使用CMSIS开发STM32麦克风采样应用

使用CMSIS开发STM32

使用 CMSIS（Cortex Microcontroller Software Interface Standard）开发 STM32 是一种低耦合、硬件抽象层更清晰的方式，适合对性能和代码移植性有较高要求的项目。相比 HAL 库，CMSIS 更接近底层，但比直接操作寄存器更标准化。

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一、什么是 CMSIS？

CMSIS 是 ARM 推出的标准化软件接口，包括以下几个部分：

1. CMSIS-Core：定义了 Cortex-M 核心寄存器、异常向量表、系统启动代码等。
2. CMSIS-DSP：提供数字信号处理库（滤波器、FFT 等）。
3. CMSIS-RTOS：定义 RTOS 的接口，如 CMSIS-RTOS2（兼容 RTX、FreeRTOS）。
4. CMSIS-Driver：标准化外设驱动接口（用于与中间件配合）。
5. CMSIS-Pack：管理芯片包和设备支持文件。

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二、开发环境准备

推荐使用以下环境：

• Keil MDK（集成了 CMSIS，支持 STM32）
• STM32CubeIDE（虽然默认是 HAL，但可以集成 CMSIS）
• ARM-GCC + VS Code（手动配置）
• PlatformIO + Clion（支持 STM32，可自动配置）

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三、开发步骤（使用 CMSIS-Core 开发 STM32）

以下以 STM32F103 为例说明基本流程：

1. 创建工程并引入 CMSIS

• 使用 Clion，PlatformIO 新建工程，选择芯片型号，勾选 CMSIS框架。

• 环境会自动创建，包含：

  • core_cm3.h（或对应内核）
  • 启动文件：startup_stm32f10x.s
  • 系统文件：system_stm32f10x.c/h

2. 编写主程序

CMSIS 提供对寄存器的结构体封装，可以使用类似以下方式配置 GPIO 和控制：

新建一个文件 src/main.c

#include "stm32f1xx.h"

int main(void) {
    // 1. 启用 GPIOC 时钟
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPCEN;

    // 2. 配置 PC13 为推挽输出
    GPIOC->CRH &= ~(GPIO_CRH_MODE13 | GPIO_CRH_CNF13); // 清除
    GPIOC->CRH |= (0x2 << GPIO_CRH_MODE13_Pos);        // 输出 2MHz 推挽

    while (1) {
        GPIOC->ODR ^= (1 << 13); // 反转 PC13（LED）
        for (volatile int i = 0; i < 500000; ++i); // 延时
    }
}

3. 使用 system_stm32f10x.c 初始化系统时钟

CMSIS 提供了 SystemInit() 函数，建议在 main() 前调用（通常在启动文件中已调用）。

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四、CMSIS vs HAL 对比

特性	CMSIS	HAL
层级	贴近底层	高层抽象
易用性	一般	易用性强
可移植性	高（ARM Cortex-M 通用）	限于 STM32
性能开销	更小（无多余封装）	较大（函数调用多）
学习曲线	陡峭	平缓

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五、推荐学习资源

• ARM CMSIS 官方文档
• 《STM32 嵌入式系统开发实战指南》
• GitHub 上的裸机项目模板，如 libopencm3

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STM32F103C6T6 是一款常见的小容量 STM32 芯片，非常适合用于入门音频采集实验。
接下来，使用它实现 基于 CMSIS、无 HAL 库、使用 DMA+ADC+TIM 采样音频输入（如麦克风） 。

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✅ 芯片特点（STM32F103C6T6）

项目	参数
Flash / RAM	32KB / 10KB
ADC通道	10 个（12-bit）
DMA通道	7 个（DMA1）
定时器	TIM1, TIM2, TIM3, TIM4
最大主频	72 MHz
外设资源有限	适合轻量采集用途

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硬件连接

• 麦克风模块输出（如 MAX9814 模拟输出）→ PA1（ADC1_IN1）
• VCC/GND 接 3.3V 电源（注意音频输入不能超出 3.3V）

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项目结构（CMSIS + 标准寄存器）

你只需要 4 个核心文件，手动搭建即可（适合 Keil / GCC / VS Code）：

Project/
├── main.c                // 主程序
├── system_stm32f10x.c    // CMSIS 系统时钟设置
├── startup_stm32f103x6.s // 启动文件（适用于 C6T6）
└── stm32f10x.h           // 头文件（CMSIS 和设备寄存器定义）

