SOC-ESP32S3部分：30-I2S音频-麦克风扬声器驱动

news2025/7/27 13:45:29

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I2S简介

I2S（Inter-Integrated Circuit Sound）是一种用于传输数字音频数据的通信协议，广泛应用于音频设备中。

ESP32-S3 包含 2 个 I2S 外设，通过配置这些外设，可以借助 I2S 驱动来输入和输出采样数据。

SP32-S3 的 I2S 外设支持多种模式，适用于不同的音频应用场景：

  • 标准 I2S 模式：适用于大多数立体声音频设备。
  • PDM 模式：适用于数字麦克风等低功耗设备。
  • TDM 模式：适用于多声道音频系统。
标准 I2S 模式
作用：标准 I2S 模式是最常用的音频传输模式，支持立体声数据传输。数据帧包括左右声道信息，适用于大多数音频设备。
应用场景：
音频 DAC/ADC 接口（如连接扬声器或麦克风）。
与音频编解码器通信（如 ESP32-S3 与外部音频芯片的通信）。
立体声音频播放或录制。

PDM（Pulse Density Modulation）模式
作用：PDM 是一种单比特数据流格式，通过高采样率表示音频信号的幅度。PDM 数据需要转换为 PCM 格式后才能使用。
应用场景：
数字麦克风接口（如 MEMS 麦克风）。
低功耗音频采集设备。
需要高采样率但数据量较小的场景。

TDM（Time Division Multiplexing）模式
作用：TDM 模式通过时分复用技术支持多声道音频传输。数据帧被划分为多个时隙，每个时隙对应一个声道。
应用场景：
多声道音频系统（如家庭影院、环绕声系统）。
需要同时传输多个音频信号的场景（如多麦克风阵列）。
与多声道音频编解码器通信。

线序说明：

标准或 TDM 通信模式下的 I2S 总线包含以下几条线路：

  • MCLK：主时钟线。该信号线可选，具体取决于从机，主要用于向 I2S 从机提供参考时钟。
  • BCLK：位时钟线。用于数据线的位时钟。
  • WS/LRCLK：字（声道）选择线。通常用于识别声道（除 PDM 模式外）。
  • DIN/DOUT：串行数据输入/输出线。如果 DIN 和 DOUT 被配置到相同的 GPIO，数据将在内部回环。

PDM 通信模式下的 I2S 总线包含以下几条线路：

  • CLK：PDM 时钟线。
  • DIN/DOUT：串行数据输入/输出线。

如何选择合适的I2S模式？

对于ESP32S3来说，很多时候都是作为主机端，采集麦克风的声音，或者通过功放播放声音，此时应该如何选择模式呢？这就要看我们的外设电路了，拿麦克风举例，

如果我们直接用PDM MEMS数字麦克风，例如ST的MP34DT05，这颗数字麦支持PDM协议，那我们就选择PDM模式，MIC使用PDM RX

如果我们接的是ES8311这颗Codec芯片，这颗芯片支持一路ADC模拟MIC输入，一路DAC，可以理解为把上方的NS4168集成一起了，这颗芯片是支持I2S模式的，这时候我们就选择标准I2S模式。

如果我们需要多通道音频采集，例如使用ES7210芯片，这颗芯片支持TDM协议，那我们就选择TDM模式

ESP32S3有两个I2S，I2S0/1各支持什么模式？

芯片I2S 标准PDM TXPDM RXTDM
ESP32I2S 0/1I2S 0I2S 0无
ESP32-S2I2S 0无无无
ESP32-C3I2S 0I2S 0无I2S 0
ESP32-C6I2S 0I2S 0无I2S 0
ESP32-S3I2S 0/1I2S 0I2S 0I2S 0/1
ESP32-H2I2S 0I2S 0无I2S 0
ESP32-P4I2S 0~2I2S 0I2S 0I2S 0~2
ESP32-C5I2S 0I2S 0I2S 0I2S 0
ESP32-C61I2S 0I2S 0I2S 0I2S 0

前面我们根据外设电路确定了I2S的模式，例如我们外设是ES8311，我们选择TDM(标准模式)

I2S标准模式

ESP32S3标准模式下支持多种数据格式：

标准模式中有且仅有左右两个声道，驱动中将声道称为 slot。这些声道可以支持 8/16/24/32 位宽的采样数据，声道的通信格式主要包括以下几种：

  • Philips 格式（常用)
  • MSB 格式
  • PCM 帧同步格式

如何选择这些格式呢？其实主要是根据外设支持的模式来选用的，我们逐个模式了解下”

Philips 格式（常用)

