简介：蓝牙5.4 LDAC+USB 直解的TPA3116桌面HIFI功放开源

嵌入式桌面 HiFi 功放系统软件架构与C代码实现方案

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尊敬的用户，

非常感谢您提供这个富有挑战性的项目需求。作为一名高级嵌入式软件开发工程师，我很高兴能为您详细阐述这款蓝牙 5.4 LDAC + USB 直解 TPA3116 桌面 HiFi 功放的嵌入式软件架构设计方案，并提供相应的 C 代码实现示例。我将从需求分析出发，深入到系统架构设计、模块划分、关键技术点、代码实现，以及测试验证和维护升级等方面，力求为您构建一个可靠、高效、可扩展的嵌入式系统平台。

项目需求分析

首先，我们需要对项目的核心需求进行深入分析，明确系统的功能和性能指标。根据项目简介和图片，我们可以总结出以下关键需求：

1. 音频输入源:

   • 蓝牙 5.4: 支持蓝牙音频输入，并需要支持高品质的 LDAC 编解码技术，以满足 HiFi 音质的要求。
   • USB 直解 (USB DAC): 支持 USB 音频输入，作为 USB DAC 使用，直接解码来自 PC 或其他 USB 音源的音频数据。

2. 音频处理与放大:

   • 音频解码: 需要解码 LDAC 和 USB 音频数据，将其转换为 PCM 或其他可处理的音频格式。
   • 音频处理 (可选): 可能需要进行一些音频处理，例如音量控制、均衡器 (EQ)、升频/降频、数字滤波等，以提升音质或满足特定用户需求。
   • 功率放大: 使用 TPA3116 功放芯片将处理后的音频信号放大，驱动扬声器。

3. 系统控制与管理:

   • 输入源选择: 用户需要能够选择蓝牙或 USB 作为音频输入源。
   • 音量控制: 提供音量调节功能，可以通过旋钮、按钮或遥控器等方式实现。
   • 状态指示: 提供 LED 指示灯或其他方式，显示系统状态，例如输入源、蓝牙连接状态、音量大小等。
   • 电源管理: 考虑系统的电源管理策略，例如待机模式、自动关机等，以降低功耗。
   • 固件升级: 预留固件升级接口，方便后续的维护和功能扩展。

4. 性能指标:

   • 高音质: 作为 HiFi 功放，音质是核心指标，需要保证低失真、低噪声、高保真度。
   • 低延迟: 对于蓝牙和 USB 音频输入，需要尽可能降低延迟，以保证良好的用户体验。
   • 稳定性: 系统需要稳定可靠运行，避免死机、崩溃等故障。
   • 可扩展性: 系统架构应具有良好的可扩展性，方便后续添加新功能或优化性能。

5. 开源特性:

   • 项目是开源的，这意味着代码需要具有良好的可读性、可维护性和可移植性，方便开发者学习和二次开发。

系统架构设计

基于以上需求分析，我将采用分层架构来设计这个嵌入式 HiFi 功放系统，以实现模块化、可维护性和可扩展性。系统架构可以分为以下几个层次：

• 硬件抽象层 (HAL - Hardware Abstraction Layer): HAL 层是系统架构的最底层，它直接与硬件交互，向上层提供统一的硬件接口。HAL 层的主要职责是屏蔽硬件差异，使得上层应用代码可以独立于具体的硬件平台。HAL 层需要包含以下模块：

  • GPIO 驱动: 控制 GPIO 引脚，用于 LED 指示灯、按键输入、电源控制等。
  • I2C/SPI 驱动: 用于与外部芯片 (例如音频编解码器、功放芯片、EEPROM 等) 进行通信。
  • UART 驱动: 用于调试信息输出和固件升级。
  • 定时器驱动: 用于系统时钟、定时任务、PWM 控制等。
  • ADC/DAC 驱动 (如果需要): 用于模拟信号的采集和输出 (本项目中 DAC 功能主要由 USB 音频控制器实现，可能不需要额外的 DAC 驱动)。
  • 蓝牙控制器驱动: 与蓝牙控制器芯片进行通信，处理蓝牙协议栈的底层操作。
  • USB 控制器驱动: 与 USB 控制器芯片进行通信，处理 USB 协议栈的底层操作。
  • 音频接口驱动 (I2S/PCM): 与音频编解码器或功放芯片进行音频数据传输。

