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1)实验平台:正点原子ESP32S3开发板
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第四十二章 录音机实验
上一章,我们实现了一个简单的音乐播放器,本章我们将在上一章的基础上,继续用ES8388实现一个简单的录音机,录制WAV格式的录音。
本章分为如下几个小节:
42.1 ES8388录音简介
42.2 硬件设计
42.3 程序设计
42.4 下载验证
42.1 ES8388录音简介
本章涉及的知识点基本上在上一章都有介绍。本章要实现WAV录音,还是和上一章一样,要了解:WAV文件格式、ES8388和I²S。WAV文件格式,我们在上一章已经做了详细介绍了,这里就不作介绍了。
正点原子DNESP32S3开发板将板载的一个MIC分别接入到了ES8388的2个差分输入通道(LIP/LIN和RIP/RIN,原理图见:图42.2.3)。代码上,我们采用立体声WAV录音,不过,左右声道的音源都是一样的,录音出来的WAV文件,听起来就是个单声道效果。
关于ES8388的驱动与上一章是一样的,区别在于ES8388的工作状态不一样,在本章录音实验中ES8388设置为开启ADC,上一章节则是设置为开启DAC,读者想了解可以参考第42章的介绍,或者参考本例程源代码和ES8388的pdf数据手册理解。
42.2 硬件设计
42.2.1 例程功能
本章实验功能简介:开机后,先初始化各外设,然后检测字库是否存在,如果检测无问题,则开始循环播放SD卡MUSIC文件夹里面的歌曲(必须在SD卡根目录建立一个MUSIC文件夹,并存放歌曲在里面),在SPILCD上显示歌曲名字、播放时间、歌曲总时间、歌曲总数目、当前歌曲的编号等信息。KEY0用于选择下一曲,KEY2用于选择上一曲,KEY3用来控制暂停/继续播放。LED闪烁,提示程序运行状态。
42.2.2 硬件资源
本实验,大家需要准备1个microSD/SD卡(在里面新建一个MUSIC文件夹,并存放一些歌曲在MUSIC文件夹下)和一个耳机(非必备),分别插入SD卡接口和耳机接口,然后下载本实验就可以实现录音机的效果。实验用到的硬件资源如下:
1. LED灯
LED -IO0
2.独立按键
KEY0(XL9555) - IO1_7
KEY1(XL9555) - IO1_6
KEY2(XL9555) - IO1_5
KEY3(XL9555) - IO1_4
3. XL9555
IIC_SDA-IO41
IIC_SCL-IO42
4. SPILCD
CS-IO21
SCK-IO12
SDA-IO11
DC-IO40(在P5端口,使用跳线帽将IO_SET和LCD_DC相连)
PWR- IO1_3(XL9555)
RST- IO1_2(XL9555)
5. SD
CS-IO2
SCK-IO12
MOSI-IO11
MISO-IO13
6. ES8388音频CODEC芯片(IIC端口0)
IIC_SDA-IO41
IIC_SCL-IO42
I2S_BCK_IO-IO46
I2S_WS_IO-IO9
I2S_DO_IO-IO10
I2S_DI_IO-IO14
IS2_MCLK_IO-IO3
7. 开发板板载的咪头或自备麦克风输入
8. 喇叭或耳机
录音机实验与上一章(音乐播放器实验)用到的硬件资源基本一样,我们这里就不重复介绍原理图了,有差异的是这次我们用到板载的咪头用于信号输入,也可以通过3.5mm的音频接口通过LINE_IN接入麦克风输入录音音源。
42.2.3 原理图
本实验相关的原理图同上一章节。
42.3 程序设计
42.3.1 程序流程图
程序流程图能帮助我们更好的理解一个工程的功能和实现的过程,对学习和设计工程有很好的主导作用。下面看看本实验的程序流程图:
图42.3.1.1 录音实验程序流程图
42.3.2 录音实验函数解析
本章实验所使用ESP32-S3的API函数在上一章节已经讲述过了,在此不再赘述。
42.3.3 录音实验驱动解析
在IDF版的31_recoding例程中,作者在31_recoding \components\BSP路径下新增了一个I2S文件夹和一个ES8388文件夹,分别用于存放i2s.c、i2s.h和es8388.c以及es8388.h这四个文件。其中,i2s.h和es8388.h文件负责声明I2S以及ES8388相关的函数和变量,而i2s.c和es8388.c文件则实现了I2S以及ES8388的驱动代码。下面,我们将详细解析这四个文件的实现内容。
1,recorder驱动
录这里我们只讲解核心代码,详细的源码请大家参考光盘本实验对应源码,RECORDER的驱动主要包括两个文件:recorder.c和recorder.h。
音乐播放器实验中我们已经学过配置ES8388的方法,我们在recoder.c编写函数配置ES8388工作在PCM录音模式,我们编写代码如下:
- /**
- * @brief 进入PCM 录音模式
- * @param 无
- * @retval 无
- */