  • Philips 格式（常用）：数据信号与 WS 信号相比有一个位的位移。WS 信号的占空比为 50%。

data_bit_width：数据位宽

slot_bit_width：声道位宽

在 I2S 时序图中：

  • data_bit_width 决定了有效数据的长度。
  • slot_bit_width 决定了每个声道数据占用的总位数（包括填充位）。

例如：

  • 如果 data_bit_width = 24，slot_bit_width = 32，时序图可能如下：
WS:   0         1         0         1
SCK: _|‾|_|‾|_|‾|_|‾|_|‾|_|‾|_|‾|_|‾|_
SD:  00000000XXXXXXXX|00000000YYYYYYYY
     填充位  左声道   填充位  右声道

MSB 格式

与 Philips 格式基本相同，但其数据没有位移。

PCM 帧同步

数据有一个位的位移，同时 WS 信号变成脉冲，持续一个 BCLK 周期。

例如：

ES8311支持以下四种数据格式， 标准I2S（Philips格式），左对齐，右对齐，PCM格式，这些模式可以通过芯片的I2C接口进行配置，如果我们配置为 标准I2S（Philips格式），那ESP32端也配置为对应角色。

那如何通过代码配置呢？我们可以参考下方图：

I2S 通道有三种状态，分别为 registered（已注册）、 ready（准备就绪） 和 running（运行中），它们的关系如下图所示：

I2S标准模式-Philips格式初始化代码如下：

static esp_err_t i2s_driver_init(void)
{
    // 配置I2S通道
    // 使用默认配置，指定I2S编号和主模式
    i2s_chan_config_t chan_cfg = I2S_CHANNEL_DEFAULT_CONFIG(I2S_NUM, I2S_ROLE_MASTER);
   
    // 启用自动清除DMA缓冲区中的遗留数据
    chan_cfg.auto_clear = true;
   
    // 创建一个新的I2S通道，并将返回的发送和接收通道句柄分别存储在tx_handle和rx_handle中
    ESP_ERROR_CHECK(i2s_new_channel(&chan_cfg, &tx_handle, &rx_handle));

    // 配置标准I2S模式
    i2s_std_config_t std_cfg = {
        // 设置时钟配置，使用默认的标准I2S时钟配置，并根据EXAMPLE_SAMPLE_RATE配置采样率
        .clk_cfg = I2S_STD_CLK_DEFAULT_CONFIG(EXAMPLE_SAMPLE_RATE),
       
        // 设置槽位配置，使用默认的Philips标准槽位配置，16位数据宽度和立体声模式
        .slot_cfg = I2S_STD_PHILIPS_SLOT_DEFAULT_CONFIG(I2S_DATA_BIT_WIDTH_16BIT, I2S_SLOT_MODE_STEREO),
       
        // 设置GPIO配置，指定各个I2S信号的GPIO引脚，并配置信号不反转
        .gpio_cfg = {
            .mclk = I2S_MCK_IO,  // 主时钟引脚
            .bclk = I2S_BCK_IO,  // 位时钟引脚
            .ws = I2S_WS_IO,     // 左右声道选择引脚
            .dout = I2S_DO_IO,   // 数据输出引脚
            .din = I2S_DI_IO,    // 数据输入引脚
            .invert_flags = {
                .mclk_inv = false, // 主时钟不反转
                .bclk_inv = false, // 位时钟不反转
                .ws_inv = false,   // 左右声道选择信号不反转
            },
        },
    };

    // 设置主时钟的倍数
    std_cfg.clk_cfg.mclk_multiple = EXAMPLE_MCLK_MULTIPLE;

    // 初始化发送通道为标准I2S模式
    ESP_ERROR_CHECK(i2s_channel_init_std_mode(tx_handle, &std_cfg));

    // 初始化接收通道为标准I2S模式
    ESP_ERROR_CHECK(i2s_channel_init_std_mode(rx_handle, &std_cfg));

    // 启用发送通道
    ESP_ERROR_CHECK(i2s_channel_enable(tx_handle));

    // 启用接收通道
    ESP_ERROR_CHECK(i2s_channel_enable(rx_handle));
}

配置完I2S模式后，我们还需要通过IIC初始化ES8311，对于这个音频芯片，ESP32官方封装成组件形式，我们是可以直接使用的。直接在工程目录下执行

idf.py add-dependency "espressif/es8311^1.0.0"

就会生成idf_component.yml文件

## IDF Component Manager Manifest File
dependencies:
  ## Required IDF version
  idf:
    version: '>=4.1.0'
  # # Put list of dependencies here
  # # For components maintained by Espressif:
  # component: "~1.0.0"
  # # For 3rd party components:
  # username/component: ">=1.0.0,<2.0.0"
  # username2/component2:
  #   version: "~1.0.0"
  #   # For transient dependencies `public` flag can be set.
  #   # `public` flag doesn't have an effect dependencies of the `main` component.
  #   # All dependencies of `main` are public by default.
  #   public: true
  espressif/es8311: ^1.0.0

