本課程我們講解Micropython for ESP32 的i2s及其應用，比如INMP441音頻錄制、MAX98357A音頻播放等，還有SD卡的讀寫。

一、硬件準備

1、支持micropython的ESP32S3開發板
2、INMP441數字全向麥克風模塊
3、MAX98357A音頻播放模塊
4、SD卡模塊
5、面包板及連接線若干

連接方式：
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inmp441	MAX98357A	ESP32S3
SD		IO13
WS		IO12
SCK		IO11
L/R接地
	SD接VCC
	GAIN接地
	DIN	IO37
	BCLK	IO38
	LRC	IO39

SD卡模塊	ESP32S3
SCK	IO4
MOSI	IO5
MISO	IO16
CS	IO17

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二、i2s介紹?

一）、I2S協議基礎

I2S（Inter-IC Sound）是一種同步串行通信協議，專為數字音頻設備設計，支持單向/雙向音頻數據傳輸。其物理層包含三條信號線：

• ?SCK?（串行時鐘）：同步數據傳輸速率
• ?WS?（字選擇）：區分左右聲道或定義采樣率
• ?SD?（串行數據）：傳輸實際音頻數據流?

二）、MicroPython I2S類特性

? ? ? ? A.? 僅支持主設備操作模式，可控制SCK和WS信號的生成，適用于連接麥克風、
?????????????DAC等從設備?

? ? ? ? B.?支持ESP32、STM32、RP2等主流微控制器平臺，通過統一接口簡化跨硬件開發?

三）、核心功能實現

1. ?音頻輸入/輸出?

   • ?錄音?：從麥克風模塊獲取PCM音頻數據
   • ?播放?：向DAC或音頻解碼器發送音頻流?27。

2. ?參數靈活配置?
   初始化時可設置關鍵參數：

   i2s = I2S(id,  # 硬件實例編號（如I2S.NUM0）sck=Pin(11), ws=Pin(12), sd=Pin(13),  # 引腳映射mode=I2S.RX,  # 模式（RX/TX）bits=16,      # 采樣位深format=I2S.MONO,  # 聲道格式 MONO為單聲道，STEREO為立體聲rate=16000,   # 采樣率ibuf=8092)   # 輸入緩沖區大小?:ml-citation{ref="4,7" data="citationList"}
   

3. ?中斷與DMA支持?
   支持異步數據讀寫，通過DMA減少CPU占用率，提升實時性?

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?四）、典型應用場景

1. ?音頻播放器?
   播放WAV/MP3文件（需解碼庫支持）?。

2. ?語音采集系統?
   連接INMP441等數字麥克風實現環境音錄制?。

3. ?實時語音處理?
   結合神經網絡進行關鍵詞識別或聲紋分析?

三、MicroPython SD卡介紹?

一）、SD卡初始化與掛載

硬件接口配置?
使用SPI模式連接SD卡（需4線：CLK/MOSI/MISO/CS），典型ESP32配置示例：

from sdcard import SDCard
import os, time, gcspi = SPI(2,baudrate=80000000,polarity=0,phase=0,sck=Pin(4),mosi=Pin(5),miso=Pin(16))
sd = SDCard(spi,Pin(17,Pin.OUT))

二）、文件操作API

????????基礎文件讀寫?
????????使用標準文件操作接口：

?

def test_sd():os.mount(sd,'/sd')# 重新查詢系統文件目錄print('掛載SD后的系統目錄:{}'.format(os.listdir()))with open("/sd/test.txt", "w") as f:f.write(str("Hello MicroPython！"))# 從sd卡目錄下讀取hello.txt文件內容with open("/sd/test.txt", "r") as f:# 打印讀取的內容data = f.read()print (data)

