【立创·实战派ESP32-S3】文档教程

第 7 章音频输入-ES7210

实战派ESP32-C3 开发板的音频输入和输出，使用一个芯片 es8310 完成。实战派ESP32-S3 开发板的音频输入和输出则使用了 2 个芯片，es7210 连接 MIC 负责音频输入，es8311 只负责音频输出。

es7210 可以连接 4 个 MIC，开发板上连接了 3 个 MIC，MIC1 和 MIC2 接收人说话的声音，而 MIC3 连接了 es8311 的输出，用于回声消除。

S3 芯片可以做 AI 语音识别对话，需要用到回声消除，就是音响在播放声音的时候，我们也可以说话打断它。这个原理就是 es8311 输出的信号，不仅给了喇叭，还给了 es7210 的 MIC3 输入，ESP32 在接收到 MIC1 MIC2 和 MIC3 的声音后，可以分离出 MIC3，从而进行识别。

以上回声消除的算法，乐鑫已经写好代码，我们直接调用就可以。

本例程还没有涉及到 AI 语音对话（后面会有 AI 语音对话例程），只是对 MIC1 和 MIC2 的声音进行采集。本例程将实现录制人的声音，并把录制好的声音存储到 SD 卡中，格式为 wav。

7.1 使用例程

本例程主要实现的功能是录音，声音文件格式保存为 wav，写到 SD 卡里面。

把开发板提供的【04-audio_es7210】例程复制到你的实验文件夹当中，并使用 VSCode 打开工程。

准备一张 microSD 卡，把重要的文件拷贝走，以免做实验的时候损坏文件。把 microSD 卡插入开发板卡槽，再把开发板插入电脑。在 VSCode 上选择串口号，选择目标芯片为 esp32s3，串口下载方式，然后点击“一键三联”按钮，等待编译下载打开终端。

终端自动打开后，输出结果中会提示开始录音的倒计时，一共可以录制 10 秒钟。

shell

I (358) main_task: Calling app_main()
I (358) example: Create I2S receive channel
I (368) example: Configure I2S receive channel to TDM mode
I (378) example: Init I2C used to configure ES7210
I (378) example: Configure ES7210 codec parameters
I (388) ES7210: format: standard i2s, bit width: 16, tdm mode enabled
I (398) ES7210: sample rate: 48000Hz, mclk frequency: 12288000Hz
I (398) example: Mounting SD card
I (398) example: Initializing SD card
I (408) example: Using SDMMC peripheral
I (408) example: Mounting filesystem
I (418) gpio: GPIO[47]| InputEn: 0| OutputEn: 0| OpenDrain: 0| Pullup: 1| Pulldown: 0| Intr:0
I (428) gpio: GPIO[48]| InputEn: 0| OutputEn: 0| OpenDrain: 0| Pullup: 1| Pulldown: 0| Intr:0
I (438) gpio: GPIO[21]| InputEn: 0| OutputEn: 0| OpenDrain: 0| Pullup: 1| Pulldown: 0| Intr:0
I (478) example: Card size: 30726MB, speed: 20MHz
I (478) example: Opening file /RECORD.WAV
I (488) example: Recording: 1/10s
I (1498) example: Recording: 2/10s
I (2498) example: Recording: 3/10s
I (3498) example: Recording: 4/10s
I (4508) example: Recording: 5/10s
I (5508) example: Recording: 6/10s
I (6508) example: Recording: 7/10s
I (7508) example: Recording: 8/10s
I (8488) example: Recording: 9/10s
I (9498) example: Recording: 10/10s
I (10498) example: Recording done! Flushing file buffer
I (10508) example: Audio was successfully recorded into /RECORD.WAV. You can now remove the SD card safely
I (10508) main_task: Returned from app_main()