• 板级支持包 (BSP - Board Support Package): BSP 层构建在 HAL 层之上，负责初始化硬件平台、配置系统时钟、分配内存资源、初始化外设等。BSP 层为操作系统或裸机应用提供运行环境。BSP 层需要包含以下模块：

  • 启动代码 (Bootloader): 负责系统启动、硬件自检、加载操作系统或应用程序。
  • 系统初始化: 初始化时钟、内存、中断控制器、外设等。
  • 设备树 (Device Tree) 或配置表: 描述硬件资源和配置信息，方便系统动态配置。
  • 电源管理: 初始化电源管理模块，配置低功耗模式等。

• 操作系统层 (OS - Operating System) 或 裸机 (Bare-metal): 根据项目复杂度和性能要求，可以选择使用操作系统 (例如 FreeRTOS) 或裸机开发。对于本 HiFi 功放项目，考虑到音频处理的实时性、蓝牙协议栈的复杂性以及后续功能扩展的需求，推荐使用实时操作系统 (RTOS) 例如 FreeRTOS。RTOS 可以提供多任务管理、任务调度、同步机制、内存管理等功能，简化系统开发，提高系统效率和可靠性。如果选择裸机开发，则需要自行实现任务调度、资源管理等功能，开发难度较高。

• 中间件层 (Middleware): 中间件层构建在操作系统层之上，提供常用的软件组件和功能模块，简化应用开发。中间件层需要包含以下模块：

  • 蓝牙协议栈: 实现蓝牙 5.4 协议栈，包括 L2CAP, SDP, RFCOMM, GATT, A2DP 等协议，并支持 LDAC 编解码。可以选择开源的蓝牙协议栈，例如 Zephyr, NimBLE 等。
  • USB 音频类驱动 (UAC - USB Audio Class): 实现 USB 音频类驱动，支持 USB Audio Class 2.0 标准，接收来自 USB 主机的音频数据。
  • 音频编解码库: 提供 LDAC 解码、PCM 编解码等功能。可以选择开源的编解码库，例如 FFmpeg, libldac 等。
  • 音频处理库 (可选): 提供音量控制、均衡器、混音、滤波等音频处理算法。可以使用开源的音频处理库，例如 libsamplerate, SoX 等。
  • 文件系统 (可选): 如果需要存储配置文件、固件升级文件等，可以使用文件系统，例如 FatFS, LittleFS 等。
  • 网络协议栈 (可选): 如果需要支持 OTA 固件升级或网络控制功能，可以使用网络协议栈，例如 lwIP, FreeRTOS-Plus-TCP 等。

• 应用层 (Application Layer): 应用层是系统架构的最上层，负责实现具体的应用逻辑和用户界面。应用层需要包含以下模块：

  • 主应用程序: 负责系统初始化、任务创建、事件处理、输入源选择、音量控制、状态指示等。
  • 用户界面 (UI) 模块: 处理用户输入 (按键、旋钮等)，控制 LED 指示灯，显示系统状态。
  • 音频输入管理: 管理蓝牙和 USB 音频输入源的切换和数据流处理。
  • 音频输出管理: 将解码后的音频数据输出到 TPA3116 功放芯片。
  • 电源管理模块: 实现电源管理策略，例如待机模式、自动关机等。
  • 固件升级模块: 实现固件升级功能，例如 OTA 升级或 USB 升级。

代码设计与C代码实现 (示例)

为了更好地说明系统架构和代码实现，我将提供一些关键模块的 C 代码示例。由于篇幅限制，这里只提供框架代码和关键部分的实现思路，完整的 3000 行代码将包含更详细的错误处理、参数校验、注释以及各个模块的完整实现。

1. HAL 层 (Hardware Abstraction Layer) 代码示例:

• gpio.h:

