《DNK210使用指南 -CanMV版 V1.0》第二十八章 音訊播放實驗

正点原子發表於2024-10-09
音訊

第二十八章 音訊播放實驗

1）實驗平臺：正點原子DNK210開發板

2）章節摘自【正點原子】DNK210使用指南 - CanMV版 V1.0

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本章將介紹CanMV下的音訊播放，透過CanMV提供的模組便能快速實現音訊播放。透過本章的學習，讀者將學習到CanMV下控制I2S輸出音訊資料和audio模組的使用。
本章分為如下幾個小節：
28.1 maix.I2S模組及audio模組介紹
28.2 硬體設計
28.3 程式設計
28.4 執行驗證

28.1 maix.I2S模組及audio模組介紹
Kendryte K210擁有三個I2S標準介面，且都是Master模式，Kendryte K210上的I2S特點如下所示：

  1. 匯流排寬度可配置為8、16、32位
  2. 每個介面最多支援4個立體聲通道
  3. 由於傳送器和接收器的獨立性，所以支援全雙工通訊
  4. APB匯流排和I2S sclk的非同步時鐘
  5. 音訊資料解析度為12、16、20、14、32位
  6. 可配置的FIFO深度為2、4、8、16字
  7. 可配置可程式設計的DMA暫存器
  8. 可程式設計FIFO閾值

在CanMV中可以使用CanMV提供的maix.I2S模組操作Kendryte K210上的I2S。maix.I2S模組可以配置I2S的通道傳輸模式、通道解析度、取樣率等引數。
maix.I2S模組提供了I2S建構函式，用於建立一個I2S物件，I2S建構函式如下所示：

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

透過I2S建構函式可以透過指定引數建立並初始化一個I2S物件。
device_num指的是I2S裝置的編號，可以指I2S.DEVICE_0、I2S.DEVICE_1或I2S.DEVICE_2，它們分別對用了Kendryte K210硬體上的三個I2S介面裝置。
sample_points指的是I2S裝置的取樣率，預設為1024，最大值為65536。
pll2指的是Kendryte K210 PLL2的頻率，當為0時表示不對PLL2進行額外配置。
mclk指的是Kendryte K210 I2S裝置輸入時鐘的分頻係數，輸入時鐘來自PLL2，當為0時表示不對該分頻係數進行額外配置。
I2S建構函式的使用示例如下所示：

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

maix.I2S為I2S物件提供了channel_config()方法，用於對I2S裝置的通道進行配置，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()方法用於配置I2S裝置指定通道的各項引數，包括傳輸模式、解析度、單個資料時鐘數、對齊模式等。
channel指的是通道編號，可以是I2S.CHANNEL_0~I2S.CHANNEL_3，分別對應了Kendryte K210 I2S裝置的通道0~通道3。
mode指的是I2S通道的傳輸模式，可以是I2S.TRANSMITTER或I2S.RECEIVER，分別對應了傳送模式和接收模式，其中傳送模式用於播放音訊，而接收模式用於錄製音訊。
resolution指的是I2S通道的解析度，即接收資料位數，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通道的單個資料佔用的時鐘數量，可以是I2S.SCLK_CYCLES_16、I2S.SCLK_CYCLES_24或I2S.SCLK_CYCLES_32。
align_mode指的是I2S通道的資料對齊模式，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為I2S物件提供了set_sample_rate()方法，用於配置I2S物件的取樣率，set_sample_rate()方法如下所示：

I2S.set_sample_rate(sample_rate)

set_sample_rate()方法用於配置I2S物件的取樣率，只有正確地配置了取樣率，才能正確地播放音訊。
sample_rate指的是取樣率，最大值為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為I2S物件提供了record()方法，用於從I2S物件獲取音訊資料，record()方法如下所示：

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

record()方法用於從I2S物件獲取音訊資料，獲取資料的長度可以透過取樣點或時間進行指定。
points指的是獲取音訊資料的取樣點數量，預設為0。
time指的是獲取音訊資料的時間長度，單位為秒（S），預設為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模組僅僅是用於配置Kendryte K210硬體上的I2S介面裝置，但對於音訊檔案的編解碼以及資料流的處理，需要使用到CanMV提供的audio模組。
audio模組是CanMV內建的模組，audio模組用於音訊的播放和錄製，audio模組可以抽象出音訊物件，該物件可以被當作引數傳入，也可以直接只用該物件的方法來播放和錄製音訊。
audio模組提供了Audio建構函式，用於建立一個Audio物件，Audio建構函式如下所示：

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

透過Audio建構函式可以透過指定引數建立初始化一個Audio物件。
array指的是bytearray型別的音訊資料，可以將該資料轉換為音訊物件，預設為None。
path指的是檔案系統中的音訊檔案的路徑，目前CanMV僅支援WAV格式的音訊檔案。
points指的是構造Audio物件時建立多少個取樣點的音訊緩衝區，一個取樣點的大小為32bit，預設為1024。
is_creat指的是CanMV以什麼樣的方式開啟path指定的音訊檔案，當為True時，CanMV將以只寫方式開啟音訊檔案，一般用於音訊錄製，當為False時，CanMV將以只讀方式開啟音訊檔案，一般用於音訊播放，預設為False。
samplerate指的是取樣率，預設為44100。
Audio建構函式的使用示例如下所示：