当看到 Recording: 1/10s 出现时，就可以开始对着开发板说话了，10 秒钟后录制结束。保存到 SD 卡上的文件名称为 RECORD.WAV。

按 Ctrl+]退出终端后，开发板断电，把开发板上的 SD 卡插入读卡器，在电脑上可以看到 SD 卡里面多了一个 RECORD.WAV 文件，如下图所示：

双击使用你电脑上的音频播放器就可以播放。

7.2 例程讲解

本例程和之前的例程相比，在 main 文件夹下多了一个 yml 文件。

此文件是组件依赖项清单文件，里面包含了工程需要的组件名称和版本号，在配置目标芯片时，会自动清单中的组件从乐鑫组件管理器官网下载到工程中。点击打开此文件，可以看到本例程需要的组件名称和版本号，如下所示：

yaml

## IDF Component Manager Manifest File
dependencies:
    espressif/es7210: '^1.0.0'
    ## Required IDF version
    idf:
        version: '>=4.4.0'
    # # 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

其中#符号后面的都是注释，不需要的话删除也可以。在文件中，指定了需要的组件只有一个，就是es7210组件，idf后面是指定了本例程需要的idf编译器版本号。

乐鑫组件管理器官网：https://components.espressif.com/

你可以把组件理解为别人写好的驱动代码，只要下载到工程中调用即可。

下载组件会自动创建一个名称为managed_components的文件夹，然后把组件代码放到里面。

本例程主要代码都在main.c中，format_wav.h文件在存储文件的时候调用。

点击打开main.c文件，找到app_main函数。

void app_main(void)
{
    /* 初始化I2S接口 */
    i2s_chan_handle_t i2s_rx_chan = es7210_i2s_init();
    /* 初始化es7210芯片 */
    es7210_codec_init();
    /* 挂载SD卡 */
    sdmmc_card_t *sdmmc_card = mount_sdcard();
    /* 录音 */
    esp_err_t err = record_wav(i2s_rx_chan);
    /* 弹出SD卡 */
    esp_vfs_fat_sdcard_unmount(EXAMPLE_SD_MOUNT_POINT, sdmmc_card);
    if(err == ESP_OK) {
        ESP_LOGI(TAG, "Audio was successfully recorded into "EXAMPLE_RECORD_FILE_PATH
                      ". You can now remove the SD card safely");
    } else {
        ESP_LOGE(TAG, "Record failed, "EXAMPLE_RECORD_FILE_PATH" on SD card may not be playable.");
    }
}

在app_main函数里面，使用了4个函数。分别是：

初始化I2S总线 es7210_i2s_init()
初始化es7210芯片 es7210_codec_init()
加载SD卡 mount_sdcard()
录制声音 record_wav()

这4个函数都位于app_main()主函数的前面，接下来我们看一下这4个函数的具体实现过程。

es7210_i2s_init()函数

static i2s_chan_handle_t es7210_i2s_init(void)
{
    i2s_chan_handle_t i2s_rx_chan = NULL;  // 定义接收通道句柄
    ESP_LOGI(TAG, "Create I2S receive channel");
    i2s_chan_config_t i2s_rx_conf = I2S_CHANNEL_DEFAULT_CONFIG(I2S_NUM_AUTO, I2S_ROLE_MASTER); // 配置接收通道
    ESP_ERROR_CHECK(i2s_new_channel(&i2s_rx_conf, NULL, &i2s_rx_chan)); // 创建i2s通道

    ESP_LOGI(TAG, "Configure I2S receive channel to TDM mode");
    // 定义接收通道为I2S TDM模式 并配置
    i2s_tdm_config_t i2s_tdm_rx_conf = {
        .slot_cfg = I2S_TDM_PHILIPS_SLOT_DEFAULT_CONFIG(EXAMPLE_I2S_SAMPLE_BITS, I2S_SLOT_MODE_STEREO, EXAMPLE_I2S_TDM_SLOT_MASK),
        .clk_cfg  = {
            .clk_src = I2S_CLK_SRC_DEFAULT,
            .sample_rate_hz = EXAMPLE_I2S_SAMPLE_RATE,
            .mclk_multiple = EXAMPLE_I2S_MCLK_MULTIPLE
        },
        .gpio_cfg = {
            .mclk = EXAMPLE_I2S_MCK_IO,
            .bclk = EXAMPLE_I2S_BCK_IO,
            .ws   = EXAMPLE_I2S_WS_IO,
            .dout = -1, // ES7210 only has ADC capability
            .din  = EXAMPLE_I2S_DI_IO
        },
    };