四、inmp4411錄制音頻

通過前面的講解，這一小節的內容需要掌握的知識點我們都已經掌握，直接上代碼：

audiofilename = '/sd/rec.pcm'
def record_audio(filename=audiofilename, duration=5, sample_rate=16000):
#     # 硬件診斷print("初始化I2S...")try:i2s = I2S(0,sck=Pin(11), ws=Pin(12), sd=Pin(13),mode=I2S.RX,bits=16,format=I2S.MONO,rate=sample_rate,ibuf=4096)except Exception as e:print("I2S初始化失敗:", e)return# 計算數據量bytes_per_second = sample_rate * 2  # 16bit=2字節total_bytes = bytes_per_second * duration
#    header = createWavHeader(sample_rate, 16, 1, total_bytes)# 錄音循環try:with open(audiofilename, 'wb') as f:
#            f.write(header)start_time = time.ticks_ms()bytes_written = 0buffer = bytearray(2048)  # 小緩沖區減少內存壓力while bytes_written < total_bytes:read = i2s.readinto(buffer)if read == 0:print("警告：未讀取到數據")continuef.write(buffer[:read])bytes_written += readgc.collect()# 實時進度elapsed = time.ticks_diff(time.ticks_ms(), start_time) / 1000print(f"進度: {bytes_written/total_bytes*100:.1f}%, 時間: {elapsed:.1f}s")except OSError as e:print("文件寫入錯誤:", e)finally:i2s.deinit()
#        print("錄音結束，文件大小:", os.stat(audiofilename)[6], "字節")print("錄音結束，文件大小:", bytes_written, "字節")

但這里需要說明一下的是，我們剛開始開發的時候，錄制的音頻文件中的數據全是0，也就是說沒有聲音，噪音都沒有，檢查連接線、換IO口等等，各種折騰，但問題依然存在，后來因為出了其它的錯誤，就暫停了，具體可以參考：MicroPython 開發ESP32應用教程 之 WIFI、BLE共用常見問題處理及中斷處理函數注意事項

上文中提到的問題處理完后，我們繼續折騰音頻錄制及播放的功能，奇怪的事情發生了，連接好各功能模塊后，測試，居然好了，懷疑是上文中提到的電源的問題，但把外接電源移除，測試沒有問題。

也就是說，到現在，我們還是不知道之前為什么有問題？現在為什么好了？只能懷疑電源不穩？

五、MAX98357A音頻播放

這個也沒什么好講，直接上代碼吧

audiofilename = '/sd/rec.pcm'audio_out = I2S(1, sck=Pin(38), ws=Pin(39), sd=Pin(37), mode=I2S.TX, bits=16, format=I2S.MONO, rate=16000, ibuf=20000)
def play_audio(filename='/sd/rec.wav', duration=5, sample_rate=16000):        #    audio_out.volume(80)with open(audiofilename,'rb') as f:# 跳過文件的開頭的44個字節，直到數據段的第1個字節
#        pos = f.seek(44) # 用于減少while循環中堆分配的內存視圖wav_samples = bytearray(1024)wav_samples_mv = memoryview(wav_samples)print("開始播放音頻...")#并將其寫入I2S DACwhile True:try:num_read = f.readinto(wav_samples_mv)# WAV文件結束if num_read == 0: break# 直到所有樣本都寫入I2S外圍設備num_written = 0while num_written < num_read:num_written += audio_out.write(wav_samples_mv[num_written:num_read])except Exception as ret:print("產生異常...", ret)

六、完整代碼
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該代碼簡單修改可保存為WAV格式文件，可以用我們常見的音頻播放軟件播放。