- void recoder_enter_rec_mode(void)
- {
- es8388_adda_cfg(0, 1); /* 开启ADC */
- es8388_input_cfg(0); /* 开启输入通道(通道1,MIC所在通道) */
- es8388_mic_gain(8); /* MIC增益设置为最大 */
- es8388_alc_ctrl(3, 4, 4); /* 开启立体声ALC控制,以提高录音音量 */
- es8388_output_cfg(0, 0); /* 关闭通道1和2的输出 */
- es8388_spkvol_set(0); /* 关闭喇叭. */
- es8388_sai_cfg(0, 3); /* 飞利浦标准,16位数据长度 */
-
- /* 初始化I2S */
- i2s_set_samplerate_bits_sample(SAMPLE_RATE,
- I2S_BITS_PER_SAMPLE_16BIT);
- i2s_trx_start(); /* 开启I2S */
- recoder_remindmsg_show(0);
- }
复制代码 该函数就是用我们前面介绍的方法,激活ES8388的PCM模式,本章,我们使用的是44.1Khz采样率,16位单声道线性PCM模式。
由于最后要把录音写入到文件,这里需要准备wav的文件头,为方便,我们定义了一个__WaveHeader结构体来定义文件头的数据字节,这个结构体包含了前面提到的wav文件的数据结构块:
- Typedef struct
- {
- ChunkRIFF riff; /* riff块 */
- ChunkFMT fmt; /* fmt块 */
- //ChunkFACT fact; /* fact块 线性PCM,没有这个结构体 */
- ChunkDATA data; /* data块 */
- } __WaveHeader;
复制代码 我们定义一个recoder_wav_init()函数方便初始化文件信息,代码如下:
- void recoder_wav_init(__WaveHeader *wavhead)
- {
- wavhead->riff.ChunkID = 0x46464952; /* RIFF" */
- wavhead->riff.ChunkSize = 0; /* 还未确定,最后需要计算 */
- wavhead->riff.Format = 0x45564157; /* "WAVE" */
- wavhead->fmt.ChunkID = 0x20746D66; /* "fmt " */
- wavhead->fmt.ChunkSize = 16; /* 大小为16个字节 */
- /* 0x01,表示PCM; 0x00,表示IMA ADPCM */
- wavhead->fmt.AudioFormat = 0x01;
- wavhead->fmt.NumOfChannels = 2; /* 双声道 */
- wavhead->fmt.SampleRate = SAMPLE_RATE; /* 采样速率 */
- wavhead->fmt.ByteRate = wavhead->fmt.SampleRate * 4;
- /* 字节速率=采样率*通道数*(ADC位数/8) */
- wavhead->fmt.BlockAlign = 4; /* 块大小=通道数*(ADC位数/8) */
- wavhead->fmt.BitsPerSample = 16; /* 16位PCM */
- wavhead->data.ChunkID = 0x61746164; /* "data" */
- wavhead->data.ChunkSize = 0; /* 数据大小,还需要计算 */
- }
复制代码 录音完成我们还要重新计算录音文件的大小写入文件头,以保证音频文件能正常被解析。我们把这些数据直接按顺序写入文件即可完成录音操作,结合文件操作和按键功能定义,我们用wav_recoder()函数实现录音过程,代码如下:
- /**
- * @brief WAV录音
- * @param 无
- * @retval 无
- */
- void wav_recorder(void)
- {
- uint8_t res;
- uint8_t key;
- uint8_t rval = 0;
- uint32_t bw;
-
- __WaveHeader *wavhead = 0;
-
- /* 目录 */
- FF_DIR recdir;
-
- /* 录音文件 */
- FIL *f_rec;
-
- /* 数据缓存指针 */
- uint8_t *pdatabuf;
-
- /* 文件名称 */
- uint8_t *pname = 0;
-
- /* 录音时间 */
- uint32_t recsec = 0;
-
- /* 计时器 */
- uint8_t timecnt = 0;
- uint16_t bytes_read = 0;
- /* 打开录音文件夹 */
- while (f_opendir(&recdir, "0:/RECORDER"))