    ESP_ERROR_CHECK(i2s_channel_init_tdm_mode(i2s_rx_chan, &i2s_tdm_rx_conf)); // 初始化I2S通道为TDM模式

    return i2s_rx_chan;
}

这个函数中，最主要的是倒数第2行代码，就是i2s_channel_init_tdm_mode(i2s_rx_chan, &i2s_tdm_rx_conf)函数，这个函数用来初始化i2s通道为tdm模式，函数里面的2个参数，i2s_rx_chan和i2s_tdm_rx_conf，分别是通道句柄，和通道配置结构体，这两个在前面分别定义。

上面代码，开通了I2S接收通道，没有开通I2S发送通道，因为ES7210只用于接收声音，不用于发送声音。

这里简单介绍一下标准I2S和TDM_I2S模式的区别。

下图是ES7210工作在I2S模式下的时序图：

下图是ES7210工作在TDM_I2S模式下的时序图：

通过上面两张图对比发现，ES7210工作在I2S模式时，只能采集2个通道，而工作在TDM_I2S模式时，可以采集4个通道。

es7210_codec_init()函数

es7210芯片的初始化函数代码如下所示：

static void es7210_codec_init(void)
{
    // 初始化I2C接口
    ESP_LOGI(TAG, "Init I2C used to configure ES7210");
    i2c_config_t i2c_conf = {
        .sda_io_num = EXAMPLE_I2C_SDA_IO,
        .scl_io_num = EXAMPLE_I2C_SCL_IO,
        .mode = I2C_MODE_MASTER,
        .sda_pullup_en = GPIO_PULLUP_ENABLE,
        .scl_pullup_en = GPIO_PULLUP_ENABLE,
        .master.clk_speed = EXAMPLE_ES7210_I2C_CLK,
    };
    ESP_ERROR_CHECK(i2c_param_config(EXAMPLE_I2C_NUM, &i2c_conf));
    ESP_ERROR_CHECK(i2c_driver_install(EXAMPLE_I2C_NUM, i2c_conf.mode, 0, 0, 0));

    // 配置es7210器件句柄
    es7210_dev_handle_t es7210_handle = NULL;
    es7210_i2c_config_t es7210_i2c_conf = {
        .i2c_port = EXAMPLE_I2C_NUM,
        .i2c_addr = EXAMPLE_ES7210_I2C_ADDR
    };
    ESP_ERROR_CHECK(es7210_new_codec(&es7210_i2c_conf, &es7210_handle));

    // 初始化es7210芯片
    ESP_LOGI(TAG, "Configure ES7210 codec parameters");
    es7210_codec_config_t codec_conf = {
        .i2s_format = EXAMPLE_I2S_TDM_FORMAT,
        .mclk_ratio = EXAMPLE_I2S_MCLK_MULTIPLE,
        .sample_rate_hz = EXAMPLE_I2S_SAMPLE_RATE,
        .bit_width = (es7210_i2s_bits_t)EXAMPLE_I2S_SAMPLE_BITS,
        .mic_bias = EXAMPLE_ES7210_MIC_BIAS,
        .mic_gain = EXAMPLE_ES7210_MIC_GAIN,
        .flags.tdm_enable = true
    };
    ESP_ERROR_CHECK(es7210_config_codec(es7210_handle, &codec_conf));
    ESP_ERROR_CHECK(es7210_config_volume(es7210_handle, EXAMPLE_ES7210_ADC_VOLUME));
}

上述代码中的第3到14行，初始化了I2C总线，因为ES7210需要使用I2C通信进行寄存器的配置。

第35行，es7210_config_codec()函数，用来初始化配置ES7210的各个寄存器。它的两个参数，在它前面已经配置好。

第36行，es7210_config_volume()函数，用来配置ADC的增益。

这里调用的几个开头为es7210的函数，都位于es7210组件中，鼠标点击函数后按F12可以跳转过去。

mount_sdcard()函数

加载SD卡的函数，函数中内容都是在上一章说过的，这里就不多说了。

record_wav()函数

录制声音的函数代码如下所示：

static esp_err_t record_wav(i2s_chan_handle_t i2s_rx_chan)
{
    ESP_RETURN_ON_FALSE(i2s_rx_chan, ESP_FAIL, TAG, "invalid i2s channel handle pointer");
    esp_err_t ret = ESP_OK;

