簡介

在音頻處理領(lǐng)域，I2S是一種廣泛使用的通信協(xié)議，它專門用于芯片之間的音頻數(shù)據(jù)傳輸。ESP32 作為一款高性能的微控制器，不僅支持 I2S 通信，還提供了強大的硬件接口和靈活的軟件庫，使其成為音頻項目開發(fā)的理想選擇。本篇文章將介紹I2S的相關(guān)知識和使用ESP32驅(qū)動I2S音頻設(shè)備時比較常用的相關(guān)底層API函數(shù)。

I2S即Inter-IC Sound， 簡稱I2S，意思是芯片間音頻總線，它是由飛利浦開發(fā)的一種用于數(shù)字音頻設(shè)備的通信協(xié)議，常用于麥克風(fēng)、揚聲器、音頻處理器等設(shè)備之間的音頻數(shù)據(jù)傳輸。

為什么需要I2S？

傳統(tǒng)的音頻設(shè)備，像模擬電路，傳遞的是電壓信號，這種方式容易受到干擾，比如噪聲或者信號衰減。而數(shù)字音頻需要傳輸數(shù)據(jù)，通常是二進制的“0”和“1”，直接用模擬接口傳輸會很麻煩。而 I2S就是為了解決這個問題的一種數(shù)字音頻接口，它讓音頻數(shù)據(jù)的傳輸變得簡單、高效、而且抗干擾能力強。 使用 I2S可以很方便地把數(shù)字音頻信號從一個芯片傳遞到另一個芯片，對于開發(fā)者來講只需要配置好芯片的 I2S 模塊，就可以實現(xiàn)數(shù)字音頻數(shù)據(jù)的傳輸了。

關(guān)于音頻信號

在自然界中音頻信號是以模擬量的形式存在的，它是一種隨時間連續(xù)變化的物理量，為了減少外界的干擾我們需要把它變成數(shù)字量，我們一般可以通過一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器把它變成數(shù)字信號（圖1），數(shù)字信號在計算機或數(shù)字設(shè)備中以離散的數(shù)值形式表示和處理，比如用0和1的組合去表示，這里可以了解下PCM編碼，它是一種模擬信號數(shù)字化的方法

當(dāng)然我們也能通過一個數(shù)模轉(zhuǎn)換器把數(shù)字信號還原成模擬信號，以便在揚聲器上播放音頻（圖2）。

這樣音頻信號之間的傳遞就可以通過數(shù)字信號來進行了（圖3），可以減少外界對信號的干擾。

在音頻信號處理和傳輸中，有三個非常重要的參數(shù)決定了音頻質(zhì)量和設(shè)備性能：采樣率、分辨率和 音頻聲道。

采樣率

采樣率就是每秒采集聲音樣本的頻率，這個頻率越快，采樣的數(shù)字信號就越接近原始的聲音的信號，因為采樣的越快，離散數(shù)字曲線每個樣本值之間的過渡就越接近，曲線就會越平滑。這個過程和錄像是類似的，一個是采樣光，一個采樣振動。我們知道錄像其實就是一幀一幀的圖像快速播放，這個采樣速度很快，我們?nèi)庋鄯直娌涣?，看起來就是連續(xù)的。如果錄像時采樣的速度很慢，比如1秒采樣3次，那我們就會丟失掉很多畫面細(xì)節(jié)。采集聲音的時候也是如此，大家可以想象一下，如果采集頻率很慢，聽到的聲音會是什么樣子，會明顯感到聲音聽起來失真不連貫甚至變樣。

每秒鐘采集的音頻樣本數(shù)，常見的有8K、16K、44.1K等，采樣率越高，信號還原越精細(xì)，一般使用44.1KHz采樣頻率就可以得到比較高保真的聲音。