此时执行下方指令，就会自动下载该库到工程demo/managed_components文件夹中，这里面就是这个器件驱动的源码。

idf.py reconfigure

组件库文档说明：

https://docs.espressif.com/projects/esp-idf/zh_CN/v5.4/esp32/api-guides/tools/idf-component-manager.html

更多组件库参考：

https://components.espressif.com/

在这里，我们也可以看到ESP32生态的优势，

  • 对于外设传感器、芯片厂家，我们可以提交自己芯片的驱动组件到官方组件库。
  • 对于开发者，可以快速使用对应组件完成项目开发，当然你也可以制作组件提交或者自定义本地组件。

组件的架构，也可以解耦不同的芯片平台，解耦不同的项目，把业务层和驱动层完全分离开来，加速开发。

添加组件到本地后，我们就可以进行初始化配置了，下面来看看如何实现一个本地音频播放功能

demo/main/CMakeLists.txt添加音频文件，音频文件位于esp-idf/examples/peripherals/i2s/i2s_codec/i2s_es8311/main/canon.pcm

idf_component_register(
                    SRCS "main.c"
                    INCLUDE_DIRS "."
                    EMBED_FILES "canon.pcm"
                    )

实现音频播放代码如下：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include "sdkconfig.h"
#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"
#include "driver/i2s_std.h"
#include "esp_system.h"
#include "esp_check.h"
#include "es8311.h"

/* Example configurations */
#define EXAMPLE_SAMPLE_RATE (16000)                                        // 音频采样率，采样率被设置为16000 Hz，即每秒采样16000次。
#define EXAMPLE_MCLK_MULTIPLE (384)                                        // 主时钟频率是采样率的倍数，用于驱动I2S接口。MCLK的倍数被设置为384。这意味着主时钟频率将是采样率的384倍。如果数据宽度不是24位，256倍数可能已经足够。
#define EXAMPLE_MCLK_FREQ_HZ (EXAMPLE_SAMPLE_RATE * EXAMPLE_MCLK_MULTIPLE) // 主时钟的频率
#define EXAMPLE_VOICE_VOLUME 90                                            // 音量，控制输出音量的大小。
#define EXAMPLE_MIC_GAIN ES8311_MIC_GAIN_0DB                               // 麦克风增益

/* I2C port and GPIOs */
#define I2C_NUM (0)
#define I2C_SCL_IO (GPIO_NUM_5)
#define I2C_SDA_IO (GPIO_NUM_7)
/* I2S port and GPIOs */
#define I2S_NUM (0)
#define I2S_MCK_IO (GPIO_NUM_6)
#define I2S_BCK_IO (GPIO_NUM_14)
#define I2S_WS_IO (GPIO_NUM_12)
#define I2S_DO_IO (GPIO_NUM_11)
#define I2S_DI_IO (GPIO_NUM_13)

#define SPKER_CTRL_PIN    GPIO_NUM_10
#define SPKER_CTRL_PIN_SEL  (1ULL<<SPKER_CTRL_PIN)

static const char *TAG = "i2s_es8311";
static i2s_chan_handle_t tx_handle = NULL;
static i2s_chan_handle_t rx_handle = NULL;

extern const uint8_t music_pcm_start[] asm("_binary_canon_pcm_start");
extern const uint8_t music_pcm_end[] asm("_binary_canon_pcm_end");