#ifndef __HAL_GPIO_H__
#define __HAL_GPIO_H__

typedef enum {
    GPIO_PIN_RESET = 0,
    GPIO_PIN_SET   = 1
} GPIO_PinState;

typedef enum {
    GPIO_MODE_INPUT,
    GPIO_MODE_OUTPUT,
    GPIO_MODE_AF // Alternate Function
} GPIO_ModeTypeDef;

typedef enum {
    GPIO_PULL_NONE,
    GPIO_PULL_UP,
    GPIO_PULL_DOWN
} GPIO_PullTypeDef;

typedef struct {
    uint32_t Pin;          // GPIO Pin number
    GPIO_ModeTypeDef Mode;    // GPIO Mode
    GPIO_PullTypeDef Pull;    // Pull-up/Pull-down resistor
} GPIO_InitTypeDef;

void HAL_GPIO_Init(GPIO_InitTypeDef *GPIO_InitStruct);
void HAL_GPIO_WritePin(uint32_t Pin, GPIO_PinState PinState);
GPIO_PinState HAL_GPIO_ReadPin(uint32_t Pin);

#endif // __HAL_GPIO_H__

• gpio.c (示例部分实现):

#include "hal_gpio.h"
// ... (硬件相关的GPIO寄存器定义和宏) ...

void HAL_GPIO_Init(GPIO_InitTypeDef *GPIO_InitStruct) {
    // ... (根据 GPIO_InitStruct 配置 GPIO 寄存器) ...
    // 例如：设置 GPIO 模式、方向、上下拉电阻等
}

void HAL_GPIO_WritePin(uint32_t Pin, GPIO_PinState PinState) {
    // ... (根据 PinState 设置 GPIO 输出电平) ...
    if (PinState == GPIO_PIN_SET) {
        // 设置 GPIO 高电平
    } else {
        // 设置 GPIO 低电平
    }
}

GPIO_PinState HAL_GPIO_ReadPin(uint32_t Pin) {
    // ... (读取 GPIO 输入电平) ...
    // 返回 GPIO_PIN_SET 或 GPIO_PIN_RESET
    return GPIO_PIN_RESET; // 示例
}

• uart.h:

#ifndef __HAL_UART_H__
#define __HAL_UART_H__

typedef struct {
    uint32_t BaudRate;      // 波特率
    uint32_t WordLength;    // 数据位长度
    uint32_t StopBits;      // 停止位
    uint32_t Parity;        // 奇偶校验
} UART_InitTypeDef;

void HAL_UART_Init(UART_InitTypeDef *UART_InitStruct);
void HAL_UART_Transmit(uint8_t *pData, uint32_t Size);
uint8_t HAL_UART_Receive(void);

#endif // __HAL_UART_H__

• uart.c (示例部分实现):

#include "hal_uart.h"
// ... (硬件相关的UART寄存器定义和宏) ...

void HAL_UART_Init(UART_InitTypeDef *UART_InitStruct) {
    // ... (根据 UART_InitStruct 配置 UART 寄存器) ...
    // 例如：设置波特率、数据位、停止位、奇偶校验等
}

void HAL_UART_Transmit(uint8_t *pData, uint32_t Size) {
    for (uint32_t i = 0; i < Size; i++) {
        // ... (将 pData[i] 发送出去，等待发送完成) ...
    }
}

uint8_t HAL_UART_Receive(void) {
    // ... (接收一个字节数据，等待接收完成) ...
    return 0; // 示例
}

2. BSP 层 (Board Support Package) 代码示例:

• bsp.h:

#ifndef __BSP_H__
#define __BSP_H__

void BSP_Init(void);
void SystemClock_Config(void);
void PeriphClock_Config(void);
void GPIO_Init(void);
void UART_Init(void);
// ... (其他外设初始化函数声明) ...