分辨率

對聲音數(shù)據(jù)采樣后，我們將得到一些離散的樣本點，那我們在一些數(shù)字設(shè)備是如何存儲這些樣本點的呢？我們采樣的數(shù)據(jù)是以二進制的形式存儲的，比如對于每一個采樣點我們用3位二進制來表示（圖4），那么它可以表示的范圍就是2^3=8 即8種量化電平信號(圖5)，可以簡單理解為：每個采樣點可以存儲 8種情況的聲音。如果量化位數(shù)越多，根據(jù)我們高中學(xué)過的排列組合知道，得到的樣本值就會越多，那它可以表示自然界聲音的細(xì)節(jié)就越多，或者說能表示的聲音就越豐富。

音頻數(shù)據(jù)的量化位數(shù)或量化深度，常見的有8bit、16bit、24bit、32bit等，位數(shù)越高，信號的動態(tài)范圍和精細(xì)程度越好

音頻聲道

分為單聲道，雙聲道，單聲道是一種只有一個音頻信號通道，所有聲音都合并到一個通道中輸出，無論是通過一個揚聲器還是兩個揚聲器，聽到的聲音是完全相同的。雙聲道分為左聲道和右聲道，具有兩個獨立音頻通道，左聲道和右聲道可以傳遞不同的聲音信號，具有空間感和方向感，也就是我們平常說的立體聲。

怎樣使用I2S傳輸音頻？

使用I2S傳輸音頻的時候，需要用到時鐘信號、控制信號以及數(shù)據(jù)信號(圖6)，它們之間是分開傳輸?shù)?。對于?biāo)準(zhǔn)通信模式下的 I2S 總線主要包含以下幾個信號：位時鐘BCLK，字時鐘WS，串行數(shù)據(jù)SD。有的時候還需要MCLK：主時鐘線，該信號線可選，具體取決于從機，主要用于向 I2S 從機提供參考時鐘。
~(注意這幾種信號有幾種其它叫法，這里結(jié)合英文選擇了這幾個名稱，大家只要在使用能區(qū)分就行)~~

位時鐘BCLK

BCLK（Bit Clock，位時鐘）
也叫BCK, SCLK(Serial Clock),對應(yīng)數(shù)字音頻的每一位數(shù)據(jù)，是模塊內(nèi)的同步信號

BCLK 定義了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾剩脕砜刂茢?shù)據(jù)的傳輸節(jié)奏。它的頻率通常是采樣率乘以每個采樣的位數(shù)再乘以聲道數(shù)量。例如，對于 44.1kHz 的采樣率、16 位雙聲道音頻，BCLK 的頻率為 44.1kHz × 16 × 2= 1.4112 MHz。所以對于雙聲道來說，BCLK的頻率=2×采樣頻率×采樣位數(shù)。

字時鐘WS

WS(Word Select , 字選擇時鐘)
也叫 LRCLK （Left Right Clock）即左右聲道時鐘， 用于標(biāo)識當(dāng)前正在傳輸?shù)氖亲舐暤罃?shù)據(jù)還是右聲道數(shù)據(jù)。對于飛利浦公司定義的I2S標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng) WS 為低電平時表示左聲道，高電平時表示右聲道。一個完整的 WS 信號周期包含兩個聲道的數(shù)據(jù)（左聲道和右聲道）

WS 信號的頻率等于音頻的采樣率。
例如，如果音頻采樣率是 44.1kHz，那么 WS 的頻率也是 44.1kHz。

串行數(shù)據(jù)SD

SD（Serial Data，串行數(shù)據(jù)）
i2s傳輸時的音頻數(shù)據(jù)，是用二進制補碼表示的，具體數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷街饕ǎ篒2S格式，左對齊格式，右對齊格式,

每個 BCK 周期會傳輸一位數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)發(fā)送端和接收端會根據(jù) BCK 信號的跳變（上升沿或下降沿）同步數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。當(dāng) WS 為低電平時，SD 傳輸左聲道數(shù)據(jù)；當(dāng) WS 為高電平時，SD 傳輸右聲道數(shù)據(jù)。

比如我們傳輸16 位雙聲道音頻，SD數(shù)據(jù)為1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 1

