ESP32 使用INMP441麦克风模块实时采集音频数据

ESP32 使用INMP441麦克风模块实时采集音频数据

本文将介绍如何使用ESP32开发板和INMP441麦克风模块进行音频数据采集。通过本教程，你将能够实现在串口监视器中查看音频数据，并通过简单的实验验证硬件连接是否正确。

实验效果

ESP32 使用INMP441全向麦克风模块实现在串口中查看音频数据。

元件说明

INMP441模块是一种基于MEMS（微机电系统）技术的数字麦克风。它通过I2S（Inter-IC Sound）接口输出数字音频信号，具有高信噪比（SNR）和低功耗的特点，非常适合用于音频采集、语音识别、智能设备等应用。

特点和性能

• 数字输出：I2S接口
• 信噪比：61 dB
• 工作电流：1.4 mA
• 频响范围：60 Hz - 15 kHz
• 小尺寸：3.76 mm x 4.72 mm
• 灵敏度：-26 dBFS
• 工作电压：1.8V - 3.3V
• 温度范围：-40°C - +85°C
• 高PSR： -75 dBFS

引脚说明

2. VDD：电源引脚，连接1.8V至3.3V的电源。
3. GND：地引脚，连接电源地。
4. SD：串行数据输出引脚，通过I2S接口传输数字音频数据。
5. SCK：串行时钟输入引脚，用于I2S接口的时钟信号。
6. WS：字选择输入引脚，用于I2S接口的帧同步信号（也称为LRCK）。
7. L/R：左右声道选择引脚。当该引脚设置为低电平时，麦克风在I²S帧中输出其信号到左声道；当该引脚设置为高电平时，麦克风在I²S帧中输出其信号到右声道。

BOM表

名称 数量
ESP32 开发板 1
INMP441 全向麦克风模块 1
跳线 若干
面包板 1

接线图

INMP441 ESP32

VDD <------> 3.3V
GND <------> GND
SD <------> GPIO13
SCK <------> GPIO2
WS <------> GPIO15
L/R <------> GND 或 3.3V 左右声道选择引脚

INMP441 - Fritzing Parts
https://github.com/gcoulby/FritzingParts/tree/master

程序提点

1，头文件和宏定义

#include <driver/i2s.h>
#define I2S_WS 15
#define I2S_SD 13
#define I2S_SCK 2
#define I2S_PORT I2S_NUM_0
#define bufferLen 64  

• #include <driver/i2s.h>：包含ESP32 I2S驱动的头文件。
• #define I2S_WS 15：定义I2S的字选择引脚（WS，Word Select）为GPIO15。
• #define I2S_SD 13：定义I2S的数据输入引脚（SD，Serial Data）为GPIO13。
• #define I2S_SCK 2：定义I2S的时钟引脚（SCK，Serial Clock）为GPIO2。
• #define I2S_PORT I2S_NUM_0：定义使用的I2S端口为I2S_NUM_0。
• #define bufferLen 64：定义缓冲区长度为64。

2，全局变量

int16_t sBuffer[bufferLen];

• 定义一个长度为bufferLen（64）的16位整数数组，用于存储从I2S读取的音频数据。

3，setup函数

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  Serial.println("Setup I2S ...");
  delay(1000);
  i2s_install();
  i2s_setpin();
  i2s_start(I2S_PORT);
  delay(500);
}

• Serial.begin(115200)：初始化串口通信，波特率为115200。
• Serial.println("Setup I2S ...")：在串口监视器上输出"Setup I2S ..."。
• delay(1000)：延迟1秒。
• i2s_install()：调用自定义的i2s_install函数，安装并配置I2S驱动。
• i2s_setpin()：调用自定义的i2s_setpin函数，设置I2S引脚。
• i2s_start(I2S_PORT)：启动I2S端口。
• delay(500)：延迟0.5秒。

4，loop函数

void loop() {
  size_t bytesIn = 0;
  esp_err_t result = i2s_read(I2S_PORT, &sBuffer, bufferLen, &bytesIn, portMAX_DELAY);
  if (result == ESP_OK)
  {
    int samples_read = bytesIn / 8;
    if (samples_read > 0) {
      float mean = 0;
      for (int i = 0; i < samples_read; ++i) {
        mean += (sBuffer[i]);
      }
      mean /= samples_read;
      Serial.println(mean);
    }
  }
}

• size_t bytesIn = 0：定义变量bytesIn，用于存储读取到的字节数。
• esp_err_t result = i2s_read(I2S_PORT, &sBuffer, bufferLen, &bytesIn, portMAX_DELAY)：从I2S端口读取音频数据到sBuffer中，读取长度为bufferLen，并将实际读取的字节数存储在bytesIn，读取操作会阻塞直到有数据可读。
• if (result == ESP_OK)：检查读取操作是否成功。
• int samples_read = bytesIn / 8：计算读取到的样本数量（每个样本16位，即2字节）。
• if (samples_read > 0)：检查是否读取到有效样本。
• float mean = 0：定义变量mean，用于存储样本的平均值。
• for (int i = 0; i < samples_read; ++i)：遍历所有读取到的样本。
• mean += (sBuffer[i])：累加样本值。
• mean /= samples_read：计算样本的平均值。
• Serial.println(mean)：在串口监视器上输出平均值。

