1. 项目概述与环境搭建

各位同学，欢迎来到这门实战课。我是你们的讲师，一个在嵌入式音频领域摸爬滚打了十来年的老工程师。今天咱们要聊的，是搭建一个完整的音频系统——用 STM32 控制 WM8960 这颗音频编解码器，实现录音和播放。

说实话，音频项目在嵌入式里算是个「硬骨头」。它不像点个灯、转个电机那么简单。它涉及模拟信号、数字信号、时钟同步、DMA 传输……任何一个环节出问题，出来的声音要么是噪声，要么干脆没声。我当年第一次调 WM8960 时，折腾了整整三天，最后发现是 I2C 地址写错了。嗯，这种坑，咱们今天就得提前填上。

1.1 WM8960 芯片特性速览

WM8960 是 Wolfson（现属 Cirrus Logic）推出的一款低功耗立体声音频编解码器。它为什么适合咱们的 STM32 项目？说白了，它把音频系统里最麻烦的模拟部分都集成好了。

核心特性一览：

双通道 DAC 与 ADC：支持立体声播放和立体声录音，采样率最高 48kHz
内置耳机放大器：可以直接驱动 16Ω/32Ω 耳机，省掉外部功放芯片
数字麦克风接口：支持 PDM 数字麦克风，也支持模拟麦克风
可编程增益控制：ADC 输入增益、DAC 输出音量均可通过寄存器调节
低功耗模式：待机电流仅 1μA，适合电池供电设备

我个人习惯把 WM8960 看作一个「音频瑞士军刀」。它内部有 32 个寄存器，通过 I2C 接口配置。你想想看，一个芯片能搞定音频输入、输出、增益、滤波、混音……这在十年前得用三四颗芯片才能实现。

参数	典型值	备注
电源电压	2.7V - 3.6V	数字核 1.8V 内部 LDO 生成
信噪比 (DAC)	98dB	A 加权
信噪比 (ADC)	94dB	A 加权
采样率范围	8kHz - 48kHz	支持 16/20/24/32 位数据
I2C 地址	0x1A (7位)	ADDR 引脚接地时

避坑提示：WM8960 的 I2C 地址是 7 位 0x1A，但 HAL 库的 I2C 地址函数需要左移一位，变成 0x34。我当年就是在这里栽了跟头——写 0x1A 进去，芯片死活没反应。

1.2 STM32 与 WM8960 的硬件连接

咱们以 STM32F407 为例，讲解硬件连接。为什么选 F4？因为它有 I2S 外设，而且主频够高，能处理音频数据流。你如果用 F1 系列，也不是不行，但 I2S 需要软件模拟，稳定性差一些。

连接方式其实不复杂。我画了一张框图，你看一眼就明白了。

从图上你能看到，STM32 和 WM8960 之间有两类通信：

I2C 总线：负责控制。STM32 通过 I2C 写 WM8960 的寄存器，设置采样率、音量、输入输出路由等。
I2S 总线：负责数据。音频数据通过 I2S 接口双向传输。播放时，STM32 把 PCM 数据发给 WM8960 的 DAC；录音时，WM8960 的 ADC 把数据发给 STM32。

硬件连接注意事项：

WM8960 的 MCLK 必须由 STM32 提供。F4 的 I2S 外设可以输出 MCLK，但需要配置 PLL 分频。
复位引脚 RST 建议用 GPIO 控制，不要直接接 VCC。上电后先拉低再拉高，确保芯片正确复位。
模拟电源 AVDD 和数字电源 DVDD 要分开走线，避免数字噪声串入模拟电路。

1.3 CubeMX 工程配置

好，硬件连接清楚了，咱们开始配置软件。我用的是 STM32CubeMX，版本 6.x。配置过程我一步步说，你跟着做就行。

1.3.1 新建工程与时钟配置

打开 CubeMX，选择 STM32F407VGT6。先配时钟——音频系统对时钟精度要求很高，我建议直接用外部晶振。

HSE：8MHz 外部晶振
PLL 倍频：8MHz * 9 = 72MHz (SYSCLK)
APB1 时钟：36MHz (I2S 外设挂在这个总线上)
I2S 时钟源：选择 PLLI2S，配置为 256 * 采样率 * 通道数

举个例子，如果采样率是 44.1kHz，16 位立体声，那么 I2S 时钟频率 = 44.1k * 32 * 2 = 2.8224MHz。PLLI2S 需要输出 256 * 44.1k = 11.2896MHz。这个计算我建议你记下来，后面调试时会反复用到。

1.3.2 I2C 外设配置

I2C 用于配置 WM8960 寄存器。配置参数如下：

参数	设置值	说明
I2C 速度模式	Standard Mode	100kHz，兼容性好
I2C 地址长度	7 位	WM8960 支持 7 位地址
GPIO 引脚	PB6 (SCL), PB7 (SDA)	复用开漏输出
上拉电阻	内部上拉使能	外部最好再加 4.7kΩ 上拉

我的经验：I2C 速度别设太高。WM8960 的 I2C 接口虽然支持 400kHz，但实际项目中我遇到过线长超过 10cm 时通信不稳定的情况。保守起见，100kHz 最稳妥。

1.3.3 I2S 外设配置

I2S 是音频数据的传输通道。配置时要注意主从模式的选择——WM8960 可以配置为主模式或从模式。我个人习惯让 STM32 做主设备，WM8960 做从设备。这样时钟由 STM32 产生，时序更容易控制。

