STM32 SAI 基础与实战

在 STM32 中被广泛用于连接外部音频设备。通过 SAI，MCU 可以与放大器、ADC、DAC、音频处理器等外部音频芯片进行高效的数据交互。本文将介绍 STM32 F7 系列 SAI 的主要功能及其典型使用方法。

ting_zh

791人浏览 · 2025-09-15 11:56:31

ting_zh · 2025-09-15 11:56:31 发布

1. SAI 简介

SAI（Serial Audio Interface，串行音频接口） 在 STM32 中被广泛用于连接外部音频设备。通过 SAI，MCU 可以与放大器、ADC、DAC、音频处理器等外部音频芯片进行高效的数据交互。

本文将介绍 STM32 F7 系列 SAI 的主要功能及其典型使用方法。

1.1 SAI 内部结构

双子模块架构： SAI 由两个相互独立的音频子模块组成，每个子模块都带有专用的时钟发生器。
移位寄存器： 每个子模块包含一个32位移位寄存器，用于音频数据的串行输入与输出。
FIFO 缓存： 每个子模块内置 FIFO，既可由 CPU 直接访问，也可通过 DMA 实现高效传输，降低 CPU 负担。
I/O 管理： 每个子模块可控制4根专用信号线：
- FS_x：帧同步
- SCK_x：位时钟
- SD_x：串行数据
- MCLK_x：主时钟

1.2 工作模式：

每个子模块既可作为发送器（Transmitter），也可作为接收器（Receiver），并支持主模式（Master）和从模式（Slave）：

主模式：子模块自行生成 SCK_x 和 FS_x 信号。
从模式：子模块使用来自外部或另一子模块的 SCK_x 和 FS_x 信号。

⚠️ 特殊情况：在 AC’97 协议模式下，即使子模块作为从机使用外部时钟，FS 信号仍然由 SAI 输出。

1.3 支持的协议模式

Free Protocol Mode（可配置 I²S、PCM、TDM 等协议）
- I2S
  
  I²S 是一种用于在集成电路组件间传输数字音频信号的串行接口协议，通常用于 MCU、DAC、ADC 或音频处理器之间。其特点是将音频信号以脉冲编码调制（PCM）形式进行传输，支持立体声（左右声道）数据。
  
  信号线：
  - 串行时钟 (SCK)，又称位时钟 (BCLK)
  - 字选择 (WS)，又称左右声道时钟 (LRCLK) 或帧同步 (FS)。
    - WS = 0：左声道
    - WS = 1：右声道
  - 串行数据 (SD)
- TDM
  - 通过时间划分时隙，将多路信号复用到同一物理链路上。
  - 每帧划分为多个 Slot（时隙）。
  - 每个通道（声道）分配固定 Slot，数据在对应 Slot 中发送。
S/PDIF 接口模式（符合 IEC 60958 标准）
AC’97 模式（兼容 Audio Codec '97 标准）

1.4 帧同步信号

用于标识一帧音频数据的起始位置
I²S 协议：表示左右声道切换（L/R Clock）
TDM/PCM 协议：标记帧开始，帮助接收端正确区分 Slot

1.5 Slot配置

Slot：音频帧的基本单元，承载实际音频数据
每帧由若干 Slot 构成，STM32 SAI 最多支持 16 个 Slot
Slot 大小可独立配置（16bit、24bit、32bit 等）
TDM 模式：不同通道数据依次放入不同 Slot
I²S/PCM 模式：常用两个 Slot（左/右声道）

2. 实验

2.1 实验准备

必备开发软件：STM32CubeIDE、STM32CubeMX

实验目标：掌握SAI基本操作，通过BSP软件包实现 Audio Record & Play。

硬件需求：STM32 开发板（如 STM32F746G-DISCO）

2.2 实验步骤

打开 STM32CubeMX，选择目标芯片或开发板，创建新工程。
配置 PLLM 为 25，以产生 1 MHz 时钟用于 SAI 时钟源。
生成代码并导入 STM32CubeIDE.

2.3 实验代码

从下载的板子软件包里找到需要的BSP文件，添加到工程里：
设置工程属性，将 BSP 头文件目录添加到包含路径中。
从下载的板子软件包里找到以下hal driver文件，添加到工程的hal driver目录下:

stm32fxx_hal_i2s.h
stm32fxx_hal_sai.h
stm32fxx_hal_sai_ex.h
stm32fxx_hal_sdram.h
stm32fxx_hal_tim.h
stm32fxx_hal_tim_ex.h
stm32fxx_hal_uart.h
stm32fxx_hal_uart_ex.h
stm32fxx_hal_ll_fmc.h
stm32fxx_hal_i2s.c
stm32fxx_hal_sai.c
stm32fxx_hal_sai_ex.c
stm32fxx_hal_sdram.c
stm32fxx_hal_tim.c
stm32fxx_hal_tim_ex.c
stm32fxx_hal_uart.c
stm32fxx_hal_uart_ex.c
stm32fxx_hal_ll_fmc.c