static esp_err_t es8311_codec_init(void)
{
    /* 初始化I2C外设 */
    const i2c_config_t es_i2c_cfg = {
        .sda_io_num = I2C_SDA_IO,            // SDA引脚编号
        .scl_io_num = I2C_SCL_IO,            // SCL引脚编号
        .mode = I2C_MODE_MASTER,             // I2C模式为主模式
        .sda_pullup_en = GPIO_PULLUP_ENABLE, // 启用SDA引脚的上拉电阻
        .scl_pullup_en = GPIO_PULLUP_ENABLE, // 启用SCL引脚的上拉电阻
        .master.clk_speed = 100000,          // I2C主时钟速度为100 kHz
    };
    // 配置I2C参数
    ESP_RETURN_ON_ERROR(i2c_param_config(I2C_NUM, &es_i2c_cfg), TAG, "config i2c failed");
    // 安装I2C驱动
    ESP_RETURN_ON_ERROR(i2c_driver_install(I2C_NUM, I2C_MODE_MASTER, 0, 0, 0), TAG, "install i2c driver failed");
    // 初始化ES8311编解码器 创建ES8311句柄，使用I2C_NUM和ES8311的地址
    es8311_handle_t es_handle = es8311_create(I2C_NUM, ES8311_ADDRRES_0);
    ESP_RETURN_ON_FALSE(es_handle, ESP_FAIL, TAG, "es8311 create failed");
    // 配置ES8311的时钟
    const es8311_clock_config_t es_clk = {
        .mclk_inverted = false,                 // 主时钟不反转
        .sclk_inverted = false,                 // 位时钟不反转
        .mclk_from_mclk_pin = true,             // 主时钟从MCLK引脚获取
        .mclk_frequency = EXAMPLE_MCLK_FREQ_HZ, // 主时钟频率
        .sample_frequency = EXAMPLE_SAMPLE_RATE // 采样频率
    };
    // 初始化ES8311编解码器
    ESP_ERROR_CHECK(es8311_init(es_handle, &es_clk, ES8311_RESOLUTION_16, ES8311_RESOLUTION_16));
    // 配置ES8311的采样频率
    ESP_RETURN_ON_ERROR(es8311_sample_frequency_config(es_handle, EXAMPLE_SAMPLE_RATE * EXAMPLE_MCLK_MULTIPLE, EXAMPLE_SAMPLE_RATE), TAG, "set es8311 sample frequency failed");
    // 设置ES8311的音量
    ESP_RETURN_ON_ERROR(es8311_voice_volume_set(es_handle, EXAMPLE_VOICE_VOLUME, NULL), TAG, "set es8311 volume failed");
    // 配置ES8311的麦克风
    ESP_RETURN_ON_ERROR(es8311_microphone_config(es_handle, false), TAG, "set es8311 microphone failed");
    // 设置ES8311的麦克风增益
    ESP_RETURN_ON_ERROR(es8311_microphone_gain_set(es_handle, EXAMPLE_MIC_GAIN), TAG, "set es8311 microphone gain failed");
    return ESP_OK;
}

static esp_err_t i2s_driver_init(void)
{
    // 指定I2S编号和主模式
    i2s_chan_config_t chan_cfg = I2S_CHANNEL_DEFAULT_CONFIG(I2S_NUM, I2S_ROLE_MASTER);
    // 启用自动清除DMA缓冲区中的遗留数据
    chan_cfg.auto_clear = true;
    // 创建一个新的I2S通道，并将返回的发送和接收通道句柄分别存储在tx_handle和rx_handle中
    ESP_ERROR_CHECK(i2s_new_channel(&chan_cfg, &tx_handle, &rx_handle));
    // 配置标准I2S模式
    i2s_std_config_t std_cfg = {
        // 设置时钟配置，使用默认的标准I2S时钟配置，并根据EXAMPLE_SAMPLE_RATE配置采样率
        .clk_cfg = I2S_STD_CLK_DEFAULT_CONFIG(EXAMPLE_SAMPLE_RATE),
        // 设置槽位配置，使用默认的Philips标准槽位配置，16位数据宽度和立体声模式
        .slot_cfg = I2S_STD_PHILIPS_SLOT_DEFAULT_CONFIG(I2S_DATA_BIT_WIDTH_16BIT, I2S_SLOT_MODE_STEREO),
        // 设置GPIO配置，指定各个I2S信号的GPIO引脚，并配置信号不反转
        .gpio_cfg = {
            .mclk = I2S_MCK_IO, // 主时钟引脚
            .bclk = I2S_BCK_IO, // 位时钟引脚
            .ws = I2S_WS_IO,    // 左右声道选择引脚
            .dout = I2S_DO_IO,  // 数据输出引脚
            .din = I2S_DI_IO,   // 数据输入引脚
            .invert_flags = {
                .mclk_inv = false, // 主时钟不反转
                .bclk_inv = false, // 位时钟不反转
                .ws_inv = false,   // 左右声道选择信号不反转
            },
        },
    };
    // 设置主时钟的倍数
    std_cfg.clk_cfg.mclk_multiple = EXAMPLE_MCLK_MULTIPLE;
    // 初始化发送通道为标准I2S模式
    ESP_ERROR_CHECK(i2s_channel_init_std_mode(tx_handle, &std_cfg));
    // 初始化接收通道为标准I2S模式
    ESP_ERROR_CHECK(i2s_channel_init_std_mode(rx_handle, &std_cfg));
    // 启用发送通道
    ESP_ERROR_CHECK(i2s_channel_enable(tx_handle));
    // 启用接收通道
    ESP_ERROR_CHECK(i2s_channel_enable(rx_handle));
    return ESP_OK;
}

