ESP32原生开发——MAX98375食用指南 1I2S总线介绍

ESP32原生开发——MAX98375食用指南 1I2S总线介绍

在音频处理领域，I2S（Inter-IC Sound Bus）是一种广泛使用的通信协议，专门用于芯片之间的音频数据传输。ESP32作为一款高性能的微控制器，不仅支持I2S通信，还提供了强大的硬件接口和灵活的软件库，使其成为音频项目开发的理想选择。本文将详细介绍I2S的相关知识，并介绍如何使用ESP32驱动I2S音频设备。

I2S总线简介

在音频处理领域，I2S是一种广泛使用的通信协议，它专门用于芯片之间的音频数据传输。ESP32作为一款高性能的微控制器，不仅支持I2S通信，还提供了强大的硬件接口和灵活的软件库，使其成为音频项目开发的理想选择。

目前看起来是ESP32的飞利浦I2S总线，还有一种差分I2S总线。音频数据的量化位数或量化深度，常见的有8bit、16bit、24bit、32bit等，位数越高，信号的动态范围和精细程度越好。

I2S信号组成

使用I2S传输音频的时候，需要用到时钟信号、控制信号以及数据信号（图6），它们之间是分开传输的。对于标准通信模式下的I2S总线主要包含以下几个信号：

• 位时钟BCLK（Bit Clock）：也叫BCK或SCLK（Serial Clock），对应数字音频的每一位数据，是模块内的同步信号。

• 字时钟WS（Word Select）：也叫LRCLK（Left Right Clock），用于标识当前正在传输的是左声道数据还是右声道数据。对于飞利浦公司定义的I2S标准，当WS为低电平时表示左声道，高电平时表示右声道。一个完整的WS信号周期包含两个声道的数据（左声道和右声道）。WS信号的频率等于音频的采样率。例如，如果音频采样率是44.1kHz，那么WS的频率也是44.1kHz。

• 串行数据SD（Serial Data）：I2S传输时的音频数据，是用二进制补码表示的。具体数据传输的格式主要包括I2S格式、左对齐格式和右对齐格式。每个BCK周期会传输一位数据。数据发送端和接收端会根据BCK信号的跳变（上升沿或下降沿）同步数据的发送和接收。当WS为低电平时，SD传输左声道数据；当WS为高电平时，SD传输右声道数据。

有的时候还需要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。

例如，我们传输16位双声道音频，SD数据为10101101100010011100100110001001。它表示：

• 每个BCK周期传输一位音频数据。
• 当WS为低电平时，SD按位传输左声道的16位数据1010110110001001。
• 当WS为高电平时，SD按位传输右声道的16位数据1100100110001001。

I2S传输模型

I2S通信支持全双工和半双工通信，支持主/从模式。主设备就是发送时钟的，从设备在时钟的控制下发送或者接收数据。

连接到I2S总线的设备可以分为两类：

• 控制器：控制SCK和WS信号。
• 目标设备：接收SCK和WS信号。

总线上只能有一个控制器，但是总线可以有多个目标设备。

音频设备，可以分为三类：

1. 发射器作为控制器，接收器作为目标设备
2. 发射器作为目标设备，接收器作为控制器
3. 发射器和接收器都作为目标设备，其他I2S控制器作为控制器

I2S通信格式

PCM510xA支持行业标准的音频数据格式，包括标准I2S和左对齐（Left-justified）格式等。

I2S格式

I2S格式：又称飞利浦格式（图7），数据最高位总是出现在字时钟变化后的第二个位时钟脉冲处（滞后一个位时钟），这种格式下数据MSB的位置是确定的，LSB的位置取决于字长。

左对齐格式

左对齐格式（图8）：数据最高位出现在字时钟变化后的第一个位时钟脉冲处（无滞后位时钟）。

右对齐格式

右对齐格式：又称日本格式，这种格式和左对齐差不多，只不过整体是靠右对齐的，即数据LSB与WCLK跳变沿对齐。

I2S基本配置

使用ESP32进行I2S配置时，需要完成以下步骤：

1. I2S的时钟使能和GPIO口配置
2. 配置为I2S模式
3. 选择I2S标准，无论有多少位有效数据，数据的最高位总是出现在WS变化（也就是一帧开始）后的第2个CK脉冲处。
4. 设置I2S数据长度，包括16位、16位扩展（16位数据以32位包发送）、24位、32位。
5. 设置I2S时钟
6. 设置I2S空闲状态下时钟电平
7. 启用I2S

通过以上配置，可以实现ESP32与I2S音频设备的稳定通信，从而进行音频数据的传输和处理。