为 Safeload 机制可以避免更新 DSP 内核参数时产生噪声。

MCU 启动 DSP 的操作步骤

开发板提供了上述单片机的源代码，用户可以通过编译该单片机例程得到 BIN 程序，并使用单片机烧写器烧写到单片机中，实现单片机启动 DSP，并控制 DSP 板调音的功能，下面我们来看看这个操作应该怎么做。

SS 代码编译导出
首先，我们需要把 SigmaStudio 里的工程导出来。

特别注意：

第一，硬件设计时，先拖出 USBi，再拖出 ADAU1701，再拖出 E2PROM，要确保 ADAU1701是 IC1，E2Prom 是 IC2！因为后面的导出设置中，必须是 ADAU1701 的文件是 IC1。

在这里插入图片描述

第二：你必须使用 USBi 把你的 SS 里的工程下载到板子上之后，才可以导出 SS 里的代码。于是我们先把 USBi 和 ADAU1701 开发板链接好，打开 SS，把工程做好，并下载工程，下载完之后：

在这里插入图片描述

将导出的文件指定到单片机工程的 MCU 文件夹内。（注意，请取名 adau1701）

下图是我的单片机工程中，MCU 文件夹的位置：

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

自此，SigmaStudio 和 DSP 的工作已经完成。

STM32 工程编译

  1. 打开安装好的单片机开发软件，第一次打开，他会让你选择你得程序文件夹，如下：

在这里插入图片描述

用纯英文路径，我把这个文件夹拷贝到了 F 盘目录下。

  1. 点击 OK，进入软件开发界面，直接点击这个“ 010”的图标进行编译，编译完成后，会获得一个 bin 文件，这个就是我们需要烧写的文件。

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

这个文件会出现在我们的单片机工程文件夹的 debug 文件夹内：

在这里插入图片描述

  1. 使用单片机烧写工具来烧写 bin。

在这里插入图片描述

打开软件：

在这里插入图片描述

点击下图中 connect to target 按钮,紧接着按一下板子的 RESET 键(注意:不按复位键会连接不上的)

链接成功后如图

在这里插入图片描述

  1. 擦除单片机 flash

在这里插入图片描述

擦出完成

在这里插入图片描述

  1. 加载 bin 文件(通过 STM32 软件编译而成)

在这里插入图片描述

加载完成：

在这里插入图片描述

  1. 烧写文件

在这里插入图片描述

选择默认的就可以了。

在这里插入图片描述

  1. 烧写完成

在这里插入图片描述

  1. 拔掉 MCU 烧写器，断电重新链接硬件外设，上电，实现脱机运行单片机控制 DSP 板的功能。

结束语

基本上MCU控制ADAU系列DSP，都是这个套路，有兄弟说你整篇也没讲上位机呀，确实没讲，但是你看，我把上位机用串口发命令，通过MCU去离线控制DSP的整个逻辑都讲了，你就照这个来呀，自己做上位机，再给你的MCU串口发命令，控制DSP，不就行啦。具体怎么开发上位机，我是嵌入式底层工程师，就不班门弄斧了。

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