static void i2s_music(void *args)
{
    esp_err_t ret = ESP_OK;
    size_t bytes_write = 0;
    uint8_t *data_ptr = (uint8_t *)music_pcm_start;
    // 禁用发送通道
    ESP_ERROR_CHECK(i2s_channel_disable(tx_handle));
    // 预加载数据到发送通道
    ESP_ERROR_CHECK(i2s_channel_preload_data(tx_handle, data_ptr, music_pcm_end - data_ptr, &bytes_write));
    // 移动数据指针
    data_ptr += bytes_write;
    // 启用发送通道
    ESP_ERROR_CHECK(i2s_channel_enable(tx_handle));
    while (1)
    {
        // 将音乐数据写入发送通道
        ret = i2s_channel_write(tx_handle, data_ptr, music_pcm_end - data_ptr, &bytes_write, portMAX_DELAY);
        if (ret != ESP_OK)
        {
            ESP_LOGE(TAG, "[music] i2s write failed");
            abort(); // 终止程序
        }
        if (bytes_write > 0)
        {
            ESP_LOGI(TAG, "[music] i2s music played, %d bytes are written.", bytes_write);
        }
        else
        {
            // 记录播放失败的日志
            ESP_LOGE(TAG, "[music] i2s music play failed.");
            abort(); // 终止程序
        }
        data_ptr = (uint8_t *)music_pcm_start; // 重置数据指针到音乐数据的起始位置
        vTaskDelay(1000 / portTICK_PERIOD_MS); // 延迟1秒
    }
    vTaskDelete(NULL); // 删除任务
}

void app_main(void)
{
    gpio_config_t io_conf = {};
    io_conf.intr_type = GPIO_INTR_DISABLE;
    io_conf.mode = GPIO_MODE_OUTPUT;
    io_conf.pin_bit_mask = SPKER_CTRL_PIN_SEL;
    io_conf.pull_down_en = 0;
    io_conf.pull_up_en = 0;
    gpio_config(&io_conf);
    gpio_set_level(SPKER_CTRL_PIN, 1);

    printf("i2s es8311 codec example start\n-----------------------------\n");
    /* 初始化I2S外设 */
    if (i2s_driver_init() != ESP_OK)
    {
        ESP_LOGE(TAG, "i2s driver init failed");
        abort(); // 终止程序
    }
    else
    {
        ESP_LOGI(TAG, "i2s driver init success");
    }
    /* 初始化I2C外设并配置ES8311编解码器 */
    if (es8311_codec_init() != ESP_OK)
    {
        ESP_LOGE(TAG, "es8311 codec init failed");
        abort(); // 终止程序
    }
    else
    {
        ESP_LOGI(TAG, "es8311 codec init success");
    }
    /* 音乐播放任务 */
    xTaskCreate(i2s_music, "i2s_music", 4096, NULL, 5, NULL);
}

这个代码运行时，需要我们接上喇叭！这部分的功能不需要底板了，我们可以把核心板拆下来，接上喇叭，仅用USB供电即可。

然后烧录运行，就会重复播放音乐。

实现边录音边播放功能

上方的程序仅用到播放功能，如果我们需要使用麦克风功能呢？那我们就可以使用下方的程序，实现边录音边播放功能。

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include "sdkconfig.h"
#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"
#include "driver/i2s_std.h"
#include "esp_system.h"
#include "esp_check.h"
#include "es8311.h"

/* Example configurations */
#define EXAMPLE_SAMPLE_RATE (16000)                                        // 音频采样率，采样率被设置为16000 Hz，即每秒采样16000次。
#define EXAMPLE_MCLK_MULTIPLE (384)                                        // 主时钟频率是采样率的倍数，用于驱动I2S接口。MCLK的倍数被设置为384。这意味着主时钟频率将是采样率的384倍。如果数据宽度不是24位，256倍数可能已经足够。
#define EXAMPLE_MCLK_FREQ_HZ (EXAMPLE_SAMPLE_RATE * EXAMPLE_MCLK_MULTIPLE) // 主时钟的频率
#define EXAMPLE_VOICE_VOLUME 90                                            // 音量，控制输出音量的大小。
#define EXAMPLE_MIC_GAIN ES8311_MIC_GAIN_0DB                               // 麦克风增益
#define EXAMPLE_RECV_BUF_SIZE   (2400)                                     // MIC接收缓冲区大小
/* I2C port and GPIOs */
/* I2C port and GPIOs */
#define I2C_NUM (0)
#define I2C_SCL_IO (GPIO_NUM_5)
#define I2C_SDA_IO (GPIO_NUM_7)
/* I2S port and GPIOs */
#define I2S_NUM (0)
#define I2S_MCK_IO (GPIO_NUM_6)
#define I2S_BCK_IO (GPIO_NUM_14)
#define I2S_WS_IO (GPIO_NUM_12)
#define I2S_DO_IO (GPIO_NUM_11)
#define I2S_DI_IO (GPIO_NUM_13)
#define SPKER_CTRL_PIN    GPIO_NUM_10
#define SPKER_CTRL_PIN_SEL  (1ULL<<SPKER_CTRL_PIN)
 