5，i2s_install函数

void i2s_install(){
  const i2s_config_t i2s_config = {
    .mode = i2s_mode_t(I2S_MODE_MASTER | I2S_MODE_RX),
    .sample_rate = 44100,
    .bits_per_sample = i2s_bits_per_sample_t(16),
    .channel_format = I2S_CHANNEL_FMT_ONLY_LEFT,
    .communication_format = i2s_comm_format_t(I2S_COMM_FORMAT_STAND_I2S),
    .intr_alloc_flags = 0, // default interrupt priority
    .dma_buf_count = 8,
    .dma_buf_len = bufferLen,
    .use_apll = false
  };
  i2s_driver_install(I2S_PORT, &i2s_config, 0, NULL);
}

• const i2s_config_t i2s_config：定义I2S配置结构体。
• .mode = i2s_mode_t(I2S_MODE_MASTER | I2S_MODE_RX)：设置I2S为主模式，接收数据。
• .sample_rate = 44100：设置采样率为44100Hz。
• .bits_per_sample = i2s_bits_per_sample_t(16)：设置每个样本16位。
• .channel_format = I2S_CHANNEL_FMT_ONLY_LEFT：设置为仅使用左声道。
• .communication_format = i2s_comm_format_t(I2S_COMM_FORMAT_STAND_I2S)：设置通信格式为标准I2S格式。
• .intr_alloc_flags = 0：默认中断优先级。
• .dma_buf_count = 8：设置DMA缓冲区数量为8。
• .dma_buf_len = bufferLen：设置每个DMA缓冲区长度为bufferLen。
• .use_apll = false：不使用APLL。
• i2s_driver_install(I2S_PORT, &i2s_config, 0, NULL)：安装并配置I2S驱动。

6，i2s_setpin函数

void i2s_setpin(){
  const i2s_pin_config_t pin_config = {
    .bck_io_num = I2S_SCK,
    .ws_io_num = I2S_WS,
    .data_out_num = -1,
    .data_in_num = I2S_SD
  };
  i2s_set_pin(I2S_PORT, &pin_config);
}

• const i2s_pin_config_t pin_config：定义I2S引脚配置结构体。
• .bck_io_num = I2S_SCK：设置时钟引脚为GPIO2。
• .ws_io_num = I2S_WS：设置字选择引脚为GPIO15。
• .data_out_num = -1：禁用数据输出引脚。
• .data_in_num = I2S_SD：设置数据输入引脚为GPIO13。
• i2s_set_pin(I2S_PORT, &pin_config)：设置I2S引脚配置。

完整代码

#include <driver/i2s.h>
#define I2S_WS 15
#define I2S_SD 13
#define I2S_SCK 2
#define I2S_PORT I2S_NUM_0
#define bufferLen 64
int16_t sBuffer[bufferLen];
void setup() {
  Serial.begin(115200);
  Serial.println("Setup I2S ...");
  delay(1000);
  i2s_install();
  i2s_setpin();
  i2s_start(I2S_PORT);
  delay(500);
}
void loop() {
  size_t bytesIn = 0;
  esp_err_t result = i2s_read(I2S_PORT, &sBuffer, bufferLen, &bytesIn, portMAX_DELAY);
  if (result == ESP_OK)
  {
    int samples_read = bytesIn / 8;
    if (samples_read > 0) {
      float mean = 0;
      for (int i = 0; i < samples_read; ++i) {
        mean += (sBuffer[i]);
      }
      mean /= samples_read;
      Serial.println(mean);
    }
  }
}
void i2s_install(){
  const i2s_config_t i2s_config = {
    .mode = i2s_mode_t(I2S_MODE_MASTER | I2S_MODE_RX),
    .sample_rate = 44100,
    .bits_per_sample = i2s_bits_per_sample_t(16),
    .channel_format = I2S_CHANNEL_FMT_ONLY_LEFT,
    .communication_format = i2s_comm_format_t(I2S_COMM_FORMAT_STAND_I2S),
    .intr_alloc_flags = 0, // default interrupt priority
    .dma_buf_count = 8,
    .dma_buf_len = bufferLen,
    .use_apll = false
  };
  i2s_driver_install(I2S_PORT, &i2s_config, 0, NULL);
}
void i2s_setpin(){
  const i2s_pin_config_t pin_config = {
    .bck_io_num = I2S_SCK,
    .ws_io_num = I2S_WS,
    .data_out_num = -1,
    .data_in_num = I2S_SD
  };
  i2s_set_pin(I2S_PORT, &pin_config);
}

代码上传完成后，打开Arduino IDE则可以看到串口的数据，通过拍手或者制造大声音，会见到数值会作出相对应的变化，这就是音频数据。这说明你已经接通了INMP441全向麦克风模块

参考

https://github.com/0015/ThatProject/blob/master/ESP32_MICROPHONE/ESP32_INMP441_SETUP_ESP-2.X/ESP32_INMP441_SETUP_ESP-2.X.ino