#endif // __BSP_H__

• bsp.c (示例部分实现):

#include "bsp.h"
#include "hal_gpio.h"
#include "hal_uart.h"
// ... (其他 HAL 头文件) ...

void BSP_Init(void) {
    SystemClock_Config();
    PeriphClock_Config();
    GPIO_Init();
    UART_Init();
    // ... (其他外设初始化) ...
}

void SystemClock_Config(void) {
    // ... (配置系统时钟，例如 PLL, 外部晶振等) ...
}

void PeriphClock_Config(void) {
    // ... (配置外设时钟，例如 UART, I2C, SPI 等) ...
}

void GPIO_Init(void) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

    // LED 指示灯 GPIO 初始化
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_LED1 | GPIO_PIN_LED2;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULL_NONE;
    HAL_GPIO_Init(&GPIO_InitStruct);

    // 按键输入 GPIO 初始化
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_BUTTON1 | GPIO_PIN_BUTTON2;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULL_UP;
    HAL_GPIO_Init(&GPIO_InitStruct);
}

void UART_Init(void) {
    UART_InitTypeDef UART_InitStruct = {0};

    UART_InitStruct.BaudRate = 115200;
    UART_InitStruct.WordLength = 8;
    UART_InitStruct.StopBits = 1;
    UART_InitStruct.Parity = 0;
    HAL_UART_Init(&UART_InitStruct);
}

3. 操作系统层 (RTOS - FreeRTOS) 代码框架:

• FreeRTOSConfig.h: FreeRTOS 配置文件，配置任务堆栈大小、优先级、钩子函数等。

• main.c:

#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "queue.h"
#include "semphr.h"
#include "bsp.h"
#include "app_task.h" // 应用层任务头文件

// ... (任务句柄、队列句柄、信号量句柄等定义) ...

int main(void) {
    BSP_Init(); // 板级初始化

    // 创建任务
    AppTask_CreateTasks(); // 应用层任务创建函数

    // 启动 FreeRTOS 调度器
    vTaskStartScheduler();

    // 理论上不会运行到这里
    return 0;
}

void vApplicationMallocFailedHook( void ) {
    /*  Called if a call to pvPortMalloc() fails because there is insufficient
    free memory available in the heap.  pvPortMalloc() is called internally by the
    kernel whenever a task, queue, timer or semaphore is created.  In most cases
    memory allocation failures are fatal errors and the application should be
    restarted if this hook is called. */
    taskDISABLE_INTERRUPTS();
    for( ;; );
}
/*-----------------------------------------------------------*/

void vApplicationStackOverflowHook( TaskHandle_t pxTask, char *pcTaskName ) {
    ( void ) pcTaskName;
    ( void ) pxTask;

    /* Run time stack overflow checking is performed if configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW
    is defined to 1 or 2.  This hook function is called if a stack overflow is
    detected. */
    taskDISABLE_INTERRUPTS();
    for( ;; );
}
/*-----------------------------------------------------------*/

void vApplicationIdleHook( void ) {
    /* vApplicationIdleHook() will only be called if configUSE_IDLE_HOOK is set
    to 1 in FreeRTOSConfig.h.  It will be called on each iteration of the idle
    task.  It is essential that code added to this hook function never attempts to
    block in any way (for example, to attempt to obtain a semaphore).  If you use
    the vTaskDelay() or vTaskDelayUntil() functions, make sure they are called
    with a blocking time of zero.  Only preemptible kernel API functions can be
    used. */
}
/*-----------------------------------------------------------*/

void vApplicationTickHook( void ) {
    /* This function will be called by each tick interrupt if
    configUSE_TICK_HOOK is set to 1 in FreeRTOSConfig.h.  User code can be
    added here, but the tick hook interrupt context is very short, so code must
    execute quickly, and must not call any API functions that might block. There is
    a similar hook function, xTimerPendFunctionCallFromISR(), that is much safer
    to use when performing processor intensive work from the tick hook ISR. */
}
/*-----------------------------------------------------------*/

void vAssertCalled( void ) {
    volatile unsigned long ulSetToNonZeroInDebuggerToContinue = 0;

    /* Called if an assertion passed to configASSERT() fails.  See
    http://www.freertos.org/a00110.html#configASSERT for more information. */

    /* Set ulSetToNonZeroInDebuggerToContinue to a non-zero value using the
    debugger to step past the breakpoint. */
    taskDISABLE_INTERRUPTS();
    {
        while( ulSetToNonZeroInDebuggerToContinue == 0 )
        {
            __asm volatile( "NOP" );
            portNOP();
        }
    }
    taskENABLE_INTERRUPTS();
    ( void ) ulSetToNonZeroInDebuggerToContinue;
}
/*-----------------------------------------------------------*/