参数	设置值	说明
模式	Master Transmit / Master Receive	STM32 做主设备
标准	I2S Philips	左对齐，MSB 先传
数据格式	16 位	WM8960 支持 16/20/24/32 位
采样率	44.1 kHz	CD 音质标准
MCLK 输出	使能	PC6 输出 256 * fs
DMA	使能 (TX 和 RX)	循环模式，数据宽度半字

这里有个关键点：I2S 的 DMA 必须配成循环模式。为什么？因为音频数据是连续流，不是一次传输完就结束。你想想看，播放一首歌，数据是一帧一帧往外送的，DMA 循环模式能自动把缓冲区填满，CPU 只需要在缓冲区半满或全满时处理一下就行。

1.4 I2C 与 I2S 外设初始化代码

配置完 CubeMX，生成代码。HAL 库会自动生成外设初始化函数。但有几个地方需要手动调整，我直接贴代码说明。

1.4.1 I2C 初始化

// I2C 句柄定义
I2C_HandleTypeDef hi2c1;

// I2C 初始化函数（CubeMX 生成，无需修改）
void MX_I2C1_Init(void)
{
  hi2c1.Instance = I2C1;
  hi2c1.Init.ClockSpeed = 100000;          // 100kHz
  hi2c1.Init.DutyCycle = I2C_DUTYCYCLE_2;
  hi2c1.Init.OwnAddress1 = 0;
  hi2c1.Init.AddressingMode = I2C_ADDRESSINGMODE_7BIT;
  hi2c1.Init.DualAddressMode = I2C_DUALADDRESS_DISABLE;
  hi2c1.Init.OwnAddress2 = 0;
  hi2c1.Init.GeneralCallMode = I2C_GENERALCALL_DISABLE;
  hi2c1.Init.NoStretchMode = I2C_NOSTRETCH_DISABLE;
  if (HAL_I2C_Init(&hi2c1) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
}

写 WM8960 寄存器时，我封装了一个函数：

// 写 WM8960 寄存器
// reg: 寄存器地址 (7位)
// val: 寄存器值 (9位)
HAL_StatusTypeDef WM8960_WriteReg(uint8_t reg, uint16_t val)
{
  uint8_t data[2];
  data[0] = (reg << 1) | ((val >> 8) & 0x01);  // 高字节：寄存器地址 + 数据高位
  data[1] = val & 0xFF;                          // 低字节：数据低位
  return HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, WM8960_ADDR, data, 2, 100);
}

注意：WM8960 的寄存器是 9 位数据，但 I2C 传输时拆成两个字节。第一个字节的高 7 位是寄存器地址，最低位是数据第 8 位；第二个字节是数据低 8 位。这个格式容易搞错，我建议你对照数据手册第 42 页的时序图确认。

1.4.2 I2S 初始化

// I2S 句柄定义
I2S_HandleTypeDef hi2s3;
DMA_HandleTypeDef hdma_spi3_tx;
DMA_HandleTypeDef hdma_spi3_rx;

// I2S 初始化函数（CubeMX 生成）
void MX_I2S3_Init(void)
{
  hi2s3.Instance = SPI3;
  hi2s3.Init.Mode = I2S_MODE_MASTER_TX;    // 主模式发送
  hi2s3.Init.Standard = I2S_STANDARD_PHILIPS;
  hi2s3.Init.DataFormat = I2S_DATAFORMAT_16B;
  hi2s3.Init.MCLKOutput = I2S_MCLKOUTPUT_ENABLE;
  hi2s3.Init.AudioFreq = I2S_AUDIOFREQ_44K;
  hi2s3.Init.CPOL = I2S_CPOL_LOW;
  hi2s3.Init.ClockSource = I2S_CLOCK_PLL;
  hi2s3.Init.FirstBit = I2S_FIRSTBIT_MSB;
  if (HAL_I2S_Init(&hi2s3) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
}

DMA 配置部分，CubeMX 会生成，但需要手动开启 DMA 中断：

// 启动 I2S 发送 DMA（循环模式）
HAL_I2S_Transmit_DMA(&hi2s3, (uint16_t*)audio_buffer, AUDIO_BUFFER_SIZE);

// 启动 I2S 接收 DMA（循环模式）
HAL_I2S_Receive_DMA(&hi2s3, (uint16_t*)record_buffer, AUDIO_BUFFER_SIZE);

避坑指南：我曾经在 DMA 中断优先级上吃过亏。I2S 的 DMA 中断优先级要设得比 I2C 高，否则音频数据流会被 I2C 配置操作打断，导致声音出现「咔咔」的爆音。建议 DMA 中断优先级设为 1，I2C 设为 3。

1.5 本章小结

好了，这一章的内容就到这里。咱们把 WM8960 的特性、硬件连接、CubeMX 配置、I2C 和 I2S 初始化都过了一遍。这些东西是后面所有实验的基础。你如果现在觉得有点晕，没关系——音频系统涉及的知识点确实多。但只要你把硬件连接和时钟配置搞对了，后面写代码就是水到渠成的事。

📚 课程目录

1. 项目概述与环境搭建

1.1 WM8960 芯片特性速览

1.2 STM32 与 WM8960 的硬件连接

1.3 CubeMX 工程配置

1.3.1 新建工程与时钟配置

1.3.2 I2C 外设配置

1.3.3 I2S 外设配置

1.4 I2C 与 I2S 外设初始化代码

1.4.1 I2C 初始化

1.4.2 I2S 初始化

1.5 本章小结