《DNK210使用指南 -CanMV版 V1.0》第二十八章音频播放实验

2024-10-09 14:30 由正点原子发表于 #其他

第二十八章音频播放实验

1）实验平台：正点原子DNK210开发板

2）章节摘自【正点原子】DNK210使用指南 - CanMV版 V1.0

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本章将介绍CanMV下的音频播放，通过CanMV提供的模块便能快速实现音频播放。通过本章的学习，读者将学习到CanMV下控制I2S输出音频数据和audio模块的使用。
本章分为如下几个小节：
28.1 maix.I2S模块及audio模块介绍
28.2 硬件设计
28.3 程序设计
28.4 运行验证

28.1 maix.I2S模块及audio模块介绍
Kendryte K210拥有三个I2S标准接口，且都是Master模式，Kendryte K210上的I2S特点如下所示：

总线宽度可配置为8、16、32位
每个接口最多支持4个立体声通道
由于发送器和接收器的独立性，所以支持全双工通信
APB总线和I2S sclk的异步时钟
音频数据分辨率为12、16、20、14、32位
可配置的FIFO深度为2、4、8、16字
可配置可编程的DMA寄存器
可编程FIFO阈值

在CanMV中可以使用CanMV提供的maix.I2S模块操作Kendryte K210上的I2S。maix.I2S模块可以配置I2S的通道传输模式、通道分辨率、采样率等参数。
maix.I2S模块提供了I2S构造函数，用于创建一个I2S对象，I2S构造函数如下所示：

class I2S(device_num, sample_points=1024, pll2=0, mclk=0)

通过I2S构造函数可以通过指定参数创建并初始化一个I2S对象。
device_num指的是I2S设备的编号，可以指I2S.DEVICE_0、I2S.DEVICE_1或I2S.DEVICE_2，它们分别对用了Kendryte K210硬件上的三个I2S接口设备。
sample_points指的是I2S设备的采样率，默认为1024，最大值为65536。
pll2指的是Kendryte K210 PLL2的频率，当为0时表示不对PLL2进行额外配置。
mclk指的是Kendryte K210 I2S设备输入时钟的分频系数，输入时钟来自PLL2，当为0时表示不对该分频系数进行额外配置。
I2S构造函数的使用示例如下所示：

from maix import I2S
i2s_dev = I2S(I2S.DEVICE_0)

maix.I2S为I2S对象提供了channel_config()方法，用于对I2S设备的通道进行配置，channel_config()方法如下所示：

I2S.channel_config(channel=I2S.CHANNEL_0, mode=I2S.RECEIVER, resolution=I2S.RESOLUTION_16_BIT,
 cycles=I2S.SCLK_CYCLES_32, align_mode=I2S.STANDARD_MODE)

channel_config()方法用于配置I2S设备指定通道的各项参数，包括传输模式、分辨率、单个数据时钟数、对齐模式等。
channel指的是通道编号，可以是I2S.CHANNEL_0~I2S.CHANNEL_3，分别对应了Kendryte K210 I2S设备的通道0~通道3。
mode指的是I2S通道的传输模式，可以是I2S.TRANSMITTER或I2S.RECEIVER，分别对应了发送模式和接收模式，其中发送模式用于播放音频，而接收模式用于录制音频。
resolution指的是I2S通道的分辨率，即接收数据位数，可以是I2S.RESOLUTION_12_BIT、I2S.RESOLUTION_16_BIT、I2S.RESOLUTION_20_BIT、I2S.RESOLUTION_24_BIT或I2S.RESOLUTION_32_BIT。
cycles指的是I2S通道的单个数据占用的时钟数量，可以是I2S.SCLK_CYCLES_16、I2S.SCLK_CYCLES_24或I2S.SCLK_CYCLES_32。
align_mode指的是I2S通道的数据对齐模式，可以是I2S.STANDARD_MODE、I2S.RIGHT_JUSTIFYING_MODE或I2S.LEFT_JUSTIFYING_MODE。
channel_config()方法的使用示例如下所示：

from maix import I2S
i2s_dev = I2S(I2S.DEVICE_0)
i2s_dev.channel_config(I2S.CHANNEL_0, I2S.TRANSMITTER, resolution=I2S.RESOLUTION_16_BIT, 
cycles=I2S.SCLK_CYCLES_32, align_mode=I2S.STANDARD_MODE)

maix.I2S为I2S对象提供了set_sample_rate()方法，用于配置I2S对象的采样率，set_sample_rate()方法如下所示：

I2S.set_sample_rate(sample_rate)

set_sample_rate()方法用于配置I2S对象的采样率，只有正确地配置了采样率，才能正确地播放音频。
sample_rate指的是采样率，最大值为4194304。
set_sample_rate()方法的使用示例如下所示：