4. 应用层 (Application Layer) 代码示例 (app_task.c):

• app_task.h:

#ifndef __APP_TASK_H__
#define __APP_TASK_H__

void AppTask_CreateTasks(void);

#endif // __APP_TASK_H__

• app_task.c:

#include "app_task.h"
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "queue.h"
#include "semphr.h"
#include "hal_gpio.h"
#include "middleware_bluetooth.h" // 蓝牙中间件头文件
#include "middleware_usb_audio.h" // USB 音频中间件头文件
#include "middleware_audio_codec.h" // 音频编解码中间件头文件
#include "middleware_audio_process.h" // 音频处理中间件头文件

// ... (任务堆栈大小、优先级定义) ...

// 任务句柄
TaskHandle_t xInputTaskHandle = NULL;
TaskHandle_t xAudioProcessTaskHandle = NULL;
TaskHandle_t xOutputTaskHandle = NULL;
TaskHandle_t xUserInterfaceTaskHandle = NULL;

// 队列句柄 (用于任务间通信)
QueueHandle_t xAudioDataQueue = NULL;
QueueHandle_t xUserInputQueue = NULL;

// 信号量句柄 (用于同步)
SemaphoreHandle_t xAudioOutputSemaphore = NULL;

// 输入源选择 (枚举类型)
typedef enum {
    INPUT_SOURCE_BLUETOOTH,
    INPUT_SOURCE_USB
} InputSource_t;

InputSource_t currentInputSource = INPUT_SOURCE_BLUETOOTH; // 默认蓝牙输入

// 音量值 (0-100)
uint8_t currentVolume = 50;

// 任务函数声明
static void InputTask(void *pvParameters);
static void AudioProcessTask(void *pvParameters);
static void OutputTask(void *pvParameters);
static void UserInterfaceTask(void *pvParameters);

void AppTask_CreateTasks(void) {
    // 创建队列
    xAudioDataQueue = xQueueCreate(10, sizeof(AudioData_t)); // 音频数据队列
    xUserInputQueue = xQueueCreate(5, sizeof(UserInputEvent_t)); // 用户输入事件队列
    if (xAudioDataQueue == NULL || xUserInputQueue == NULL) {
        // 队列创建失败处理
        return;
    }

    // 创建信号量
    xAudioOutputSemaphore = xSemaphoreCreateBinary(); // 音频输出同步信号量
    if (xAudioOutputSemaphore == NULL) {
        // 信号量创建失败处理
        return;
    }

    // 创建任务
    BaseType_t xTaskCreateResult;

    xTaskCreateResult = xTaskCreate(InputTask, "InputTask", INPUT_TASK_STACK_SIZE, NULL, INPUT_TASK_PRIORITY, &xInputTaskHandle);
    if (xTaskCreateResult != pdPASS) {
        // 任务创建失败处理
        return;
    }

    xTaskCreateResult = xTaskCreate(AudioProcessTask, "AudioProcessTask", AUDIO_PROCESS_TASK_STACK_SIZE, NULL, AUDIO_PROCESS_TASK_PRIORITY, &xAudioProcessTaskHandle);
    if (xTaskCreateResult != pdPASS) {
        // 任务创建失败处理
        return;
    }

    xTaskCreateResult = xTaskCreate(OutputTask, "OutputTask", OUTPUT_TASK_STACK_SIZE, NULL, OUTPUT_TASK_PRIORITY, &xOutputTaskHandle);
    if (xTaskCreateResult != pdPASS) {
        // 任务创建失败处理
        return;
    }

    xTaskCreateResult = xTaskCreate(UserInterfaceTask, "UITask", UI_TASK_STACK_SIZE, NULL, UI_TASK_PRIORITY, &xUserInterfaceTaskHandle);
    if (xTaskCreateResult != pdPASS) {
        // 任务创建失败处理
        return;
    }
}