- {
- lcd_show_string(30, 230, 240, 16, 16, "RECORDER folder error!", RED);
- vTaskDelay(200);
-
- /* 清除显示 */
- lcd_fill(30, 230, 240, 246, WHITE);
- vTaskDelay(200);
-
- /* 创建该目录 */
- f_mkdir("0:/RECORDER");
- }
- /* 录音存储区 */
- pdatabuf = malloc(1024 * 10);
-
- /* 开辟FIL字节的内存区域 */
- f_rec = (FIL*)malloc(sizeof(FIL));
-
- /* 开辟__WaveHeader字节的内存区域 */
- wavhead = (__WaveHeader *)malloc(sizeof(__WaveHeader));
-
- /* 申请30个字节内存,文件名类似"0:RECORDER/REC00001.wav" */
- pname = malloc(30);
- if (!f_rec || !wavhead || !pname || !pdatabuf)
- {
- /* 任意一项失败, 则失败 */
- rval = 1;
- }
- if (rval == 0)
- {
- /* 进入录音模式,此时耳机可以听到咪头采集到的音频 */
- recoder_enter_rec_mode();
-
- /* pname没有任何文件名 */
- pname[0] = 0;
- while (rval == 0)
- {
- key = xl9555_key_scan(0);
- switch (key)
- {
- /* STOP&SAVE */
- case KEY2_PRES:
-
- /* 有录音 */
- if (g_rec_sta & 0x80)
- {
- /* 关闭录音 */
- g_rec_sta = 0;
-
- /* 整个文件的大小-8; */
- wavhead->riff.ChunkSize = g_wav_size + 36;
-
- /* 数据大小 */
- wavhead->data.ChunkSize = g_wav_size;
-
- /* 偏移到文件头. */
- f_lseek(f_rec, 0);
-
- /* 写入头数据 */
- f_write(f_rec,
- (const void *)wavhead,
- sizeof(__WaveHeader),
- &bw);
-
- f_close(f_rec);
- g_wav_size = 0;
- }
- g_rec_sta = 0;
- recsec = 0;
-
- /* 关闭DS0 */
- LED(1);
-
- /* 清除显示,清除之前显示的录音文件名 */
- lcd_fill(30,
- 190,
- lcd_self.width,
- lcd_self.height,
- WHITE);
- break;
-
- /* REC/PAUSE */
- case KEY0_PRES:
-
- /* 如果是暂停,继续录音 */
- if (g_rec_sta & 0x01)
- {
- /* 取消暂停 */
- g_rec_sta &= 0xFE;
- }
-
- /* 已经在录音了,暂停 */
- else if (g_rec_sta & 0x80)
- {
- /* 暂停 */
- g_rec_sta |= 0x01;
- }
-
- /* 还没开始录音 */
- else
- {
- recsec = 0;
-
- /* 得到新的名字 */
- recoder_new_pathname(pname);
- text_show_string(30,
- 190,
- lcd_self.width,
- 16,
- "录制:",
- 16,
- 0,
- RED);
-
- /* 显示当前录音文件名字 */
- text_show_string(30 + 40,
- 190,
- lcd_self.width,
- 16,
- (char *)pname + 11,
- 16,
- 0,
- RED);
-
- /* 初始化wav数据 */
- recoder_wav_init(wavhead);
-
- /* 打开文件 */
- res = f_open(f_rec,
- (const TCHAR*)pname,
- FA_CREATE_ALWAYS |
- FA_WRITE);
-
- /* 文件创建失败 */
- if (res)
- {
- /* 创建文件失败,不能录音 */
- g_rec_sta = 0;
-
- /* 提示是否存在SD卡 */
- rval = 0xFE;
- }
- else
- {
- /* 写入头数据 */
- res = f_write(f_rec,
- (const void *)wavhead,
- sizeof(__WaveHeader),
- (UINT*)&bw);
