從聲波到數(shù)字流：拆解I2S，看INMP441如何讓芯片‘聽見’聲音”

01、人機交互中的音頻設(shè)備

人機交互裝置中的輸入設(shè)備通常由按鍵、觸摸屏等設(shè)備組成，傳統(tǒng)的輸出設(shè)備也有顯示屏、燈光、聲音等等。其中音頻設(shè)備作為重要的人機交互裝置，嵌入式設(shè)備是如何獲得音頻數(shù)據(jù)的呢？

本期我們介紹專為音頻設(shè)備服務(wù)的通訊協(xié)議：I2S協(xié)議。

1、聲音的本質(zhì)

在了解如何獲取聲音之前，我們首先需要知道聲音的本質(zhì)到底是什么？聲音是物體振動產(chǎn)生的機械波，通過空氣等介質(zhì)傳播，引起耳膜振動被大腦感知。

電子音頻設(shè)備（如麥克風、揚聲器）將聲音振動轉(zhuǎn)換為連續(xù)變化的電信號，稱為模擬音頻信號。

模擬音頻信號存在明顯局限：傳輸處理中易引入噪聲失真；磁帶、黑膠唱片等模擬存儲介質(zhì)會隨播放和復制磨損導致音質(zhì)下降；復雜處理（如濾波、混音）依賴精密模擬電路，成本高且控制難度大。

為了解決模擬音頻的缺點，現(xiàn)代音頻系統(tǒng)廣泛采用數(shù)字音頻技術(shù)。其核心過程是采樣、量化還有編碼。

采樣和量化將模擬數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為01數(shù)字信號，之后通過編碼將數(shù)字信號統(tǒng)一化通常是脈沖編碼調(diào)制-PCM，就是一系列按時間順序排列的數(shù)字，每個數(shù)字代表對應(yīng)采樣時刻的音頻信號幅度。

而I2S就是專門用于在集成電路之間傳輸高質(zhì)量、單聲道或立體聲PCM音頻數(shù)據(jù)的通訊協(xié)議。

2、I2S的組成

I2S全稱Inter-IC Sound 或 Integrated Interchip Sound，它是一種同步串行通信協(xié)議，由飛利浦半導體（現(xiàn) NXP）在1986 年制定。

I2S總線由三根線組成：時鐘線SCK，數(shù)據(jù)線SD以及聲道選擇線WS。

它的結(jié)構(gòu)很像是I2C通訊，但是多了一根WS用于聲道選擇。

可以看到WS低電平時則是選擇了左聲道，WS高電平時則是選擇了右聲道。

可以看到SCK和采樣率Fs有著嚴格的對應(yīng)關(guān)系。

對于一個44.1KHZ，24位，雙通道的I2S設(shè)備來說，它的時鐘頻率SCK計算公式應(yīng)該是：44.1K*24*2。這個時鐘頻率對MCU來說是比較高的，因此一般是需要MCU有專門的I2S外設(shè)。

下面我們介紹一款I(lǐng)2S的芯片：INMP441

3、INMP441

INMP441是TDK的一款全向MEMS麥克風，直接輸出 I2S 格式的數(shù)字音頻信號，省去了外部模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 的需求。

具有24位I2S數(shù)據(jù)，前段時間在ESP32小智上非常熱門。

但是需要注意的是INMP441單獨的有一個L/R來控制左右聲道，低電平為左聲道，高電平為右聲道。

官方原理圖則是直接拉低了L/R引腳僅使用左聲道。

需要注意的是，INMP441的音孔在PCB背面，因此設(shè)計PCB的時候要注意預留音控位置。

INMP441通過ADC采集到聲孔信號后，經(jīng)過一個帶通濾波器后再通過I2S總線進行通訊。

4、后續(xù)驗證

最近博主要畢業(yè)了，因此很多東西都收拾了丟家里，手上也并沒有適合做程序驗證的單片機，看看買塊ESP32或者用STM32F4來做一下簡單Demo