STM32F103 BluePill USBマイク その３：マイク実装

１．概要
　マイクを接続しSTM32CubeIDEに導入したTinyUSBで処理する

２．構成
　コンデンサマイクモジュール → BluePillボード ：ADC > DMA > TinyUSB → MacBook Air

３．仕様

項目	仕様
ボード	BluePill:STM32F103C8T6/CBT6
USB	USB Audio 2.0  LEDによる状態表示
サンプリング	48kHz モノラル 16bit
マイク入力	ADC 12bit VCC/2±VCC/2  サンプリング1倍  ADC読込値を16倍して感度アップ

４．STM32CubeIDEプロジェクト作成
　TinyUSB audio_test にADC読込等を追加

１）MCU/MPU
 STM32F103C8T/CBT いずれか

２）STM32CubeMX設定
　 TinyUSB audio_test に下記追加
　・ADC　トリガー:TIM3 48kHz, DMA取込
　・GPIO　LED点灯ポート出力

タブ	項目			設定
Pinout & Configuration	System Core	DMA	DMA1	ADC1, Mode : Circular, Memory : Harf word
		GPIO	PC13	Output User Label : LED
		NVIC		DMA1
				USB high priority or CAN TX interrupts USB low priority or CAN RX0 interrupts
		RCC		High Speed Clock(HSE) : Crystal/Ceramic Resonator
		SYS		Debug : Serial Wire
	Analog	ADC1	IN8	NVIC : DMA1, DMA : DMA1 Parameter : Right alignment External Trigger : TIM3 Trigger Out Event
	Timers	TIM3		Mode : Internal Clock Parameter : 48kHz=72MHz / (1499 + 1), Trigger Event : Update
	Connectivity	USB		Device(FS) Middlewareは選択しない
Clock Configuration				HSE:8MHz, SYSCLK:72MHz, USB:48MHz
Project Manager	Linker setting			Minimum Heap Size:0x1000 Minimum Stack Size:0x1000

５．コード詳細
１）データフロー
　処理周期：USB割込 1ms毎 48データ

項目	データ	処理
ADC取込	マイクアンプ出力 VCC/2±VCC/2 を12bit 変換	DMAでリングバッファに取込 TIM3 48kHz 48データ/周期
	DMAリングバッファ  int16_t adc_buffer[48]
ADC値変換		感度とVCC/2のオフセット調整変換しUSB出力待機バッファに格納
	USB出力待機バッファ  int16_t in_buffer[96]の1/2交互に使用  (ping pong buffer)
USB出力		変換済みの48データを転送
	USB出力バッファ uint16_t test_buffer_audio[48]

２）ファイル
（１）ファイル構成
　TinyUSB audio_test プロジェクトをコピーし変更する

（２）修正ファイル一覧

ファイル	修正変更内容
Core/Src/main.c	STM32CubeMXが生成する main.c に追記 　TinyUSB audio_test では audio_test の main.c を統合したが別ファイルにする
Core/Src/usb.mic.c Core/Inc/usb_mic.h	TinyUSB audio_test の main.c ファイル名を変更し内容を修正する 　audio_test 内 main関数の内容は関数化して新しいmain.cから呼び出す 　他のファイルから呼び出すために usb_mic.h を新設する
Core/Src/stm32f1xx_it.c	#define usb_mic.h 追記他

３）各ファイル内容
（１）main.c
　USER CODE Includes : インクルードファイルとバッファ関連変数宣言

/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "tusb.h"
#include "usb_mic.h"

int16_t adc_buffer[AUDIO_IN_PACKET / 2] = {0};
int16_t in_buffer[AUDIO_IN_PACKET];
uint8_t in_buffer_half = 0;

/* USER CODE END Includes */

　USER CODE 0 : ADCとDMA関数

/* Private user code ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN 0 */

//     Conversion complete callback in non blocking mode
void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef* hadc) {
  uint16_t prev = (AUDIO_IN_PACKET / 2) * in_buffer_half;
  for (uint16_t i = 0; i < (AUDIO_IN_PACKET / 2); i++) {
    in_buffer[i + prev] = adc_buffer[i] * 16 - 2048 * 16;
  }
}