from maix import I2S
i2s_dev = I2S(I2S.DEVICE_0)
i2s_dev.channel_config(I2S.CHANNEL_0, I2S.TRANSMITTER, resolution=I2S.RESOLUTION_16_BIT, 
cycles=I2S.SCLK_CYCLES_32, align_mode=I2S.STANDARD_MODE)
i2s_dev.set_sample_rate(44100)

maix.I2S为I2S对象提供了record()方法，用于从I2S对象获取音频数据，record()方法如下所示：

I2S.record(points=0, time=0)

record()方法用于从I2S对象获取音频数据，获取数据的长度可以通过采样点或时间进行指定。
points指的是获取音频数据的采样点数量，默认为0。
time指的是获取音频数据的时间长度，单位为秒（S），默认为0。
record()的使用示例如下所示：

from maix import I2S
i2s_dev = I2S(I2S.DEVICE_0)
i2s_dev.channel_config(I2S.CHANNEL_0, I2S.TRANSMITTER, resolution=I2S.RESOLUTION_16_BIT, 
cycles=I2S.SCLK_CYCLES_32, align_mode=I2S.STANDARD_MODE)
i2s_dev.set_sample_rate(44100)
i2s_dev.record(time=10)

maix.I2S模块仅仅是用于配置Kendryte K210硬件上的I2S接口设备，但对于音频文件的编解码以及数据流的处理，需要使用到CanMV提供的audio模块。
audio模块是CanMV内置的模块，audio模块用于音频的播放和录制，audio模块可以抽象出音频对象，该对象可以被当作参数传入，也可以直接只用该对象的方法来播放和录制音频。
audio模块提供了Audio构造函数，用于创建一个Audio对象，Audio构造函数如下所示：

class Audio(array=None, path=None, points=1024, is_creat=False, samplerate=44100)

通过Audio构造函数可以通过指定参数创建初始化一个Audio对象。
array指的是bytearray类型的音频数据，可以将该数据转换为音频对象，默认为None。
path指的是文件系统中的音频文件的路径，目前CanMV仅支持WAV格式的音频文件。
points指的是构造Audio对象时创建多少个采样点的音频缓冲区，一个采样点的大小为32bit，默认为1024。
is_creat指的是CanMV以什么样的方式打开path指定的音频文件，当为True时，CanMV将以只写方式打开音频文件，一般用于音频录制，当为False时，CanMV将以只读方式打开音频文件，一般用于音频播放，默认为False。
samplerate指的是采样率，默认为44100。
Audio构造函数的使用示例如下所示：

import audio
audio_player = audio.Audio(path="/sd/MUSIC/play.wav")

audio模块为Audio对象提供了play_process()方法，用于预处理音频对象，play_process()方法如下所示：

audio.play_process(i2s_dev)

play_process()方法用于预处理音频对象，在播放音频之前需要对音频文件进行解析，并且传入一个用于播放音频的I2S对象。
i2s_dev指的是使用maix.I2S模块提供的I2S构造函数构造的I2S对象。
play_process()方法会解析音频文件，并但会以list类型返回WAV文件的头部信息，包含numchannels（声道数）、samplerate（采样率）、byterate（每秒数据字节数 = samplerate * numchannels* bitspersample / 8）、blockalign（每个采样所需的字节数 = numchannels * bitspersample / 8）、bitspersample（每个采样存储的bit数，8：8bit，16：16bit，32：32bit），datasize（音频数据长度）。
play_process()方法的使用示例如下所示：

from maix import I2S
import audio
i2s_dev = I2S(I2S.DEVICE_0)
audio_player = audio.Audio(path="/sd/MUSIC/play.wav")
wav_info = audio_player.play_process(i2s_dev)

audio模块为Audio对象提供了play()方法，用于读取音频文件并解析播放，play()方法如下所示：

audio.play()

play()方法用于读取音频文件并解析播放，每次执行play()函数会读取并解析播放一小段音频文件，因此play()函数需要配合循环使用。
play()方法的使用示例如下所示：

from maix import I2S
import audio
i2s_dev = I2S(I2S.DEVICE_0)
audio_player = audio.Audio(path="/sd/MUSIC/play.wav")
wav_info = audio_player.play_process(i2s_dev)
i2s_dev.set_sample_rate(wav_info[1])
while audio_player.play():
    pass

audio模块为Audio对象提供了volume()方法，用于配置播放音频时的音量，volume()方法如下所示：

audio.volume(volume)

volume()方法用于配置播放音频时的音量。
volume指的是配置的音量，范围为[0, 100]。
volume()方法的使用示例如下所示：

from maix import I2S
import audio
i2s_dev = I2S(I2S.DEVICE_0)
audio_player = audio.Audio(path="/sd/MUSIC/play.wav")
audio_player.volume(30)

audio模块为Audio对象提供了record()方法，用于将从I2S对象获取到的音频数据使用WAV编码保存到文件系统中，record()方法如下所示：

audio.record(record)

record()方法用于将从I2S对象获取到的音频数据保存到构建Audio对象时指定的文件中。
record指的是从I2S对象获取到的音频数据。
record()方法的使用示例如下所示：

from maix import I2S
import audio
i2s_dev = I2S(I2S.DEVICE_0)
i2s_dev.channel_config(I2S.CHANNEL_0, I2S.RECEIVER, align_mode=I2S.STANDARD_MODE)
i2s_dev.set_sample_rate(11400)
audio_recorder = audio.Audio(path="/sd/record.wav", is_create=True, samplerate=11400)
data = i2s_dev.record(time=10)
audio_recorder.record(datas[0])