✅ 可用 STM32CubeMX 生成 .s 和 system_*.c 文件，再手动移除 HAL 相关代码。
使用PlatformIO, 只需要配置 platformio.ini 文件，添加 main.c实现。

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main.c 示例（完整 DMA 采样音频）

#include "stm32f10x.h"

#define SAMPLE_RATE 8000
#define BUFFER_SIZE 512

volatile uint16_t adc_buffer[BUFFER_SIZE];

void ADC_DMA_Init(void) {
    // 启用时钟
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN | RCC_APB2ENR_ADC1EN;
    RCC->AHBENR  |= RCC_AHBENR_DMA1EN;

    // DMA1 Channel1 设置
    DMA1_Channel1->CPAR  = (uint32_t)&ADC1->DR;
    DMA1_Channel1->CMAR  = (uint32_t)adc_buffer;
    DMA1_Channel1->CNDTR = BUFFER_SIZE;
    DMA1_Channel1->CCR   = DMA_CCR_MINC | DMA_CCR_CIRC | DMA_CCR_PSIZE_0 | DMA_CCR_MSIZE_0 | DMA_CCR_EN;

    // ADC 设置
    ADC1->SQR1 = 0;            // 1个规则通道
    ADC1->SQR3 = 1;            // IN1（PA1）
    ADC1->CR2  = ADC_CR2_DMA | ADC_CR2_EXTSEL_1 | ADC_CR2_EXTTRIG | ADC_CR2_ADON;

    // 稍等后开启
    for (volatile int i = 0; i < 10000; ++i);
    ADC1->CR2 |= ADC_CR2_ADON;
}

void TIM2_Init(void) {
    RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM2EN;

    // TIM2 设置 8kHz 触发
    TIM2->PSC = 0;
    TIM2->ARR = (72000000 / SAMPLE_RATE) - 1;
    TIM2->CR2 = TIM_CR2_MMS_1; // TRGO = Update Event
    TIM2->CR1 = TIM_CR1_CEN;
}

int main(void) {
    ADC_DMA_Init();
    TIM2_Init();

    while (1) {
        // 在此处处理 adc_buffer[] 里的音频采样数据
    }
}

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链接脚本 / 启动文件建议

启动文件（Keil 默认自带 startup_stm32f103x6.s）

如果你用的是 Keil，可选择如下：

Device: STM32F103C6
Startup: startup_stm32f103x6.s

system_stm32f10x.c 示例（修改 SystemInit() 使用 72MHz）

void SystemInit(void) {
    // 选择 HSE + PLL 得到 72MHz 系统时钟
    RCC->CR |= RCC_CR_HSEON;
    while (!(RCC->CR & RCC_CR_HSERDY));

    RCC->CFGR |= RCC_CFGR_PLLSRC | RCC_CFGR_PLLMULL9; // HSE x9 = 72MHz
    RCC->CR |= RCC_CR_PLLON;
    while (!(RCC->CR & RCC_CR_PLLRDY));

    RCC->CFGR |= RCC_CFGR_SW_PLL;
    while ((RCC->CFGR & RCC_CFGR_SWS) != RCC_CFGR_SWS_PLL);
}

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文件支持

主要文件包含：

• ✅ main.c
• ✅ system_stm32f10x.c
• ✅ startup_stm32f103x6.s
• ✅ stm32f10x.h
• ✅ Makefile 或 Keil 工程模板

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增加双缓冲（Ping-Pong）机制 可以避免在音频采样时出现 DMA 覆盖还未处理的数据的问题，确保数据完整性，是音频应用中非常重要的一步。

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目标

在采样过程中将缓冲区一分为二，交替处理：

• DMA 仍然使用循环模式
• 主循环检测 DMA 传输位置，判断何时处理哪一半的数据
• 处理期间另一半仍在填充，不会丢数据

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原理图

adc_buffer[BUFFER_SIZE]
↓       ↓
[0........BUFFER_SIZE/2-1] ← 半区 A（正在处理）
[BUFFER_SIZE/2....END]     ← 半区 B（正在采样）
        ↑                 ↑
    DMA CNDTR      +主循环判断

循环交替进行

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实现步骤（适用于 STM32F103C6 + CMSIS）