-
- recoder_msg_show(0, 0);
-
- /* 开始录音 */
- g_rec_sta |= 0x80;
- }
- }
- if (g_rec_sta & 0x01)
- {
- /* 提示正在暂停 */
- LED(0);
- }
- else
- {
- LED(1);
- }
- break;
- /* 播放最近一段录音 */
- case KEY3_PRES:
-
- /* 没有在录音 */
- if (g_rec_sta != 0x80)
- {
- /* 如果按键被按下,且pname不为空 */
- if (pname[0])
- {
- text_show_string(30,
- 190,
- lcd_self.width, 16, "播放:", 16, 0, RED);
-
- /* 显示当播放的文件名字 */
- text_show_string(30 + 40,
- 190,
- lcd_self.width,
- 16,
- (char *)pname + 11,
- 16,
- 0,
- RED);
-
- /* 进入播放模式 */
- recoder_enter_play_mode();
-
- /* 播放pname */
- audio_play_song(pname);
-
- /* 清除显示,清除之前显示的录音文件名 */
- lcd_fill(30,
- 190,
- lcd_self.width,
- lcd_self.height,
- WHITE);
-
- /* 重新进入录音模式 */
- recoder_enter_rec_mode();
- }
- }
- break;
- }
- if ((g_rec_sta & 0x80) == 0x80)
- {
- if ((g_rec_sta & 0x01) == 0x00)
- {
- bytes_read = i2s_rx_read((uint8_t *)pdatabuf, 1024 * 10);
-
- /* 写入文件 */
- res = f_write(f_rec, pdatabuf, bytes_read, (UINT*)&bw);
- if (res)
- {
- printf("write error:%d\r\n", res);
- }
- /* WAV数据大小增加 */
- g_wav_size += bytes_read;
- }
- }
- else
- {
- vTaskDelay(1);
- }
- timecnt++;
- if ((timecnt % 20) == 0)
- {
- /* LED闪烁 */
- LED_TOGGLE();
- }
- /* 录音时间显示 */
- if (recsec != (g_wav_size / wavhead->fmt.ByteRate))
- {
- /* 录音时间 */
- recsec = g_wav_size / wavhead->fmt.ByteRate;
-
- /* 显示码率 */
- recoder_msg_show(recsec,
- wavhead->fmt.SampleRate *
- wavhead->fmt.NumOfChannels *
- wavhead->fmt.BitsPerSample);
- }
- }
- }
- /* 释放内存 */
- free(pdatabuf);
-
- /* 释放内存 */
- free(f_rec);
-
- /* 释放内存 */
- free(wavhead);
-
- /* 释放内存 */
- free(pname);
- }
复制代码
42.3.4 CMakeLists.txt文件
打开本实验BSP下的CMakeLists.txt文件,其内容如下所示:
- set(src_dirs
- IIC
- LCD
- LED
- SDIO
- SPI
- XL9555
- ES8388
- I2S)
- set(include_dirs
- IIC
- LCD
- LED
- SDIO
- SPI
- XL9555
- ES8388
- I2S)
- set(requires
- driver
- fatfs)
- idf_component_register(SRC_DIRS ${src_dirs}
- INCLUDE_DIRS ${include_dirs} REQUIRES ${requires})
- component_compile_options(-ffast-math -O3 -Wno-error=format=-Wno-format)
复制代码 上述的红色I2C、ES8388驱动需要由开发者自行添加,以确保录音驱动能够顺利集成到构建系统中。这一步骤是必不可少的,它确保了录音驱动的正确性和可用性,为后续的开发工作提供了坚实的基础。
打开本实验main文件下的CMakeLists.txt文件,其内容如下所示:
- idf_component_register(
- SRC_DIRS
- "."
- "app"
- INCLUDE_DIRS
- "."