在stm32f7xx_hall_conf.h中启用以下宏定义

#define HAL_SDRAM_MODULE_ENABLED
#define HAL_I2S_MODULE_ENABLED
#define HAL_SAI_MODULE_ENABLED
#define HAL_TIM_MODULE_ENABLED
#define HAL_UART_MODULE_ENABLED

修改Flash LD文件配置SDRAM：

    MEMORY
    {
        RAM    (xrw)    : ORIGIN = 0x20000000,   LENGTH = 320K
        FLASH    (rx)    : ORIGIN = 0x8000000,   LENGTH = 1024K
        SD_RAM (xrw)   : ORIGIN = 0xC0000000,    LENGTH = 8192K
    }

   .sd_ram :
   {
       *(.SD_RAM);
   } >SD_RAM

包含头文件与定义全局变量：

#include "stm32746g_discovery_audio.h"
#include "stm32746g_discovery.h"
#define PCM_BUFFER_SIZE            (1024)
#define RECORD_BUFFER_SIZE         (409600)
#define VOLUME_LEVEL               (70)

static uint16_t pcm_buffer[PCM_BUFFER_SIZE];
__attribute__((section(".SD_RAM"))) uint16_t record_buffer[RECORD_BUFFER_SIZE]; // 把录音buffer放在sdram
static uint32_t record_buffer_size = 0;
uint32_t play_size = 0;

实现回调函数：


// 录音 buffer 完整回调
void BSP_AUDIO_IN_TransferComplete_CallBack(void) {

	memcpy(record_buffer + record_buffer_size, pcm_buffer + PCM_BUFFER_SIZE / 2, PCM_BUFFER_SIZE);

	record_buffer_size += PCM_BUFFER_SIZE / 2;

	if(record_buffer_size >= RECORD_BUFFER_SIZE)
	{
		BSP_AUDIO_IN_Stop(CODEC_PDWN_SW);
	}
}

// 录音 buffer 半满回调
void BSP_AUDIO_IN_HalfTransfer_CallBack(void) {

	memcpy(record_buffer + record_buffer_size, pcm_buffer, PCM_BUFFER_SIZE);

	record_buffer_size += PCM_BUFFER_SIZE / 2;

	if(record_buffer_size >= RECORD_BUFFER_SIZE)
	{
		BSP_AUDIO_IN_Stop(CODEC_PDWN_SW);
	}
}

// 播放 buffer 完整回调
void BSP_AUDIO_OUT_TransferComplete_CallBack(void)
{
    memcpy(pcm_buffer + PCM_BUFFER_SIZE/2, record_buffer + play_size, PCM_BUFFER_SIZE);
    play_size+=PCM_BUFFER_SIZE/2;

    if(play_size >= RECORD_BUFFER_SIZE)
    {
    	BSP_AUDIO_OUT_Stop(CODEC_PDWN_SW);
    }
}

// 播放 buffer 半满回调
void BSP_AUDIO_OUT_HalfTransfer_CallBack(void)
{
    memcpy(pcm_buffer, record_buffer + play_size, PCM_BUFFER_SIZE);
    play_size+=PCM_BUFFER_SIZE/2;

    if(play_size >= RECORD_BUFFER_SIZE)
    {
    	BSP_AUDIO_OUT_Stop(CODEC_PDWN_SW);
    }
}

初始化与录放音：

    // 初始化sdram
    BSP_SDRAM_Init();

    // 初始化音频输入
    if(BSP_AUDIO_IN_Init(DEFAULT_AUDIO_IN_FREQ, // 音频采样频率
                         DEFAULT_AUDIO_IN_BIT_RESOLUTION, // 每个采样点的数据位数
                         DEFAULT_AUDIO_IN_CHANNEL_NBR // 声道数
                         ) == AUDIO_OK)
    {
        // 开始录音
        BSP_AUDIO_IN_Record((uint16_t *) (pcm_buffer), PCM_BUFFER_SIZE);
    }

    // 等待录音完成
    while(record_buffer_size < RECORD_BUFFER_SIZE){};

    // 初始化音频输出
    if(BSP_AUDIO_OUT_Init(OUTPUT_DEVICE_BOTH, VOLUME_LEVEL , DEFAULT_AUDIO_IN_FREQ) == AUDIO_OK)
    {
        // 初始化播放buffer
        memcpy(pcm_buffer, record_buffer, PCM_BUFFER_SIZE*2);
        play_size += PCM_BUFFER_SIZE;

        // 配置两个slot
        BSP_AUDIO_OUT_SetAudioFrameSlot(CODEC_AUDIOFRAME_SLOT_02);

        // 开始播放
        BSP_AUDIO_OUT_Play((uint16_t*)pcm_buffer, PCM_BUFFER_SIZE*2);
    }