from machine import I2S, Pin,SPI
from sdcard import SDCard
import os, time, gcspi = SPI(2,baudrate=20000000,polarity=0,phase=0,sck=Pin(4),mosi=Pin(5),miso=Pin(16))
sd = SDCard(spi,Pin(17,Pin.OUT))audiofilename = '/sd/rec.pcm'
def createWavHeader(sampleRate, bitsPerSample, num_channels, datasize):    riff_size = datasize + 36 - 8  # 修正RIFF塊大小header = bytes("RIFF", 'ascii')header += riff_size.to_bytes(4, 'little')header += bytes("WAVE", 'ascii')header += bytes("fmt ", 'ascii')header += (16).to_bytes(4, 'little')          # fmt塊大小header += (1).to_bytes(2, 'little')            # PCM格式header += num_channels.to_bytes(2, 'little')   # 聲道數header += sampleRate.to_bytes(4, 'little')     # 采樣率header += (sampleRate * num_channels * bitsPerSample // 8).to_bytes(4, 'little')  # 字節率header += (num_channels * bitsPerSample // 8).to_bytes(2, 'little')  # 塊對齊header += bitsPerSample.to_bytes(2, 'little')  # 位深header += bytes("data", 'ascii')header += datasize.to_bytes(4, 'little')       # 數據塊大小return headerdef record_audio(filename=audiofilename, duration=5, sample_rate=16000):
#     # 硬件診斷print("初始化I2S...")try:i2s = I2S(0,sck=Pin(11), ws=Pin(12), sd=Pin(13),mode=I2S.RX,bits=16,format=I2S.MONO,rate=sample_rate,ibuf=4096)except Exception as e:print("I2S初始化失敗:", e)return# 計算數據量bytes_per_second = sample_rate * 2  # 16bit=2字節total_bytes = bytes_per_second * duration
#    header = createWavHeader(sample_rate, 16, 1, total_bytes)# 錄音循環try:with open(audiofilename, 'wb') as f:
#            f.write(header)start_time = time.ticks_ms()bytes_written = 0buffer = bytearray(1024)  # 小緩沖區減少內存壓力while bytes_written < total_bytes:read = i2s.readinto(buffer)if read == 0:print("警告：未讀取到數據")continuef.write(buffer[:read])bytes_written += readgc.collect()# 實時進度elapsed = time.ticks_diff(time.ticks_ms(), start_time) / 1000print(f"進度: {bytes_written/total_bytes*100:.1f}%, 時間: {elapsed:.1f}s")except OSError as e:print("文件寫入錯誤:", e)finally:i2s.deinit()
#        print("錄音結束，文件大小:", os.stat(audiofilename)[6], "字節")print("錄音結束，文件大小:", bytes_written, "字節")audio_out = I2S(1, sck=Pin(38), ws=Pin(39), sd=Pin(37), mode=I2S.TX, bits=16, format=I2S.MONO, rate=16000, ibuf=20000)
def play_audio(filename='/sd/rec.wav', duration=5, sample_rate=16000):        #    audio_out.volume(80)with open(audiofilename,'rb') as f:# 跳過文件的開頭的44個字節，直到數據段的第1個字節
#        pos = f.seek(44) # 用于減少while循環中堆分配的內存視圖wav_samples = bytearray(1024)wav_samples_mv = memoryview(wav_samples)print("開始播放音頻...")#并將其寫入I2S DACwhile True:try:num_read = f.readinto(wav_samples_mv)# WAV文件結束if num_read == 0: break# 直到所有樣本都寫入I2S外圍設備num_written = 0while num_written < num_read:num_written += audio_out.write(wav_samples_mv[num_written:num_read])except Exception as ret:print("產生異常...", ret)if __name__ == "__main__":try:os.mount(sd,'/sd')   record_audio(duration=5)play_audio()except Exception as e:print("異常：",e)
# 測試'''import time
from machine import I2S, Pin
import math# I2S配置
i2s = I2S(0,sck=Pin(22), ws=Pin(23), sd=Pin(21),mode=I2S.RX,bits=16,rate=16000,channel_format=I2S.ONLY_LEFT)# 參數配置
SILENCE_THRESHOLD = 0.02  # 需根據環境噪聲校準
CHECK_INTERVAL = 0.1      # 檢測間隔(秒)
SILENCE_DURATION = 1.0    # 目標靜默時長buffer = bytearray(1024)  # 512個16位樣本
last_sound_time = time.time()while True:i2s.readinto(buffer)  # 讀取I2S數據?:ml-citation{ref="6" data="citationList"}# 計算當前塊RMS值sum_sq = 0for i in range(0, len(buffer), 2):sample = int.from_bytes(buffer[i:i+2], 'little', True)sum_sq += (sample / 32768) ** 2  # 16位有符號轉浮點?:ml-citation{ref="6" data="citationList"}rms = math.sqrt(sum_sq / 512)# 更新最后有聲時間戳if rms > SILENCE_THRESHOLD:last_sound_time = time.time()# 判斷靜默持續時間if (time.time() - last_sound_time) >= SILENCE_DURATION:print("檢測到持續靜默")# 觸發后續處理
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