它表示

• 每個 BCK 周期傳輸一位音頻數(shù)據(jù)。
• 當(dāng) WS 為低電平時，SD 按位傳輸左聲道的 16 位數(shù)據(jù)1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 0 0 1
• 當(dāng) WS 為高電平時，SD 按位傳輸右聲道的 16 位數(shù)據(jù) 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 1，

個人總結(jié)

字時鐘：高低電平翻轉(zhuǎn)，總線在傳輸雙聲道音頻 0為左， 1為右，字時鐘的頻率=采樣率
位時鐘：串行數(shù)據(jù)線的信號會在位時鐘上升沿被采樣，位時鐘的頻率=2×采樣率×采樣位數(shù)。
串行數(shù)據(jù)：用二進制補碼表示的音頻數(shù)據(jù)，先傳輸高位，再傳輸?shù)臀唬?br /> Tips:字時鐘和位時鐘都是由主機發(fā)送

了解了I2S是如何傳輸后，我們再來看看他的傳輸模型和通信格式。

I2S傳輸模型

I2S通信支持全雙工和半雙工通信，支持主/從模式。主設(shè)備就是發(fā)送時鐘的，從設(shè)備在時鐘的控制下發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)。

連接到I2S總線的設(shè)備可以分為兩類：

控制器——控制 SCK 和 WS 信號。
目標(biāo)設(shè)備——接收 SCK 和 WS 信號

總線上只能有一個控制器，但是總線可以有多個目標(biāo)設(shè)備。

音頻設(shè)備，可以分為三類：

發(fā)射器——發(fā)送音頻信號。
接收器——接收音頻信號。
控制器——控制音頻信號

這里我們至少需要一個發(fā)射器和接收器，控制器是可選的，主要用于向 I2S 從機提供參考時鐘

根據(jù)I2S總線誰作為控制器，誰作為目標(biāo)設(shè)備，我們可以有三種I2S傳輸模型：

1. 發(fā)射器作為控制器， 接收器作為目標(biāo)設(shè)備

2. 發(fā)射器作為目標(biāo)設(shè)備，接收器作為控制器

3. 發(fā)射器和接收器都作為目標(biāo)設(shè)備，其他I2S控制器作為控制器

總結(jié)：三種經(jīng)典I2S傳輸模型

I2S通信格式

PCM510xA 支持行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的音頻數(shù)據(jù)格式，包括標(biāo)準(zhǔn) I2S 和 左對齊（Left-justified） 格式等。

I2S格式

I2S格式：又稱飛利浦格式（圖7），數(shù)據(jù)最高位總是出現(xiàn)在字時鐘變化后的第二個位時鐘脈沖處（滯后一個位時鐘），這種格式下數(shù)據(jù)MSB的位置是確定的，LSB的位置取決于字長。

左對齊格式

左對齊格式(圖8)：數(shù)據(jù)最高位出現(xiàn)在字時鐘變化后的第一個位時鐘脈沖處（無滯后位時鐘）

右對齊格式

右對齊格式：又稱日本格式，這種格式和左對齊差不多，只不過整體是靠右對齊的，即數(shù)據(jù)LSB與WCLK跳變沿對齊。

i2s基本配置

①，i2s的時鐘使能和GPIO口配置 ②，配置為i2s模式
③，i2s標(biāo)準(zhǔn)，無論有多少位有效數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)的最高位總是出現(xiàn)在WS變化（也就是一幀開始）后的第2個CK脈沖處。
④，i2s數(shù)據(jù)長度，包括16位，16位擴展（16位數(shù)據(jù)以32位包發(fā)送），24位，32位。 ⑤，設(shè)置i2s時鐘
⑥，設(shè)置i2s空閑狀態(tài)下時鐘電平 ⑦，i2s使能

i2s 底層API

這里我們以ESP32 I2S通信為例，開發(fā)環(huán)境是Arduino IDE，介紹它的相關(guān)底層API，在我們調(diào)庫的時候下面這些函數(shù)會被調(diào)用，我們看一下它的實現(xiàn)過程。

