《ESP32音频开发实战：I2S协议解析与WAV音频录制/播放全指南》

前言

在智能硬件和物联网应用中，音频处理能力正成为越来越重要的功能——无论是语音交互、环境音采集，还是音乐播放，都离不开高效的音频数据传输与处理。而I2S（Inter-IC Sound）作为专为音频设计的通信协议，正是实现这些功能的核心技术。

本文将以ESP32为例，深入剖析I2S协议的工作原理，详解TDM与PDM两种通信模式的差异，并通过实战代码演示如何用MicroPython实现音频录制（PCM原始数据）、WAV文件解析与播放。无论你是想打造一个语音识别设备、自定义音频播放器，还是探索实时音效处理，这篇指南都将为你提供从理论到实践的完整路径。

I2S简介

I2S（Inter-IC Sound，集成电路内置音频总线）是一种同步串行通信协议，通常用于在两个数字音频设备之间传输音频数据。

ESP32-S3 包含 2 个 I2S 外设。通过配置这些外设，可以借助 I2S 驱动来输入和输出采样数据。

TDM 通信模式(标准)

I2S 总线包含以下几条线路：

• MCLK：主时钟线。该信号线可选，具体取决于从机，主要用于向 I2S 从机提供参考时钟。
• BCLK：位时钟线。用于数据线的位时钟。
• WS：字（声道）选择线。通常用于识别声道。
• DIN/DOUT：串行数据输入/输出线。如果 DIN 和 DOUT 被配置到相同的 GPIO，数据将在内部回环。

PDM 通信模式

I2S 总线包含以下几条线路：

• CLK：PDM 时钟线。
• DIN/DOUT：串行数据输入/输出线。

每个 I2S 控制器都具备以下功能，可由 I2S 驱动进行配置：

• 可用作系统主机或从机
• 可用作发射器或接收器
• DMA 控制器支持流数据采样，CPU 无需单独复制每个采样数据

每个控制器都有独立的 RX 和 TX 通道，连接到不同 GPIO 管脚，能够在不同的时钟和声道配置下工作。注意，尽管在一个控制器上 TX 通道和 RX 通道的内部 MCLK 相互独立，但输出的 MCLK 信号只能连接到一个通道。如果需要两个互相独立的 MCLK 输出，必须将其分配到不同的 I2S 控制器上。

. 对比总结

特性	TDM	PDM
核心目标	多路信号时分复用	高精度模数信号转换
适用场景	周期性数据（语音、固定速率流）	高动态模拟信号（音频、传感器）
抗噪能力	依赖信道质量	强（数字脉冲抗干扰）
硬件复杂度	中等（需同步电路）	低（单比特量化）
延迟	低（固定时隙）	较高（过采样+滤波）

参考链接： I2S - ESP32-S3 - — ESP-IDF 编程指南 v5.4.1 文档

为什么要学习I2S

• 高质量音频传输：I2S是专为音频设计的通信协议，能够传输高质量的音频数据，适合音频播放、录音等应用。
• 低延迟：I2S支持实时音频处理，适合对延迟要求高的场景，如语音识别或实时音频效果处理。
• ESP32内置I2S外设：ESP32集成了I2S接口，可直接连接麦克风、DAC、ADC等音频设备，简化硬件设计。
• 灵活性：I2S支持多种数据格式和采样率，适应不同的音频需求。
• 音频播放与录音：可用于音乐播放器、录音设备等。
• 语音识别与控制：适合智能音箱、语音助手等需要音频输入输出的设备。
• 音效处理：支持实时音效处理，如均衡器、混音器等。
• 低功耗：ESP32的I2S外设在低功耗模式下仍能高效工作，适合电池供电设备。
• 高性能：ESP32的高性能处理器结合I2S，能够处理复杂的音频任务。

总之I2S有助于开发高质量的音频应用，扩展项目功能，尤其在物联网和智能设备领域具有广泛应用。丰富的资源和强大的硬件支持使得学习和开发更加便捷。

PCM原始数据

I2S录制声音

"""
使用I2S读取数据
数据宽度16bit
采样率16000Hz
缓冲区大小1024
"""from machine import I2S
from machine import Pin
import timesck_pin = Pin(14)
ws_pin = Pin(13)
sd_in_pin = Pin(12)
sd_out_pin = Pin(45)audio_in = I2S(0, sck=sck_pin, ws=ws_pin, sd=sd_in_pin, mode=I2S.RX,     # only RX mode availablebits=16,         # 数据宽度16bit，2字节format=I2S.MONO, # 单通道MONO, 双通道STEREOrate=16000,      # 采样率16000Hzibuf=2048        # 缓冲区大小1024字节
)
print("I2S init complete!")# 等待I2S初始化完成
# time.sleep_ms(500)# 所有数据的列表
frames = []print("开始录制...")
# 录制5s
start = time.time()
# 读取数据
while True:if time.time() - start > 5:break# 创建一个字节数组buf = bytearray(1024)num = audio_in.readinto(buf)frames.append(buf)# 将音频数据写到文件
with open("audio.pcm", "wb") as f:for frame in frames:f.write(frame)audio_in.deinit();print("录音结束：", len(frames), "帧")
# 合并所有数据
data = b''.join(frames)
print("数据长度：", len(data))