- "app")
复制代码 上述的红色app驱动需要由开发者自行添加,在此便不做赘述了。
42.3.5 实验应用代码
打开main/main.c文件,该文件定义了工程入口函数,名为app_main。该函数代码如下。
- i2c_obj_t i2c0_master;
- /**
- * @brief 程序入口
- * @param 无
- * @retval 无
- */
- void app_main(void)
- {
- esp_err_t ret;
- uint8_t key = 0;
- /* 初始化NVS */
- ret = nvs_flash_init();
- if (ret == ESP_ERR_NVS_NO_FREE_PAGES ||
- ret == ESP_ERR_NVS_NEW_VERSION_FOUND)
- {
- ESP_ERROR_CHECK(nvs_flash_erase());
- ret = nvs_flash_init();
- }
- /* 初始化LED */
- led_init();
-
- /* 初始化IIC0 */
- i2c0_master = iic_init(I2C_NUM_0);
-
- /* 初始化SPI */
- spi2_init();
-
- /* 初始化IO扩展芯片 */
- xl9555_init(i2c0_master);
-
- /* 初始化LCD */
- lcd_init();
- /* ES8388初始化 */
- es8388_init(i2c0_master);
-
- /* 设置耳机音量 */
- es8388_hpvol_set(25);
-
- /* 设置喇叭音量 */
- es8388_spkvol_set(25);
-
- /* 打开喇叭 */
- xl9555_pin_write(SPK_EN_IO,0);
-
- /* I2S初始化 */
- i2s_init();
- /* 检测不到SD卡 */
- while (sd_spi_init())
- {
- lcd_show_string(30, 110, 200, 16, 16, "SD Card Error!", RED);
- vTaskDelay(500);
- lcd_show_string(30, 130, 200, 16, 16, "Please Check! ", RED);
- vTaskDelay(500);
- }
- /* 检查字库 */
- while (fonts_init())
- {
- /* 清屏 */
- lcd_clear(WHITE);
- lcd_show_string(30, 30, 200, 16, 16, "ESP32-S3", RED);
-
- /* 更新字库 */
- key = fonts_update_font(30, 50, 16, (uint8_t *)"0:", RED);
- /* 更新失败 */
- while (key)
- {
- lcd_show_string(30, 50, 200, 16, 16, "Font Update Failed!", RED);
- vTaskDelay(200);
- lcd_fill(20, 50, 200 + 20, 90 + 16, WHITE);
- vTaskDelay(200);
- }
- lcd_show_string(30, 50, 200, 16, 16, "Font Update Success! ", RED);
- vTaskDelay(1500);
-
- /* 清屏 */
- lcd_clear(WHITE);
- }
-
- /* 为fatfs相关变量申请内存 */
- ret = exfuns_init();
-
- /* 实验信息显示延时 */
- vTaskDelay(500);
- text_show_string(30, 50, 200, 16, "正点原子ESP32开发板", 16, 0, RED);
- text_show_string(30, 70, 200, 16, "WAV 录音机 实验", 16, 0, RED);
- text_show_string(30, 90, 200, 16, "正点原子@ALIENTEK", 16, 0, RED);
- while (1)
- {
- /* 录音 */
- wav_recorder();
- }
- }
复制代码 可以看到main函数与音乐播放器实验十分类似,封装好了APP,main函数会精简很多。
42.4 下载验证
在代码编译成功之后,我们下载代码到正点原子DNESP32S3开发板上,先初始化各外设,然后检测字库是否存在,如果检测无问题,再检测SD卡根目录是否存在RECORDER文件夹,如果不存在则创建,如果创建失败,则报错。在找到SD卡的RECORDER文件夹后,即进入录音模式(包括配置ES8388和I²S等),此时可以在耳机(或喇叭)听到采集到的音频。KEY0用于开始/暂停录音,KEY2用于保存并停止录音,KEY3用于播放最近一次的录音。
图42.4.1 录音机实验界面
此时,我们按下KEY0就开始录音了,此时看到屏幕显示录音文件的名字以及录音时长,如图42.4.2所示:
图42.4.2 录音进行中
在录音的时候按下KEY0则执行暂停/继续录音的切换,通过LED指示录音暂停。通过按下KEY2,可以停止当前录音,并保存录音文件。在完成一次录音文件保存之后,我们可以通过按KEY3按键,来实现播放这个录音文件(即播放最近一次的录音文件),实现试听。
我们可以把录音完成的wav文件放到电脑上,可以通过一些播放软件播放并查看详细的音频编码信息,本例程使用的是KMPlayer播放,查看到的信息如图42.4.3所示:
图42.4.3 录音文件属性
这和我们程序设计时的效果一样,通过电脑端的播放器可以直接播放我们所录的音频。经实测,效果还是非常不错的。 |
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曾经有一段真挚的爱情摆在我的面前,我没有珍惜,现在想起来,还好我没有珍惜……
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