//    Start ADC to DMA
void ADC_to_MIC(void) {
  HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t*)adc_buffer, AUDIO_IN_PACKET / 2);
}

/* USER CODE END 0 */

　USER CODE 2 : USB初期化、ADC DMAスタート

 /* USER CODE BEGIN 2 */

  //  USB MIC initialize
  usb_mic_init();
  HAL_TIM_Base_Start(&htim3);
  ADC_to_MIC();

  /* USER CODE END 2 */

　USER CODE WHILE : メインループ

 /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */

  while (1)
  {
    tud_task(); // tinyusb device task
    led_blinking_task();
    audio_task();

    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
  }
  /* USER CODE END 3 */

（２）usb_mic.c　TinyUSB audio_test の main.c ファイル名を変更
　インクルードファイル

//#include <stdlib.h>	//必要に応じてインクルードする
//#include <stdio.h>	//必要に応じてインクルードする
//#include <string.h>	//必要に応じてインクルードする

//#include “bsp/board.h”	//STM32CubeMXで生成したコードを使う
#include "tusb.h”

#include “main.h”		//	追記
#include "usb_mic.h”	//	追記

　main関数をUSB初期化関数に修正変更
　　変更前のコード　while文は新しいmain関数に移動

/*------------- MAIN -------------*/
int main(void)
{
  board_init();

  // init device stack on configured roothub port
  tud_init(BOARD_TUD_RHPORT);
・
・
・
  while (1)
  {
    tud_task(); // tinyusb device task
    led_blinking_task();
    audio_task();
  }
}

　変更後

//
//  USB MIC initialize
void usb_mic_init(void) {

    // init device stack on configured roothub port
    tud_init(BOARD_TUD_RHPORT);

    // Init values
    sampFreq = AUDIO_SAMPLE_RATE;
    clkValid = 1;

    sampleFreqRng.wNumSubRanges = 1;
    sampleFreqRng.subrange[0].bMin = AUDIO_SAMPLE_RATE;
    sampleFreqRng.subrange[0].bMax = AUDIO_SAMPLE_RATE;
    sampleFreqRng.subrange[0].bRes = 0;
}

　ADC変換値をUSB出力バッファに転送
　　USB出力待機バッファを交互に使う

bool tud_audio_tx_done_post_load_cb(uint8_t rhport, uint16_t n_bytes_copied, uint8_t itf, uint8_t ep_in, uint8_t cur_alt_setting)
{
  (void) rhport;
  (void) n_bytes_copied;
  (void) itf;
  (void) ep_in;
  (void) cur_alt_setting;

// ここからADC変換値をUSB出力バッファに転送
// in_buffer の1/2を交互に使用
  in_buffer_half = !in_buffer_half;
  uint16_t prev = (AUDIO_IN_PACKET / 2) * !in_buffer_half; 
  for (size_t cnt = 0; cnt < (CFG_TUD_AUDIO_EP_SZ_IN - 2) / 2; cnt++)
  {
    test_buffer_audio[cnt] = in_buffer[cnt + prev];
  }

// ここから audio_test の元のコードコメントアウト
//  for (size_t cnt = 0; cnt < (CFG_TUD_AUDIO_EP_SZ_IN - 2) / 2; cnt++)
//  {
//    test_buffer_audio[cnt] = startVal++;
//  }

  return true;
}

　 led_blinking_task関数を実装する
　　 led_blinking_task関数自体は変更なしで board_millis と board_led_write を追記する

//--------------------------------------------------------------------+
// BLINKING TASK
//--------------------------------------------------------------------+

void led_blinking_task(void)
// この関数は変更なし
// 以降追加

//
//  SysTic count
volatile uint32_t system_ticks = 0;

uint32_t board_millis(void)
{
  return system_ticks;
}

void HAL_SYSTICK_Callback() {
  system_ticks++;
}

//
//  LED ON-OFF
#define LED_STATE_ON          0

void board_led_write(bool state)
{
  GPIO_PinState pin_state = (GPIO_PinState) (state ? LED_STATE_ON : (1-LED_STATE_ON));
  HAL_GPIO_WritePin(LED_GPIO_Port, LED_Pin, pin_state);
}