static const char *TAG = "i2s_es8311";
static i2s_chan_handle_t tx_handle = NULL;
static i2s_chan_handle_t rx_handle = NULL;

extern const uint8_t music_pcm_start[] asm("_binary_canon_pcm_start");
extern const uint8_t music_pcm_end[] asm("_binary_canon_pcm_end");

static esp_err_t es8311_codec_init(void)
{
    /* 初始化I2C外设 */
    const i2c_config_t es_i2c_cfg = {
        .sda_io_num = I2C_SDA_IO,            // SDA引脚编号
        .scl_io_num = I2C_SCL_IO,            // SCL引脚编号
        .mode = I2C_MODE_MASTER,             // I2C模式为主模式
        .sda_pullup_en = GPIO_PULLUP_ENABLE, // 启用SDA引脚的上拉电阻
        .scl_pullup_en = GPIO_PULLUP_ENABLE, // 启用SCL引脚的上拉电阻
        .master.clk_speed = 100000,          // I2C主时钟速度为100 kHz
    };
    // 配置I2C参数
    ESP_RETURN_ON_ERROR(i2c_param_config(I2C_NUM, &es_i2c_cfg), TAG, "config i2c failed");
    // 安装I2C驱动
    ESP_RETURN_ON_ERROR(i2c_driver_install(I2C_NUM, I2C_MODE_MASTER, 0, 0, 0), TAG, "install i2c driver failed");
    // 初始化ES8311编解码器 创建ES8311句柄，使用I2C_NUM和ES8311的地址
    es8311_handle_t es_handle = es8311_create(I2C_NUM, ES8311_ADDRRES_0);
    ESP_RETURN_ON_FALSE(es_handle, ESP_FAIL, TAG, "es8311 create failed");
    // 配置ES8311的时钟
    const es8311_clock_config_t es_clk = {
        .mclk_inverted = false,                 // 主时钟不反转
        .sclk_inverted = false,                 // 位时钟不反转
        .mclk_from_mclk_pin = true,             // 主时钟从MCLK引脚获取
        .mclk_frequency = EXAMPLE_MCLK_FREQ_HZ, // 主时钟频率
        .sample_frequency = EXAMPLE_SAMPLE_RATE // 采样频率
    };
    // 初始化ES8311编解码器
    ESP_ERROR_CHECK(es8311_init(es_handle, &es_clk, ES8311_RESOLUTION_16, ES8311_RESOLUTION_16));
    // 配置ES8311的采样频率
    ESP_RETURN_ON_ERROR(es8311_sample_frequency_config(es_handle, EXAMPLE_SAMPLE_RATE * EXAMPLE_MCLK_MULTIPLE, EXAMPLE_SAMPLE_RATE), TAG, "set es8311 sample frequency failed");
    // 设置ES8311的音量
    ESP_RETURN_ON_ERROR(es8311_voice_volume_set(es_handle, EXAMPLE_VOICE_VOLUME, NULL), TAG, "set es8311 volume failed");
    // 配置ES8311的麦克风
    ESP_RETURN_ON_ERROR(es8311_microphone_config(es_handle, false), TAG, "set es8311 microphone failed");
    // 设置ES8311的麦克风增益
    ESP_RETURN_ON_ERROR(es8311_microphone_gain_set(es_handle, EXAMPLE_MIC_GAIN), TAG, "set es8311 microphone gain failed");
    return ESP_OK;
}