I2S播放声音

"""
使用I2S播放数据
数据宽度16bit
采样率16000Hz
缓冲区大小1024
"""from machine import I2S
from machine import Pin
import timesck_pin = Pin(14)
ws_pin = Pin(13)
sd_in_pin = Pin(12)
sd_out_pin = Pin(45)# sd引脚要设置为sd_out_pin
# 这里要注意用I2S.TXaudio_i2s = I2S(0, sck=sck_pin, ws=ws_pin, sd=sd_out_pin, mode=I2S.TX,     # only TX mode availablebits=16,         # 数据宽度16bit，2字节format=I2S.MONO, # 单通道MONO, 双通道STEREOrate=16000,      # 采样率16000Hzibuf=2048        # 缓冲区大小1024字节
)
print("I2S init complete!")# 等待I2S初始化完成
#time.sleep_ms(500)
# 读取音频文件
print("playing...")
counter = 0
with open("./audio.pcm", "rb") as f:while True:buffer = f.read(1024)if buffer:print("counter: ", counter)counter+=1audio_i2s.write(buffer)else:breakaudio_i2s.deinit()
print("play complete...")

WAV音频

WAV 文件的前 44 个字节是文件头部分，包含了音频文件的元数据（如采样率、位宽、声道数等）。WAV 文件头遵循 RIFF 格式规范，以下是其详细结构：

---

WAV 文件头结构（44 字节）

偏移量	字段名称	大小（字节）	描述
0	Chunk ID	4	固定为 "RIFF" ，表示文件是一个 RIFF 格式的文件。
4	Chunk Size	4	文件总大小减去 8 字节（即文件大小 - 8）。
8	Format	4	固定为 "WAVE" ，表示这是一个 WAV 文件。
12	Subchunk1 ID	4	固定为 "fmt " ，表示接下来的部分是格式信息。
16	Subchunk1 Size	4	格式信息的大小（通常是 16 字节）。
20	Audio Format	2	音频格式（PCM 为 1，表示未压缩）。
22	Num Channels	2	声道数（1 表示单声道，2 表示立体声）。
24	Sample Rate	4	采样率（如 44100 Hz）。
28	Byte Rate	4	每秒的字节数（Sample Rate * Num Channels * BitsPerSample / 8 ）。
32	Block Align	2	每个采样点的字节数（Num Channels * BitsPerSample / 8 ）。
34	Bits Per Sample	2	每个采样点的位数（如 16 位）。
36	Subchunk2 ID	4	固定为 "data" ，表示接下来的部分是音频数据。
40	Subchunk2 Size	4	音频数据的大小（字节数）。
44	Data	N	音频数据（从第 44 字节开始）。

解析wav格式数据

struct.unpack 是 Python 中用于将二进制数据解析为 Python 数据类型的函数。它通常用于处理二进制文件、网络协议数据或硬件设备的原始数据。struct.unpack 是 struct.pack 的逆操作，后者用于将 Python 数据类型打包为二进制数据。

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struct.unpack 的基本用法

struct.unpack(fmt, buffer)

• fmt：格式化字符串，指定如何解析二进制数据。
• buffer：包含二进制数据的字节对象（如 bytes 或 bytearray）。
• 返回值: 返回一个元组，包含解析后的数据。

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格式化字符串 (fmt)

格式化字符串由以下部分组成：

1. 字节顺序（可选）：

• • @：本地字节顺序（默认）。
  • =：本地字节顺序，忽略对齐。
  • <：小端序（低位字节在前）。
  • >：大端序（高位字节在前）。
  • !：网络字节顺序（大端序）。

1. 数据类型：

• • c：字符（1 字节）。
  • b：有符号字节（1 字节）。
  • B：无符号字节（1 字节）。
  • ?：布尔值（1 字节）。
  • h：有符号短整型（2 字节）。
  • H：无符号短整型（2 字节）。
  • i：有符号整型（4 字节）。
  • I：无符号整型（4 字节）。
  • l：有符号长整型（4 字节）。
  • L：无符号长整型（4 字节）。
  • q：有符号长长整型（8 字节）。
  • Q：无符号长长整型（8 字节）。
  • f：浮点型（4 字节）。
  • d：双精度浮点型（8 字节）。
  • s：字符串（需要指定长度，如 10s 表示 10 字节的字符串）。
  • p：Pascal 字符串（1 字节长度 + 字符串）。
  • x：填充字节（跳过 1 字节）。

示例 1：解析单个值

import struct# 二进制数据（4 字节的无符号整型）
buffer = b'\x01\x00\x00\x00'# 解析为无符号整型
value = struct.unpack('<I', buffer)
print(value)  # 输出: (1,)

示例 2：解析多个值

import struct# 二进制数据（2 个有符号短整型）
buffer = b'\x01\x00\x02\x00'# 解析为 2 个有符号短整型
values = struct.unpack('<2h', buffer)
print(values)  # 输出: (1, 2)