（３）usb_mic.h

/*
 * usb_mic.h
 *
*/

#ifndef INC_USB_MIC_H_
#define INC_USB_MIC_H_

//  USB MIC initialize
void usb_mic_init(void);

//--------------------------------------------------------------------+
// AUDIO Task
//--------------------------------------------------------------------+
void led_blinking_task(void);
void audio_task(void);

//
//  LED brink
void HAL_SYSTICK_Callback(void);
uint32_t board_millis(void);
void board_led_write(bool state);

#endif /* INC_USB_MIC_H_ */

（４）stm32f1xx_it.c
　インクルードファイル

/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */

#include "tusb.h"
#include "usb_mic.h"

/* USER CODE END Includes */

　SysTick割込コールバック追記

/**
  * @brief This function handles System tick timer.
  */
void SysTick_Handler(void)
{
  /* USER CODE BEGIN SysTick_IRQn 0 */

  /* USER CODE END SysTick_IRQn 0 */
  HAL_IncTick();
  /* USER CODE BEGIN SysTick_IRQn 1 */
  HAL_SYSTICK_Callback();

  /* USER CODE END SysTick_IRQn 1 */
}

　USB割込コールバック追記　TinyUSB audio_test と同じ

void USB_HP_CAN1_TX_IRQHandler(void)
{
  /* USER CODE BEGIN USB_HP_CAN1_TX_IRQn 0 */
	tud_int_handler(0);
	return;
  /* USER CODE END USB_HP_CAN1_TX_IRQn 0 */
  HAL_PCD_IRQHandler(&hpcd_USB_FS);
  /* USER CODE BEGIN USB_HP_CAN1_TX_IRQn 1 */

  /* USER CODE END USB_HP_CAN1_TX_IRQn 1 */
}

/**
  * @brief This function handles USB low priority or CAN RX0 interrupts.
  */
void USB_LP_CAN1_RX0_IRQHandler(void)
{
  /* USER CODE BEGIN USB_LP_CAN1_RX0_IRQn 0 */
	tud_int_handler(0);
	return;
  /* USER CODE END USB_LP_CAN1_RX0_IRQn 0 */
  HAL_PCD_IRQHandler(&hpcd_USB_FS);
  /* USER CODE BEGIN USB_LP_CAN1_RX0_IRQn 1 */

  /* USER CODE END USB_LP_CAN1_RX0_IRQn 1 */
}

６．動作
１）ADC入力信号
　1kHz sin波：PWM 32kHz / 1000分割で作成 
２）USB録音波形
　 MacBook Air Quick Timeで録音した波形

７．参考資料等
１）ADC DMA に関する参考資料
　ここのコードをお手本にしています
　オーバーサンプリングしているのでバッファサイズとかやや難解です

hackaday.io

２）マイクの感度とオフセット
　main.c 内の HAL_ADC_ConvCpltCallback関数に記述

（１）感度
　ADC読込値に対して16倍に設定

（２）オフセット
　ここに載せたコードは ADC基準電圧の1/2をゼロにしています
　実際はマイクアンプの電源回路に追加したインダクターによる電圧降下でゼロ点はADC基準電圧の1/2より低い値になっています
　より正しく変換するにはオフセット値の調整が必要です

３）USB状態表示
　TinyUSB audio_test ではコメントアウトしたLED表示を実装してあります
　led_blinking_task関数は変更なしでここから呼び出す計時用の board_millis と LED点滅用のboard_led_write を追記
　追記コードはTinyUSBの tinyusb-master/hw/bsp/stm32f1/family.c のコードをそのままコピーして使っています

４）ノイズ対策
　お手本にも記載されている通りUSB割込1ms(1kHz)の高調波ノイズが乗ります
　マイク電源ラインにチョークコイル（47mH 300Ω）を追加すると20dB程度低減できます
　グラフは静かな場所でマイクを繋いだ状態で計測したので目安です

おしまい