// 输入任务 (处理蓝牙和 USB 音频输入)
static void InputTask(void *pvParameters) {
    while (1) {
        switch (currentInputSource) {
            case INPUT_SOURCE_BLUETOOTH:
                // 从蓝牙接收音频数据
                if (Bluetooth_IsAudioDataAvailable()) {
                    AudioData_t audioData;
                    Bluetooth_GetAudioData(&audioData); // 从蓝牙中间件获取音频数据
                    xQueueSend(xAudioDataQueue, &audioData, portMAX_DELAY); // 发送到音频处理队列
                }
                break;
            case INPUT_SOURCE_USB:
                // 从 USB 接收音频数据
                if (UsbAudio_IsDataAvailable()) {
                    AudioData_t audioData;
                    UsbAudio_GetData(&audioData); // 从 USB 音频中间件获取音频数据
                    xQueueSend(xAudioDataQueue, &audioData, portMAX_DELAY); // 发送到音频处理队列
                }
                break;
            default:
                break;
        }
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1)); // 适当延时，降低 CPU 占用率
    }
}

// 音频处理任务 (解码、音量控制等)
static void AudioProcessTask(void *pvParameters) {
    AudioData_t receivedAudioData;
    AudioData_t processedAudioData;

    while (1) {
        if (xQueueReceive(xAudioDataQueue, &receivedAudioData, portMAX_DELAY) == pdTRUE) {
            // 音频解码
            if (currentInputSource == INPUT_SOURCE_BLUETOOTH) {
                LdacDecoder_Decode(&receivedAudioData, &processedAudioData); // LDAC 解码
            } else if (currentInputSource == INPUT_SOURCE_USB) {
                // USB PCM 数据，无需解码，直接复制
                memcpy(&processedAudioData, &receivedAudioData, sizeof(AudioData_t));
            }

            // 音量控制
            AudioProcess_VolumeControl(&processedAudioData, currentVolume); // 音量控制

            // ... (其他音频处理，例如均衡器、混音等) ...

            // 发送到输出任务
            xQueueSend(xAudioDataQueue, &processedAudioData, portMAX_DELAY);
        }
    }
}

// 输出任务 (将音频数据输出到功放芯片)
static void OutputTask(void *pvParameters) {
    AudioData_t audioDataToOutput;

    while (1) {
        if (xQueueReceive(xAudioDataQueue, &audioDataToOutput, portMAX_DELAY) == pdTRUE) {
            // 将音频数据输出到 TPA3116 功放芯片
            Tpa3116_SendData(&audioDataToOutput); // 调用 TPA3116 驱动发送数据
        }
    }
}

// 用户界面任务 (处理按键、旋钮等输入，控制 LED 指示灯)
static void UserInterfaceTask(void *pvParameters) {
    UserInputEvent_t userInputEvent;

    while (1) {
        // 检测用户输入事件 (按键、旋钮等)
        if (CheckForUserInput(&userInputEvent)) { // 假设有 CheckForUserInput 函数检测用户输入
            // 根据用户输入事件类型进行处理
            switch (userInputEvent.type) {
                case USER_INPUT_TYPE_BUTTON_INPUT_SOURCE:
                    // 切换输入源
                    if (currentInputSource == INPUT_SOURCE_BLUETOOTH) {
                        currentInputSource = INPUT_SOURCE_USB;
                    } else {
                        currentInputSource = INPUT_SOURCE_BLUETOOTH;
                    }
                    UpdateLedIndicators(); // 更新 LED 指示灯状态
                    break;
                case USER_INPUT_TYPE_VOLUME_UP:
                    // 音量增大
                    if (currentVolume < 100) {
                        currentVolume++;
                        AudioProcess_SetVolume(currentVolume); // 设置音量
                        UpdateVolumeDisplay(); // 更新音量显示 (例如 LED 环形灯)
                    }
                    break;
                case USER_INPUT_TYPE_VOLUME_DOWN:
                    // 音量减小
                    if (currentVolume > 0) {
                        currentVolume--;
                        AudioProcess_SetVolume(currentVolume); // 设置音量
                        UpdateVolumeDisplay(); // 更新音量显示
                    }
                    break;
                // ... (其他用户输入事件处理) ...
                default:
                    break;
            }
        }
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(50)); // 用户界面任务延时，降低 CPU 占用率
    }
}

// ... (其他辅助函数，例如 UpdateLedIndicators, UpdateVolumeDisplay, CheckForUserInput 等) ...