    uint32_t byte_rate = EXAMPLE_I2S_SAMPLE_RATE * EXAMPLE_I2S_CHAN_NUM * EXAMPLE_I2S_SAMPLE_BITS / 8;
    uint32_t wav_size = byte_rate * EXAMPLE_RECORD_TIME_SEC;

    const wav_header_t wav_header =
        WAV_HEADER_PCM_DEFAULT(wav_size, EXAMPLE_I2S_SAMPLE_BITS, EXAMPLE_I2S_SAMPLE_RATE, EXAMPLE_I2S_CHAN_NUM);

    ESP_LOGI(TAG, "Opening file %s", EXAMPLE_RECORD_FILE_PATH);
    FILE *f = fopen(EXAMPLE_SD_MOUNT_POINT EXAMPLE_RECORD_FILE_PATH, "w");
    ESP_RETURN_ON_FALSE(f, ESP_FAIL, TAG, "error while opening wav file");

    /* Write wav header */
    ESP_GOTO_ON_FALSE(fwrite(&wav_header, sizeof(wav_header_t), 1, f), ESP_FAIL, err,
                      TAG, "error while writing wav header");

    /* Start recording */
    size_t wav_written = 0;
    static int16_t i2s_readraw_buff[4096];
    ESP_GOTO_ON_ERROR(i2s_channel_enable(i2s_rx_chan), err, TAG, "error while starting i2s rx channel");
    while (wav_written < wav_size) {
        if(wav_written % byte_rate < sizeof(i2s_readraw_buff)) {
            ESP_LOGI(TAG, "Recording: %"PRIu32"/%ds", wav_written/byte_rate + 1, EXAMPLE_RECORD_TIME_SEC);
        }
        size_t bytes_read = 0;
        /* Read RAW samples from ES7210 */
        ESP_GOTO_ON_ERROR(i2s_channel_read(i2s_rx_chan, i2s_readraw_buff, sizeof(i2s_readraw_buff), &bytes_read,
                          pdMS_TO_TICKS(1000)), err, TAG, "error while reading samples from i2s");
        /* Write the samples to the WAV file */
        ESP_GOTO_ON_FALSE(fwrite(i2s_readraw_buff, bytes_read, 1, f), ESP_FAIL, err,
                          TAG, "error while writing samples to wav file");
        wav_written += bytes_read;
    }

err:
    i2s_channel_disable(i2s_rx_chan);
    ESP_LOGI(TAG, "Recording done! Flushing file buffer");
    fclose(f);

    return ret;
}

WAV文件由header和数据构成，详细的文件格式协议，可以去参考其它资料。

上述代码，用来配置wav_header，以及写入wav数据。

代码中，出现了1个fopen函数和2个fwrite函数。fopen函数用来在SD卡上创建名称为RECORD.WAV的文件。第1个fwirte函数用来给文件中写音频header，第2个fwirte函数用来给文件中写音频数据。

7.3 例程制作过程

我们还是使用sample project作为模板，复制sample_project这个工程到我们的实验文件夹，然后把这个文件夹的名称修改为04-audio_es7210，修改后我的工程路径为D:\esp32s3\04-audio_es7210。

使用VSCode打开audio_es7210工程。再打开一个VSCode打开esp-idf整个文件夹，我们需要参考官方的i2s_es7210_tdm例程，该例程在esp-idf中的路径为examples\peripherals\i2s\i2s_codec\i2s_es7210_tdm。

我们先点击打开audio_es7210工程目录下的CMakeList.txt文件，修改工程的名称为audio_es7210，然后保存关闭此文件。

project(audio_es7210)

点击打开官方i2s_es7210_tdm例程的主c文件，直接把这个i2s_es7210_record_example.c文件中的全部代码复制到实验例程的main.c里面，然后在实验例程的main.c中进行修改。

按照从上往下的顺序，最开始是I2C、I2S、SDIO相关的引脚和外设序号定义，我们把条件编译语句删除，并且依据开发板的引脚进行修改，修改之后的代码如下所示。

/* I2C port and GPIOs */
#define EXAMPLE_I2C_NUM            (0)
#define EXAMPLE_I2C_SDA_IO         (1)
#define EXAMPLE_I2C_SCL_IO         (2)