1. 修改缓冲区大小为 2 倍半区

#define HALF_BUFFER_SIZE 256
#define BUFFER_SIZE (2 * HALF_BUFFER_SIZE)

volatile uint16_t adc_buffer[BUFFER_SIZE];

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2. 增加 DMA 中断（Transfer Half & Full Complete）

void DMA1_Channel1_IRQHandler(void) {
    if (DMA1->ISR & DMA_ISR_HTIF1) {
        DMA1->IFCR = DMA_IFCR_CHTIF1;  // 清除中断标志
        // ✅ 半缓冲区完成（adc_buffer[0] ~ adc_buffer[255]）
        process_audio_data(&adc_buffer[0], HALF_BUFFER_SIZE);
    }

    if (DMA1->ISR & DMA_ISR_TCIF1) {
        DMA1->IFCR = DMA_IFCR_CTCIF1;
        // ✅ 整缓冲区完成（adc_buffer[256] ~ adc_buffer[511]）
        process_audio_data(&adc_buffer[HALF_BUFFER_SIZE], HALF_BUFFER_SIZE);
    }
}

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3. 初始化 DMA 开启中断

void ADC_DMA_Init(void) {
    RCC->AHBENR |= RCC_AHBENR_DMA1EN;

    DMA1_Channel1->CPAR  = (uint32_t)&ADC1->DR;
    DMA1_Channel1->CMAR  = (uint32_t)adc_buffer;
    DMA1_Channel1->CNDTR = BUFFER_SIZE;

    DMA1_Channel1->CCR = DMA_CCR_MINC | DMA_CCR_CIRC | DMA_CCR_PSIZE_0 |
                         DMA_CCR_MSIZE_0 | DMA_CCR_TCIE | DMA_CCR_HTIE |
                         DMA_CCR_EN;

    NVIC_EnableIRQ(DMA1_Channel1_IRQn);
}

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4. 示例处理函数（音频数据处理）

void process_audio_data(uint16_t *data, uint16_t len) {
    // 可选：滤波、峰值检测、FFT、串口输出等
    uint32_t sum = 0;
    for (int i = 0; i < len; i++) {
        sum += data[i];
    }
    uint16_t avg = sum / len;
    // 例如：输出平均电平
}

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✅ 总结

特性	实现方式
双缓冲	adc_buffer 分为两半
触发机制	DMA1 HT / TC 中断触发数据处理
实时性与稳定性	避免主循环中判断 CNDTR，响应更快
可扩展	可用于串口上传、FFT 等实时处理

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上面具备了稳定的 ADC 采样和双缓冲机制，现在我们可以在回调处理函数中 增加数字信号处理（如滤波和 FFT），让 STM32F103C6T6 实现简单的语音分析、频谱分析或前端滤波处理。

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概念简介

✅ 常见信号处理任务

功能	作用
FIR/IIR 滤波	去噪、平滑、通带选择
FFT	频谱分析、语音识别特征提取
RMS/均值	音量检测

✅ 工具选择

• 使用 CMSIS-DSP 库（ARM 官方优化）
• 支持 Cortex-M3（STM32F103）✔️
• 在 process_audio_data() 中对采样数据处理

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一、启用 CMSIS-DSP 库

添加以下文件：

1. DSP 文件夹中的 arm_math.h + 源码（如 arm_cfft_f32.c）
2. 在编译器中定义宏：

#define ARM_MATH_CM3

3. 链接 arm_cortexM3_math.lib 或编译 .c 源码

你可以从 [CMSIS-DSP GitHub](https://github.com/AR M-software/CMSIS_5/tree/develop/CMSIS/DSP) 下载。

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️ 二、低通滤波器示例（FIR）

初始化低通 FIR 滤波器（采样率 8kHz，截止 1kHz）

#include "arm_math.h"

#define BLOCK_SIZE 256
#define NUM_TAPS   32

float32_t firStateF32[BLOCK_SIZE + NUM_TAPS - 1];
float32_t firCoeffs32[NUM_TAPS];  // 使用工具生成的系数
arm_fir_instance_f32 S;

void fir_filter_init(void) {
    // 举例：生成一个低通系数数组（可用 MATLAB / Python 设计）
    for (int i = 0; i < NUM_TAPS; i++) {
        firCoeffs32[i] = 0.03125f; // 简单平均低通（不理想，建议换更精细系数）
    }

    arm_fir_init_f32(&S, NUM_TAPS, firCoeffs32, firStateF32, BLOCK_SIZE);
}

在回调中使用：

void process_audio_data(uint16_t *data, uint16_t len) {
    float32_t input[BLOCK_SIZE];
    float32_t output[BLOCK_SIZE];