5. 中间件层 (Middleware) 代码框架:

• middleware_bluetooth.h/c: 蓝牙协议栈、LDAC 解码器接口。

• middleware_usb_audio.h/c: USB 音频类驱动接口。

• middleware_audio_codec.h/c: LDAC 解码器、PCM 编解码器实现。

• middleware_audio_process.h/c: 音量控制、均衡器、混音、滤波等音频处理算法实现。

• middleware_tpa3116.h/c: TPA3116 功放芯片驱动接口。

关键技术和方法:

• 实时操作系统 (RTOS): 使用 FreeRTOS 管理多任务，保证音频处理的实时性和系统的稳定性。
• 分层架构: 采用分层架构设计，提高代码的模块化、可维护性和可扩展性。
• 事件驱动编程: 系统基于事件驱动，例如用户输入事件、音频数据到达事件等，提高系统响应速度和效率。
• 任务间通信: 使用 FreeRTOS 队列和信号量进行任务间通信和同步，保证数据传输的可靠性和一致性。
• DMA (Direct Memory Access): 在 HAL 层和中间件层中，可以考虑使用 DMA 技术进行音频数据传输，提高数据传输效率，降低 CPU 负载。
• 双缓冲 (Double Buffering): 在音频数据处理和输出环节，可以使用双缓冲技术，避免音频播放的卡顿和失真。
• 低延迟音频处理: 针对蓝牙和 USB 音频输入，需要优化音频处理流程，尽可能降低延迟，提升用户体验。
• LDAC 编解码: 集成 LDAC 编解码库，实现高品质蓝牙音频解码。
• USB Audio Class 2.0: 支持 USB Audio Class 2.0 标准，实现高品质 USB 音频输入。
• 开源组件: 尽可能采用开源的蓝牙协议栈、USB 音频类驱动、音频编解码库、音频处理库等，降低开发成本，提高开发效率。
• 代码优化: 针对嵌入式系统的资源限制，需要进行代码优化，例如减少内存占用、提高执行效率、降低功耗。
• 调试和日志: 在代码中添加必要的调试信息和日志输出，方便系统调试和故障排查。
• 固件升级机制: 设计可靠的固件升级机制，方便后续的维护和功能扩展。

测试验证与维护升级:

• 单元测试: 针对 HAL 层、中间件层和应用层中的各个模块进行单元测试，验证模块功能的正确性。
• 集成测试: 将各个模块进行集成，进行系统级测试，验证系统功能的完整性和协同性。
• 性能测试: 测试系统的音频性能指标，例如信噪比、总谐波失真、频率响应等，验证是否满足 HiFi 音质要求。
• 压力测试: 长时间运行系统，进行压力测试，验证系统的稳定性和可靠性。
• 用户体验测试: 邀请用户进行实际使用测试，收集用户反馈，优化用户体验。
• 固件升级测试: 测试固件升级流程的正确性和可靠性。

维护升级:

• 模块化设计: 模块化设计方便后续的功能扩展和维护升级。
• 清晰的代码注释: 代码中添加清晰的注释，方便后续开发者理解和维护代码。
• 版本控制: 使用 Git 等版本控制工具管理代码，方便代码版本管理和协作开发。
• 固件升级功能: 预留固件升级接口，方便后续的功能升级和 bug 修复。
• 社区支持: 作为开源项目，可以建立社区，接受用户反馈和贡献，共同维护和发展项目。

总结

以上是我为您设计的蓝牙 5.4 LDAC + USB 直解 TPA3116 桌面 HiFi 功放的嵌入式软件架构方案和 C 代码实现示例。这个方案采用了分层架构、实时操作系统、事件驱动编程等先进的嵌入式系统设计方法，并充分考虑了 HiFi 音质、低延迟、稳定性、可扩展性等关键需求。代码示例提供了关键模块的框架和实现思路，完整的 3000 行代码将包含更详细的实现细节、错误处理、参数校验和注释。

希望这个方案能够为您提供有价值的参考，帮助您成功开发出这款优秀的开源 HiFi 功放产品。如果您有任何疑问或需要进一步的帮助，请随时提出，我将竭诚为您服务。