static esp_err_t i2s_driver_init(void)
{
    // 指定I2S编号和主模式
    i2s_chan_config_t chan_cfg = I2S_CHANNEL_DEFAULT_CONFIG(I2S_NUM, I2S_ROLE_MASTER);
    // 启用自动清除DMA缓冲区中的遗留数据
    chan_cfg.auto_clear = true;
    // 创建一个新的I2S通道，并将返回的发送和接收通道句柄分别存储在tx_handle和rx_handle中
    ESP_ERROR_CHECK(i2s_new_channel(&chan_cfg, &tx_handle, &rx_handle));
    // 配置标准I2S模式
    i2s_std_config_t std_cfg = {
        // 设置时钟配置，使用默认的标准I2S时钟配置，并根据EXAMPLE_SAMPLE_RATE配置采样率
        .clk_cfg = I2S_STD_CLK_DEFAULT_CONFIG(EXAMPLE_SAMPLE_RATE),
        // 设置槽位配置，使用默认的Philips标准槽位配置，16位数据宽度和立体声模式
        .slot_cfg = I2S_STD_PHILIPS_SLOT_DEFAULT_CONFIG(I2S_DATA_BIT_WIDTH_16BIT, I2S_SLOT_MODE_STEREO),
        // 设置GPIO配置，指定各个I2S信号的GPIO引脚，并配置信号不反转
        .gpio_cfg = {
            .mclk = I2S_MCK_IO, // 主时钟引脚
            .bclk = I2S_BCK_IO, // 位时钟引脚
            .ws = I2S_WS_IO,    // 左右声道选择引脚
            .dout = I2S_DO_IO,  // 数据输出引脚
            .din = I2S_DI_IO,   // 数据输入引脚
            .invert_flags = {
                .mclk_inv = false, // 主时钟不反转
                .bclk_inv = false, // 位时钟不反转
                .ws_inv = false,   // 左右声道选择信号不反转
            },
        },
    };
    // 设置主时钟的倍数
    std_cfg.clk_cfg.mclk_multiple = EXAMPLE_MCLK_MULTIPLE;
    // 初始化发送通道为标准I2S模式
    ESP_ERROR_CHECK(i2s_channel_init_std_mode(tx_handle, &std_cfg));
    // 初始化接收通道为标准I2S模式
    ESP_ERROR_CHECK(i2s_channel_init_std_mode(rx_handle, &std_cfg));
    // 启用发送通道
    ESP_ERROR_CHECK(i2s_channel_enable(tx_handle));
    // 启用接收通道
    ESP_ERROR_CHECK(i2s_channel_enable(rx_handle));
    return ESP_OK;
}

static void i2s_echo(void *args)
{
    // 分配接收缓冲区，大小为2400字节
    int *mic_data = malloc(EXAMPLE_RECV_BUF_SIZE);
    if (!mic_data) {
        ESP_LOGE(TAG, "[echo] No memory for read data buffer");
        abort(); // 终止程序
    }
    esp_err_t ret = ESP_OK;
    size_t bytes_read = 0;
    size_t bytes_write = 0;
    ESP_LOGI(TAG, "[echo] Echo start");

    while (1) {
        // 清空接收缓冲区
        memset(mic_data, 0, EXAMPLE_RECV_BUF_SIZE);
        /* 从麦克风读取样本数据 */
        ret = i2s_channel_read(rx_handle, mic_data, EXAMPLE_RECV_BUF_SIZE, &bytes_read, 1000);
        if (ret != ESP_OK) {
            ESP_LOGE(TAG, "[echo] i2s read failed");
            abort(); // 终止程序
        }
        /* 将样本数据写入播放器 */
        ret = i2s_channel_write(tx_handle, mic_data, EXAMPLE_RECV_BUF_SIZE, &bytes_write, 1000);
        if (ret != ESP_OK) {
            ESP_LOGE(TAG, "[echo] i2s write failed");
            abort(); // 终止程序
        }
        // 检查读取和写入的字节数是否一致
        if (bytes_read != bytes_write) {
            ESP_LOGW(TAG, "[echo] %d bytes read but only %d bytes are written", bytes_read, bytes_write);
        }
    }
    vTaskDelete(NULL); // 删除任务
}

void app_main(void)
{
    printf("i2s es8311 codec example start\n-----------------------------\n");
    gpio_config_t io_conf = {};
    io_conf.intr_type = GPIO_INTR_DISABLE;
    io_conf.mode = GPIO_MODE_OUTPUT;
    io_conf.pin_bit_mask = SPKER_CTRL_PIN_SEL;
    io_conf.pull_down_en = 0;
    io_conf.pull_up_en = 0;
    gpio_config(&io_conf);
    gpio_set_level(SPKER_CTRL_PIN, 1);

    /* 初始化I2S外设 */
    if (i2s_driver_init() != ESP_OK)
    {
        ESP_LOGE(TAG, "i2s driver init failed");
        abort(); // 终止程序
    }
    else
    {
        ESP_LOGI(TAG, "i2s driver init success");
    }
    /* 初始化I2C外设并配置ES8311编解码器 */
    if (es8311_codec_init() != ESP_OK)
    {
        ESP_LOGE(TAG, "es8311 codec init failed");
        abort(); // 终止程序
    }
    else
    {
        ESP_LOGI(TAG, "es8311 codec init success");
    }
    /* 创建任务以回声模式从麦克风播放声音 */
    xTaskCreate(i2s_echo, "i2s_echo", 8192, NULL, 5, NULL);
}