/* I2S port and GPIOs */
#define EXAMPLE_I2S_NUM            (0)
#define EXAMPLE_I2S_MCK_IO         (38)
#define EXAMPLE_I2S_BCK_IO         (14)
#define EXAMPLE_I2S_WS_IO          (13)
#define EXAMPLE_I2S_DI_IO          (12)

/* SD card GPIOs */
#define EXAMPLE_SD_CMD_IO      (48)
#define EXAMPLE_SD_CLK_IO      (47)
#define EXAMPLE_SD_DAT0_IO     (21)

再往下是I2S的配置参数，把CHAN_NUM改成2，把TDM_SLOT_MASK改成SLOT0|SLOT1，因为开发板上只有MIC1和MIC2接收声音，最后如下所示：

/* I2S configurations */
#define EXAMPLE_I2S_TDM_FORMAT     (ES7210_I2S_FMT_I2S)
#define EXAMPLE_I2S_CHAN_NUM       (2)
#define EXAMPLE_I2S_SAMPLE_RATE    (48000)
#define EXAMPLE_I2S_MCLK_MULTIPLE  (I2S_MCLK_MULTIPLE_256)
#define EXAMPLE_I2S_SAMPLE_BITS    (I2S_DATA_BIT_WIDTH_16BIT)
#define EXAMPLE_I2S_TDM_SLOT_MASK  (I2S_TDM_SLOT0 | I2S_TDM_SLOT1)

再往下，把es7210的I2C地址由原来的0x40改成0x41。I2C地址依据es7210芯片的AD0和AD1引脚决定，当AD0和AD1都接GND时，地址是0x40。开发板的AD0接高电平，AD1接低电平，I2C地址是0x41。

#define EXAMPLE_ES7210_I2C_ADDR    (0x41)

再往下修改es7210_i2s_init()函数，ES7210工作在TDM模式时，又可以分为TDM_I2S、TDM_LJ、TDM_DSP_A和TDM_DSP_B，所以会有下述代码中的4个条件编译，这4种的具体区别，可以看ES7210数据手册对应的4种时序图。现在我们只需要让它工作在ES7210_I2S_FMT_I2S模式就可以。把条件编译语句去掉，只留下ES7210_I2S_FMT_I2S的语句，结果如下所示：

static i2s_chan_handle_t es7210_i2s_init(void)
{
    i2s_chan_handle_t i2s_rx_chan = NULL;
    ESP_LOGI(TAG, "Create I2S receive channel");
    i2s_chan_config_t i2s_rx_conf = I2S_CHANNEL_DEFAULT_CONFIG(I2S_NUM_AUTO, I2S_ROLE_MASTER);
    ESP_ERROR_CHECK(i2s_new_channel(&i2s_rx_conf, NULL, &i2s_rx_chan));

    ESP_LOGI(TAG, "Configure I2S receive channel to TDM mode");
    i2s_tdm_config_t i2s_tdm_rx_conf = {
        .slot_cfg = I2S_TDM_PHILIPS_SLOT_DEFAULT_CONFIG(EXAMPLE_I2S_SAMPLE_BITS, I2S_SLOT_MODE_STEREO, EXAMPLE_I2S_TDM_SLOT_MASK),
        .clk_cfg  = {
            .clk_src = I2S_CLK_SRC_DEFAULT,
            .sample_rate_hz = EXAMPLE_I2S_SAMPLE_RATE,
            .mclk_multiple = EXAMPLE_I2S_MCLK_MULTIPLE
        },
        .gpio_cfg = {
            .mclk = EXAMPLE_I2S_MCK_IO,
            .bclk = EXAMPLE_I2S_BCK_IO,
            .ws   = EXAMPLE_I2S_WS_IO,
            .dout = -1, // ES7210 only has ADC capability
            .din  = EXAMPLE_I2S_DI_IO
        },
    };