    // 转换为 float32
    for (int i = 0; i < len; i++) {
        input[i] = (float32_t)data[i];
    }

    // FIR 滤波
    arm_fir_f32(&S, input, output, len);

    // 可做后续处理，如峰值检测、FFT
}

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⚡ 三、FFT 示例（频谱分析）

初始化 FFT（256 点）

arm_rfft_fast_instance_f32 fft_instance;

void fft_init(void) {
    arm_rfft_fast_init_f32(&fft_instance, 256);
}

在回调中进行频谱计算

float32_t input[256];
float32_t fft_out[256]; // 输出为幅度谱

void process_audio_data(uint16_t *data, uint16_t len) {
    for (int i = 0; i < len; i++) {
        input[i] = (float32_t)data[i] - 2048.0f; // 居中
    }

    arm_rfft_fast_f32(&fft_instance, input, input, 0); // FFT 就地
    arm_cmplx_mag_f32(input, fft_out, len / 2);         // 计算复数模（频谱幅度）

    // 此处 fft_out[i] 为第 i 个频率点的能量
}

采样率 8kHz，256 点 FFT ⇒ 分辨率 = 8000/256 ≈ 31.25 Hz

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四、处理流程整合

int main(void) {
    SystemInit();
    fir_filter_init();  // 可选
    fft_init();         // 可选
    ADC_DMA_Init();
    TIM2_Init();

    while (1) {
        // 所有处理交由 DMA 中断完成
    }
}

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使用 OLED 显示频谱图

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系统组成结构图

[ 麦克风 ] → [ ADC + DMA ] → [ 双缓冲 Ping-Pong ]
                                   ↓
                             [ FFT + 频谱分析 ]
                                   ↓
                            [ OLED 显示频谱 ]

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OLED 显示频谱（SSD1306 I2C）

1. OLED 连接引脚（以 I2C 为例）

• SCL → PB6
• SDA → PB7
• 使用软件 I2C 或硬件 I2C（推荐用软件 I2C，自主可控）

2. OLED 驱动库

• 使用轻量级 ssd1306 驱动库（开源、兼容 STM32）
• 可选：u8g2、Adafruit GFX（更复杂）

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FFT 显示示意图（128 像素宽度）

• 256 点 FFT → 128 个频段（取前半）
• 每个频段的幅值转成高度（0~63 像素）
• OLED 分辨率：128×64，x 为频率，y 为能量

Y ↑
64│    ▁▁▂▄▅▆█
   │   ████▇▇▅
 0└────────────────→ X（频率 0 ~ 4kHz）

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✅ OLED 频谱绘制逻辑（代码示例）

extern uint8_t SSD1306_Buffer[1024];

void display_fft_on_oled(float32_t *fft_out, uint16_t bins) {
    ssd1306_Fill(Black);

    for (int i = 0; i < 128; i++) {
        uint16_t bin = i * (bins / 128); // 取样频率映射
        float val = fft_out[bin] / 500.0f; // 调整缩放比例
        if (val > 63) val = 63;

        for (int y = 0; y < (uint8_t)val; y++) {
            ssd1306_DrawPixel(i, 63 - y, White);
        }
    }

    ssd1306_UpdateScreen();
}

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文件结构

Project/
├── main.c
├── adc_dma.c / .h           // 采样控制
├── fft_process.c / .h       // FFT + CMSIS-DSP
├── oled_display.c / .h      // SSD1306 驱动
├── i2c_soft.c / .h          // 软件 I2C 支持
├── arm_math.c / .h          // CMSIS DSP
└── ...

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⚡ 性能建议（STM32F103C6T6 资源较小）

项目	推荐设置
FFT 点数	256 或 128 点
OLED 更新频率	每 50ms 更新一次即可
数据类型	float32（CMSIS-DSP），如需省资源可用 q15_t

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可选增强功能

• ✅ 动态频谱滚动（用 OLED 横向滚动）
• ✅ 音量柱显示（电平检测）
• ✅ 简易语音触发或节奏分析（峰值/过零率）
• ✅ 串口输出 FFT 值 → 在 PC 上可视化

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✅ 示例效果图（在 OLED 上看到）

音频频谱动态柱状图（实时刷新）
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