编译烧录后，轻轻敲下桌面或USB头，就可以听到扬声器播放出敲击的声音。

I2S PDM模式

目前板卡是没有接支持PDM协议的麦克风的，所以这个实验在板卡上是做不了的，大家了解下即可。

在 PDM（Pulse-density Modulation，脉冲密度调制）模式下

TX 通道可以将 PCM 数据转换为 PDM 格式，该格式始终有左右两个声道。

RX 通道可以接收 PDM 格式的数据并将数据转换成 PCM 格式。

PDM TX RX 只在 I2S0 中受支持，且只支持 16 位宽的采样数据。。

PDM 至少需要一个 CLK 管脚用于时钟信号，一个 DOUT 管脚用于数据信号，即下图中的 WS 和 SD 信号。

PDM RX

i2s_chan_handle_t rx_handle = NULL;

void init_microphone(void)
{
    // 使用默认配置，自动选择I2S编号，并设置为主模式
    i2s_chan_config_t chan_cfg = I2S_CHANNEL_DEFAULT_CONFIG(I2S_NUM_AUTO, I2S_ROLE_MASTER);
    // 创建一个新的I2S通道，并将返回的通道句柄存储在rx_handle中
    ESP_ERROR_CHECK(i2s_new_channel(&chan_cfg, NULL, &rx_handle));
    // 配置PDM接收模式
    i2s_pdm_rx_config_t pdm_rx_cfg = {
        // 设置时钟配置，使用默认的PDM接收时钟配置，配置采样率44100
        .clk_cfg = I2S_PDM_RX_CLK_DEFAULT_CONFIG(44100),
       
        // 设置槽位配置，使用默认的16位数据宽度和单声道模式
       .slot_cfg = I2S_PDM_RX_SLOT_DEFAULT_CONFIG(I2S_DATA_BIT_WIDTH_16BIT, I2S_SLOT_MODE_MONO),
       
        // 设置GPIO配置，指定时钟引脚和数据输入引脚，并配置时钟不反转
        .gpio_cfg = {
            .clk = 18,  // 时钟引脚
            .din = 19, // 数据输入引脚
            .invert_flags = {
                .clk_inv = false, // 时钟不反转
            },
        },
    };
    // 初始化I2S通道为PDM接收模式
    ESP_ERROR_CHECK(i2s_channel_init_pdm_rx_mode(rx_handle, &pdm_rx_cfg));
    // 启用I2S通道
    ESP_ERROR_CHECK(i2s_channel_enable(rx_handle));
}

PDM TX

#include "driver/i2s_pdm.h"
#include "driver/gpio.h"

i2s_chan_handle_t tx_handle = NULL;

void init_microphone(void)
{
    // 自动选择I2S编号，并设置为主模式
    i2s_chan_config_t chan_cfg = I2S_CHANNEL_DEFAULT_CONFIG(I2S_NUM_0, I2S_ROLE_MASTER);
    ESP_ERROR_CHECK(i2s_new_channel(&chan_cfg, &tx_handle, NULL));

    /* 初始化通道为 PDM TX 模式 */
    i2s_pdm_tx_config_t pdm_tx_cfg = {
        // 设置时钟配置，使用默认的PDM接收时钟配置，配置采样率44100
        .clk_cfg = I2S_PDM_TX_CLK_DEFAULT_CONFIG(44100),
        // 设置槽位配置，使用默认的16位数据宽度和单声道模式
        .slot_cfg = I2S_PDM_TX_SLOT_DEFAULT_CONFIG(I2S_DATA_BIT_WIDTH_16BIT, I2S_SLOT_MODE_MONO),
        // 设置GPIO配置，指定时钟引脚和数据输入引脚，并配置时钟不反转
        .gpio_cfg = {
            .clk = GPIO_NUM_5,
            .dout = GPIO_NUM_18,
            .invert_flags = {
                .clk_inv = false,
            },
        },
    };
    // 初始化I2S通道为PDM发送模式
    i2s_channel_init_pdm_tx_mode(tx_handle, &pdm_tx_cfg);
    // 启用I2S通道
    ESP_ERROR_CHECK(i2s_channel_enable(rx_handle));
}
  • peripherals/i2s/i2s_recorder 演示了如何通过 I2S 外设以 PDM 数据格式用数字 MEMS 麦克风录制音频，并将其以 .wav 文件格式保存到 ESP32-S3 开发板上的 SD 卡中。
  • peripherals/i2s/i2s_basic/i2s_pdm 演示了如何在 ESP32-S3 上使用 PDM TX 模式，包括必要的硬件设置和配置。

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