基于ESP32和MAX98357A通过I2S实现发送和接收音频数据

风筝

I2S协议，全称Inter-IC Sound，主要用于在两个设备之间的同步串口中传输或接收音频数据。在数字设备中有许多需要音频通信的应用，例如添加麦克风或添加扬声器输出以播放某些音频。

在使用音频编解码器、DAC或 ADC的电子设备中有多种音频协议可用。最简单也可能是最好的方法之一是使用 I2S 协议，该协议使用简单的引脚配置并在两个数字音频设备之间进行通信。I2S 协议由飞利浦半导体（现为恩智浦半导体）设计，广泛应用于使用该协议进行数据通信的不同微控制器、编解码器、音频模块、麦克风。

接下来让我们探讨一下I2S的关键特性以及该协议如何在微控制器中工作。

I2S连接

I2S协议使用三根线进行通信。发射器和接收器之间的连接如下所示。

字选择 (WS) 或帧选择(FS) 线：

由于I2S协议同时使用立体声操作，因此可以使用WS引脚选择左声道或右声道。一般情况下，如果WP引脚处于低电平状态，则选择通道1或左通道，反之，如果WS引脚处于高电平状态，则使用右通道。

如果不考虑上述通道选择引脚，I2 协议使用两个在任何串行接口中最常见的引脚。

串行数据引脚或SD：

I2S通信协议的第二根线是串行数据或承载数据信号的SD引脚。通过这条线传输数据采用2补码方式。

在I2S数据传输中，首先传输最高有效位 (MSB) ，这样做的原因很明显。在I2S中，从发送器传输到接收器，数据可以采用不同的字长。

因此，如果首先发送MSB，则发送器和接收器将不存在知道传输或传入多少位的相关性。

这就产生了一个新问题，因为接收器和发送器不知道字长，所以匹配数据变得困难，因为在数据传输过程中由于噪声和其他因素可能会丢失数据。这可以使用WS引脚解决。如果接收器的 WS大于发送器的WS，则该字被截断，最低有效数据位设置为0。如果接收器的WS小于发送器的WS，则LSB之后的位被忽略。

位时钟线或BCLK：

I2S 通信的最后一个也是最重要的引脚是串行时钟 (SCK)，也称为位时钟线 (BCLK)。顾名思义，它是一个时钟引脚，在串行数据通信协议中很重要。

它用于在同一循环中获取所有组件。BCLK线频率取决于采样率、每通道位数以及它使用的通道数。

I2S 时序图

在下图中，显示了时序：

在上面的时序图中，显示了三根线：BCLK、WS、SD。 BCLK 将为I2S线提供所需的时钟周期。 WS将其状态从右声道更改为左声道。

数据通过I2S传输，并在每个时钟周期发送。在I2S数据线的一个时钟周期开始传输MSB之前，WS引脚将其状态从一个通道更改为另一通道。这是因为接收器需要时间来存储先前发送的字并清除寄存器。

ESP32中的I2S控制器功能

ESP32是一种广受欢迎的低成本、支持WiFi和蓝牙的32位微控制器单元，支持I2S功能。

下面是ESP32的I2S控制器功能的完整列表。

●    I2S 控制器驱动程序可以作为系统主机或从机运行。

●    它还能够充当I2S总线中的发送器或接收器。

●    ESP32有一个专用的 DMA 控制器，可以流式传输样本数据，而无需依赖CPU来复制和检查每个数据样本。

●    I2S外设也支持LCD。在此模式下，I2S数据开始通过并行总线进行通信。在某些LCD和相机模块中需要它。

I2S诺基亚音调发生器

让我们在I2S协议中连接一个扬声器，并使用ESP32 I2S生成一段诺基亚曲调。

然而，由于扬声器是一个模拟设备并且要驱动它，我们需要一个支持I2S的放大器；我们选择使用基于I2S的单声道放大器MAX98357A模块。

下图显示了模块的引脚排列。

模块的三个重要引脚是 BCLK、DIN 和 LRC。 DIN为数据输入引脚，与SD相同，LRC为左右声道选择引脚，与WS相同。

电路连接原理图如下：

ESP32的I2S示例代码

为了运行代码，sampleaac.h头文件包含转换为HEX格式的诺基亚曲调的aac。

头文件的格式是这样的:

1. const unsigned char sampleaac[] PROGMEM = { 0xFF, 0xF9, 0x5C, 0x80, 0x2E, …………. 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,
   
2. 0xF2
   
3. };

复制代码

首先包含所有头文件

1. #include "AudioGeneratorAAC.h"
   
2. #include "AudioOutputI2S.h"
   
3. #include "AudioFileSourcePROGMEM.h"
   
4. #include "sampleaac.h"

复制代码

我们使用音频生成器AAC库，该库使用I2S协议生成音频。这可以在下面的 GitHub 中找到：https://github.com/earlephilhower/ESP8266Audio

之后，根据之前提供的引脚图设置引脚。

1. #define Bit_Clock_BCLK 27
   
2. #define Word_Select_WS 26
   
3. #define Serial_Data_SD 25

复制代码

然后在setup函数中，设置I2S设备引脚。

1.   in = new AudioFileSourcePROGMEM(sampleaac, sizeof(sampleaac));
   
2.   aac = new AudioGeneratorAAC();
   
3.   out = new AudioOutputI2S();
   
4.   out -> SetGain(GAIN);
   
5.   out -> SetPinout(Bit_Clock_BCLK,Word_Select_WS,Serial_Data_SD);
   
6.   aac->begin(in, out);
   
7. }

复制代码

loop()函数一直循环播放示例AAC的音频。

1. void loop(){
   
2.   if (aac->isRunning()) {
   
3.             aac->loop();
   
4.   } else {
   
5.             aac -> stop();
   
6.             Serial.printf("Sound Generator\n");
   
7.             delay(1000);
   
8.   }
   
9. }

复制代码

使用I2S通信在ESP32上播放诺基亚曲调

现在我们知道了ESP32上的I2S通信是如何工作的，接下来就可以建立连接、上传代码并播放测试音频。在本文中，以诺基亚曲调为例。所有东西都已正确连接并准备好进行测试。

希望本文能帮助您在未来的所有项目中使用ESP32 I2S音频。如果您有任何问题，可以随时在本帖下面回复。

01q2f

您的代码我测试了一下，我的ESP32-s3，可以播放，但是要删除下面这句话，不知道为啥
  out -> SetGain(GAIN);

01q2f

01q2f 发表于 2022-11-22 15:43
您的代码我测试了一下，我的ESP32-s3，可以播放，但是要删除下面这句话，不知道为啥
  out -> SetGain(GAI ...

弄明白了，out -> SetGain(0.2);            //设置音量

范围是0.1~1之间，这里要输入明确的数值