    ESP_ERROR_CHECK(i2s_channel_init_tdm_mode(i2s_rx_chan, &i2s_tdm_rx_conf));

    return i2s_rx_chan;
}

接下来修改mount_sdcard函数的内容，官方例程使用的是SPI方式与SD卡通信，现在我们需要改成1-SD模式，在上一章的SD卡例程中，app_main中的前几行，就是1-SD模式SD卡挂载的代码，参考那里的代码，就可以把这里修改好。修改好以后的mount_sdcard函数如下所示：

sdmmc_card_t * mount_sdcard(void)
{
    sdmmc_card_t *sdmmc_card = NULL;

    ESP_LOGI(TAG, "Mounting SD card");
    esp_vfs_fat_sdmmc_mount_config_t mount_config = {
        .format_if_mount_failed = true,
        .max_files = 2,
        .allocation_unit_size = 8 * 1024
    };

    ESP_LOGI(TAG, "Initializing SD card");
    ESP_LOGI(TAG, "Using SDMMC peripheral");

    sdmmc_host_t sdmmc_host = SDMMC_HOST_DEFAULT(); // SDMMC主机接口配置
    sdmmc_slot_config_t slot_config = SDMMC_SLOT_CONFIG_DEFAULT(); // SDMMC插槽配置
    slot_config.width = 1;  // 设置为1线SD模式
    slot_config.clk = EXAMPLE_SD_CLK_IO;
    slot_config.cmd = EXAMPLE_SD_CMD_IO;
    slot_config.d0 = EXAMPLE_SD_DAT0_IO;
    slot_config.flags |= SDMMC_SLOT_FLAG_INTERNAL_PULLUP; // 打开内部上拉电阻

    ESP_LOGI(TAG, "Mounting filesystem");

    esp_err_t ret;
    while (1) {
        ret = esp_vfs_fat_sdmmc_mount(EXAMPLE_SD_MOUNT_POINT, &sdmmc_host, &slot_config, &mount_config, &sdmmc_card);
        if (ret == ESP_OK) {
            break;
        } else if (ret == ESP_FAIL) {
            ESP_LOGE(TAG, "Failed to mount filesystem.");
        } else {
            ESP_LOGE(TAG, "Failed to initialize the card (%s). ", esp_err_to_name(ret));
        }
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));
    }

    ESP_LOGI(TAG, "Card size: %lluMB, speed: %dMHz",
            (((uint64_t)sdmmc_card->csd.capacity) * sdmmc_card->csd.sector_size) >> 20,
            sdmmc_card->max_freq_khz / 1000);

    return sdmmc_card;
}

接下来，需要给文件添加两个sdmmc的头文件，原例程使用的是SPI，我们改成了SD模式，所以需要增加这两个头文件。

#include "sdmmc_cmd.h"
#include "driver/sdmmc_host.h"

app_main函数中的其它代码，就不需要修改了。

把官方例程main文件夹下的idf_component.yml文件复制到实验例程的main文件夹下。这个文件用来加载乐鑫的es7210组件。

例程还需要用到format_wav.h这个文件，这个文件的路径位于examples/peripherals/i2s/common，我们找到这个文件，把它复制到实验例程的main文件夹里面。

到这里，程序代码就全部修改好了。

接下来，先选择目标芯片，再修改menuconfig，顺序不能反！！！注意每个例程都是如此。

在menuconfig里面，把FLASH大小修改为16MB，然后把FAT文件系统的Block size修改为4096，然后保存关闭。

接下来就可以编译下载看结果了。

如果你保存的文件需要支持长文件名、支持中文等，请参考第6章的menuconfig配置。

如果没有问题的话，使用idf.py save-defconfig命令生成sdkconfig.defaults文件，此文件保存了你在menuconfig中做的所有改动配置，不包含默认的配置。

文档教程资料

文档教程资料

【立创·实战派ESP32-S3】文档教程

第 7 章音频输入-ES7210

7.1 使用例程

7.2 例程讲解

7.3 例程制作过程

【立创·实战派ESP32-S3】文档教程 ​

第 7 章 音频输入-ES7210 ​

7.1 使用例程 ​

7.2 例程讲解 ​

7.3 例程制作过程 ​

【立创·实战派ESP32-S3】文档教程

第 7 章音频输入-ES7210

7.1 使用例程

7.2 例程讲解

7.3 例程制作过程