加載I2S驅(qū)動

函數(shù)原型：

esp_err_t i2s_driver_install(i2s_port_t i2s_num, const i2s_config_t *i2s_config, int queue_size, void *i2s_queue)

參數(shù)說明：：

i2s_port_t i2s_num：指定使用的 I2S 外設(shè)端口。i2s_port_t 是 I2S 外設(shè)端口的枚舉類型，有兩個端口可用：I2S_NUM_0 和 I2S_NUM_1，對應(yīng) ESP32 的第一個和第二個 I2S 外設(shè)。

const i2s_config_t * i2s_config : 設(shè)置I2S 外設(shè)的配置參數(shù)。其中i2s_config_t 是一個結(jié)構(gòu)體，定義了 I2S 外設(shè)的配置選項，這里我們只看常用的配置選項就可以了，主要包括mode、 sample_rate、bits_per_sample等，如下：

int queue_size： 數(shù)據(jù)傳輸?shù)年犃械拇笮oid * i2s_queue：存放和管理 I2S 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

這個函數(shù)有一個esp_err_t 的返回值，如果返回ESP_OK表示加載I2S驅(qū)動成功。

設(shè)置I2S使用的引腳

函數(shù)原型：

參數(shù)說明：

i2s_port_t i2s_num：指定使用的 I2S 外設(shè)端口，I2S_NUM_0 或I2S_NUM_1。

i2s_pin_config_t * pin：配置I2S接口的各個引腳，i2s_pin_config_t 是一個結(jié)構(gòu)體，里面是關(guān)于I2S引腳，如時鐘引腳，左右聲道選擇引腳，數(shù)據(jù)輸入引腳等引腳的配置。如下：

I2S讀取數(shù)據(jù)

函數(shù)原型：

參數(shù)說明：i2s_port_t i2s_num：I2S_NUM_0 或I2S_NUM_1。

void * dest：讀取目標(biāo)數(shù)據(jù)的緩存區(qū)

size_t size：要讀取的數(shù)據(jù)大小，單位是字節(jié)

size_t * bytes_read：實際讀取到的字節(jié)數(shù)

TickType_t ticks_to_wait：超時等待時間，因為I2S是按一定頻率讀取數(shù)據(jù)的，如果一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)很多就需要等待，這個參數(shù)一般寫入portMAX_DELAY 表示無限等待。

如果返回ESP_OK表示I2S讀取數(shù)據(jù)成功。

I2S發(fā)送數(shù)據(jù)

函數(shù)原型：

參數(shù)說明：i2s_port_t i2s_num：I2S_NUM_0 或I2S_NUM_1。

const void *src：寫入源數(shù)據(jù)的緩存區(qū)

size_t size：要寫入的數(shù)據(jù)大小，單位是字節(jié)

size_t *bytes_written：實際寫入的字節(jié)數(shù)

TickType_t ticks_to_wait：超時等待時間，因為I2S是按一定頻率發(fā)送數(shù)據(jù)的，如果一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)很多就需要等待，這個參數(shù)一般寫入portMAX_DELAY 表示無限等待。

卸載I2S驅(qū)動

函數(shù)原型：

參數(shù)說明： 卸載I2S驅(qū)動的話我們只需要傳入I2S端口就行了。

i2s_port_t i2s_num：指定使用的 I2S 外設(shè)端口。i2s_port_t 是 I2S 外設(shè)端口的枚舉類型，有兩個端口可用：I2S_NUM_0 和 I2S_NUM_1，對應(yīng) ESP32 的第一個和第二個 I2S 外設(shè)。

總結(jié)

以上我們介紹了I2S的相關(guān)知識和配置的相關(guān)函數(shù)，下篇文章我們來看一下一個使用ESP32驅(qū)動I2S設(shè)備的小案例！這系列的文章主要是分享一下本人學(xué)習(xí)過程的相關(guān)知識，如果有錯誤可以交流學(xué)習(xí)下！

審核編輯 黃宇