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

audio模組為Audio物件提供了play_process()方法，用於預處理音訊物件，play_process()方法如下所示：

audio.play_process(i2s_dev)

play_process()方法用於預處理音訊物件，在播放音訊之前需要對音訊檔案進行解析，並且傳入一個用於播放音訊的I2S物件。
i2s_dev指的是使用maix.I2S模組提供的I2S建構函式構造的I2S物件。
play_process()方法會解析音訊檔案，並但會以list型別返回WAV檔案的頭部資訊，包含numchannels（聲道數）、samplerate（取樣率）、byterate（每秒資料位元組數 = samplerate * numchannels* bitspersample / 8）、blockalign（每個取樣所需的位元組數 = numchannels * bitspersample / 8）、bitspersample（每個取樣儲存的bit數，8：8bit，16：16bit，32：32bit），datasize（音訊資料長度）。
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模組為Audio物件提供了play()方法，用於讀取音訊檔案並解析播放，play()方法如下所示：

audio.play()

play()方法用於讀取音訊檔案並解析播放，每次執行play()函式會讀取並解析播放一小段音訊檔案，因此play()函式需要配合迴圈使用。
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模組為Audio物件提供了volume()方法，用於配置播放音訊時的音量，volume()方法如下所示：

audio.volume(volume)

volume()方法用於配置播放音訊時的音量。
volume指的是配置的音量，範圍為[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模組為Audio物件提供了record()方法，用於將從I2S物件獲取到的音訊資料使用WAV編碼儲存到檔案系統中，record()方法如下所示：

audio.record(record)

record()方法用於將從I2S物件獲取到的音訊資料儲存到構建Audio物件時指定的檔案中。
record指的是從I2S物件獲取到的音訊資料。
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 硬體設計
28.2.1 例程功能

  1. 使用maix.I2S模組和audio模組播放CanMV檔案系統中指定的音訊檔案。

28.2.2 硬體資源

  1. 數字功放NS4168
    SPK_CTRL- IO21
    IIS_SDOUT- IO31
    IIS_BCK- IO32
    IIS_LRCK- IO33

28.2.3 原理圖
本章實驗內容，需要解析檔案系統中的WAV檔案，然後將音訊資料透過I2S介面傳送到數字功放NS4168，隨後NS4168便可根據配置，控制板載的揚聲器發聲。
DNK210開發板上的數字功放NS4168的連線原理圖，如下圖所示：

圖28.2.3.1 數字功放NS4168連線原理圖

關於數字功放NS4168的使用方法，可參考NS4168的資料手冊，NS4168的資料手冊可透過網站獲取，網址為：http://www.nsiway.com.cn/product/18.html。
這裡簡單對NS4168的CTRL引腳進行說明，當CTRL引腳上的電壓為0V0.4V時，NS4168處於低功耗關斷狀態，當CTRL引腳上的電壓為0.9V1.15V時，NS4168控制揚聲器播放I2S介面接收到音訊資料中的左聲道資料，當CTRL引腳上的電壓為1.5V~VDD時，NS4168控制揚聲器播放I2S介面接收到的音訊資料中的右聲道資料。

28.3 程式設計
28.3.1 maix.I2S模組及audio模組介紹
有關maix.I2S模組及audio模組的介紹，請見第28.1小節《maix.I2S模組及audio模組介紹》。
28.3.2 程式流程圖

圖28.3.2.1 音訊播放實驗流程圖

28.3.3 main.py程式碼
main.py中的指令碼程式碼如下所示：

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)
# 控制數字功放播放右聲道音訊資料
spk_ctl = GPIO(GPIO.GPIO0, GPIO.OUT)
spk_ctl.value(1)
# 構造I2S物件並配置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)
# 構造Audio物件並解析音訊檔案
audio_player = audio.Audio(path="/sd/MUSIC/play.wav")
wav_info = audio_player.play_process(i2s_dev)
# 根據解析資料配置I2S物件的取樣率並配置播放音量
i2s_dev.set_sample_rate(wav_info[1])
audio_player.volume(30)
# 迴圈播放音訊檔案
while audio_player.play():
    pass
# 結束音訊播放
audio_player.finish()

可以看到首先是為GPIO以及I2S分配IO，然後控制數字功放NS4168的CTRL引腳為高電平，此時NS4168被配置為控制揚聲器播放音訊資料中的右聲道音訊。
接著是構造了一個I2S物件，並配置了I2S對應的通道為傳送模式，因為本實驗需要播放音訊資料。
再接著構造了一個Audio物件，Audio物件與檔案系統中的音訊檔案進行繫結，然後解析音訊檔案，獲取音訊檔案WAV的頭部資訊。
接下來根據WAV頭部資訊中的取樣率配置I2S物件，同時配置好Audio物件輸出音訊的音量。
然後就是迴圈播放音訊資料了，如果都沒有問題的話，此時應該能聽見DNK210開發闆闆載的揚聲器發聲了。
最後在音訊檔案播放完畢後，結束音訊播放，釋放音訊播放佔用的資源。
28.4 執行驗證
將DNK210開發板連線CanMV IDE，同時將實驗例程目錄下的play.wav音訊檔案放入SD卡根目錄下的media資料夾下後，點選CanMV IDE上的“開始(執行指令碼)”按鈕後，可以聽到DNK210開發闆闆載的揚聲器播放了play.wav音訊。

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