28.2 硬件设计
28.2.1 例程功能

使用maix.I2S模块和audio模块播放CanMV文件系统中指定的音频文件。

28.2.2 硬件资源

数字功放NS4168
SPK_CTRL- IO21
IIS_SDOUT- IO31
IIS_BCK- IO32
IIS_LRCK- IO33

28.2.3 原理图
本章实验内容，需要解析文件系统中的WAV文件，然后将音频数据通过I2S接口发送到数字功放NS4168，随后NS4168便可根据配置，控制板载的扬声器发声。
DNK210开发板上的数字功放NS4168的连接原理图，如下图所示：

图28.2.3.1 数字功放NS4168连接原理图

关于数字功放NS4168的使用方法，可参考NS4168的数据手册，NS4168的数据手册可通过网站获取，网址为：http://www.nsiway.com.cn/product/18.html。
这里简单对NS4168的CTRL引脚进行说明，当CTRL引脚上的电压为0V_{0.4V时，NS4168处于低功耗关断状态，当CTRL引脚上的电压为0.9V}1.15V时，NS4168控制扬声器播放I2S接口接收到音频数据中的左声道数据，当CTRL引脚上的电压为1.5V~VDD时，NS4168控制扬声器播放I2S接口接收到的音频数据中的右声道数据。

28.3 程序设计
28.3.1 maix.I2S模块及audio模块介绍
有关maix.I2S模块及audio模块的介绍，请见第28.1小节《maix.I2S模块及audio模块介绍》。
28.3.2 程序流程图

图28.3.2.1 音频播放实验流程图

28.3.3 main.py代码
main.py中的脚本代码如下所示：

from board import board_info
from fpioa_manager import fm
from maix import GPIO
from maix import I2S
import audio
fm.register(board_info.SPK_CTRL, fm.fpioa.GPIO0)
fm.register(board_info.SPK_WS, fm.fpioa.I2S0_WS)
fm.register(board_info.SPK_SCLK, fm.fpioa.I2S0_SCLK)
fm.register(board_info.SPK_SDOUT, fm.fpioa.I2S0_OUT_D0)
# 控制数字功放播放右声道音频数据
spk_ctl = GPIO(GPIO.GPIO0, GPIO.OUT)
spk_ctl.value(1)
# 构造I2S对象并配置I2S通道
i2s_dev = I2S(I2S.DEVICE_0)
i2s_dev.channel_config(I2S.CHANNEL_0, I2S.TRANSMITTER, resolution=I2S.RESOLUTION_16_BIT, 
cycles=I2S.SCLK_CYCLES_32, align_mode=I2S.STANDARD_MODE)
# 构造Audio对象并解析音频文件
audio_player = audio.Audio(path="/sd/MUSIC/play.wav")
wav_info = audio_player.play_process(i2s_dev)
# 根据解析数据配置I2S对象的采样率并配置播放音量
i2s_dev.set_sample_rate(wav_info[1])
audio_player.volume(30)
# 循环播放音频文件
while audio_player.play():
    pass
# 结束音频播放
audio_player.finish()

可以看到首先是为GPIO以及I2S分配IO，然后控制数字功放NS4168的CTRL引脚为高电平，此时NS4168被配置为控制扬声器播放音频数据中的右声道音频。
接着是构造了一个I2S对象，并配置了I2S对应的通道为发送模式，因为本实验需要播放音频数据。
再接着构造了一个Audio对象，Audio对象与文件系统中的音频文件进行绑定，然后解析音频文件，获取音频文件WAV的头部信息。
接下来根据WAV头部信息中的采样率配置I2S对象，同时配置好Audio对象输出音频的音量。
然后就是循环播放音频数据了，如果都没有问题的话，此时应该能听见DNK210开发板板载的扬声器发声了。
最后在音频文件播放完毕后，结束音频播放，释放音频播放占用的资源。
28.4 运行验证
将DNK210开发板连接CanMV IDE，同时将实验例程目录下的play.wav音频文件放入SD卡根目录下的media文件夹下后，点击CanMV IDE上的“开始(运行脚本)”按钮后，可以听到DNK210开发板板载的扬声器播放了play.wav音频。