示例 3：解析混合类型

import struct# 二进制数据（1 个无符号短整型 + 1 个浮点型）
buffer = b'\x01\x00\x00\x00\x00\x00\x80\x3f'# 解析为无符号短整型和浮点型
values = struct.unpack('<Hf', buffer)
print(values)  # 输出: (1, 1.0)

示例 4：解析字符串

import struct# 二进制数据（10 字节的字符串）
buffer = b'hello\x00\x00\x00\x00\x00'# 解析为 10 字节的字符串
value = struct.unpack('<10s', buffer)
print(value)  # 输出: (b'hello\x00\x00\x00\x00\x00',)

示例 5：解析 WAV 文件头

import struct# 假设这是 WAV 文件的前 44 字节
wav_header = b'RIFF\x24\x00\x00\x00WAVEfmt \x10\x00\x00\x00\x01\x00\x02\x00\x44\xAC\x00\x00\x10\xB1\x02\x00\x04\x00\x10\x00data\x00\x00\x00\x00'# 解析 WAV 文件头
chunk_id = struct.unpack('<4s', wav_header[0:4])[0]
chunk_size = struct.unpack('<I', wav_header[4:8])[0]
format = struct.unpack('<4s', wav_header[8:12])[0]
subchunk1_id = struct.unpack('<4s', wav_header[12:16])[0]
subchunk1_size = struct.unpack('<I', wav_header[16:20])[0]
audio_format = struct.unpack('<H', wav_header[20:22])[0]
num_channels = struct.unpack('<H', wav_header[22:24])[0]
sample_rate = struct.unpack('<I', wav_header[24:28])[0]
bits_per_sample = struct.unpack('<H', wav_header[34:36])[0]print("Chunk ID:", chunk_id)
print("Chunk Size:", chunk_size)
print("Format:", format)
print("Subchunk1 ID:", subchunk1_id)
print("Subchunk1 Size:", subchunk1_size)
print("Audio Format:", audio_format)
print("Num Channels:", num_channels)
print("Sample Rate:", sample_rate)
print("Bits Per Sample:", bits_per_sample)

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注意事项

1. 字节顺序：

• • 确保格式化字符串中的字节顺序与数据的实际存储顺序一致。
  • 小端序（<）和大端序（>）是最常用的两种字节顺序。

1. 数据对齐：

• • 某些平台可能要求数据对齐，可以使用 @ 或 = 来指定本地字节顺序。

1. 缓冲区大小：

• • 确保缓冲区的大小与格式化字符串的要求一致，否则会抛出 struct.error。

1. 返回值：

• • struct.unpack 始终返回一个元组，即使只解析一个值。

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总结

• struct.unpack 是 Python 中处理二进制数据的强大工具。
• 通过格式化字符串，可以灵活地解析各种数据类型。
• 在处理文件、网络协议或硬件数据时，struct.unpack 非常有用。

实操演练

from machine import I2S, Pin
import struct# 配置I2S
i2s = I2S(0,  # I2S编号sck=Pin(14),  # 时钟引脚ws=Pin(13),   # 字选择引脚sd=Pin(45),   # 数据引脚mode=I2S.TX,  # 发送模式bits=16,      # 数据位宽format=I2S.MONO,  # 单声道rate=16000,   # 采样率ibuf=40000    # 输入缓冲区大小
)# 解析WAV文件头
def parse_wav_header(file):header = file.read(44)  # WAV文件头长度为44字节if header[0:4] != b'RIFF' or header[8:12] != b'WAVE':raise ValueError("不是有效的WAV文件")ret = struct.unpack("4s",header[0:4])print("ret=",ret,header[0:4].decode())# 提取采样率、位宽、声道数等信息sample_rate = struct.unpack('<I', header[24:28])[0]bits_per_sample = struct.unpack('<H', header[34:36])[0]num_channels = struct.unpack('<H', header[22:24])[0]data_size = struct.unpack('<I', header[40:44])[0]return sample_rate, bits_per_sample, num_channels, data_size# 打开WAV文件
with open('audio.wav', 'rb') as f:sample_rate, bits_per_sample, num_channels, data_size = parse_wav_header(f)# 播放音频数据buffer_size = 1024  # 每次读取的缓冲区大小while True:buffer = f.read(buffer_size)if not buffer:break  # 文件读取完毕i2s.write(buffer)  # 通过I2S发送音频数据# 关闭I2S
i2s.deinit()print("播放完成")

保存wav格式数据

from machine import I2S, Pin
import struct# 配置I2S
i2s = I2S(0,  # I2S编号sck=Pin(14),  # 时钟引脚ws=Pin(13),   # 字选择引脚sd=Pin(12),   # 数据引脚mode=I2S.RX,  # 接收模式bits=16,      # 数据位宽format=I2S.MONO,  # 单声道rate=16000,   # 采样率ibuf=40000    # 输入缓冲区大小
)# WAV文件参数
sample_rate = 16000  # 采样率
bits_per_sample = 16  # 位宽
num_channels = 1  # 单声道
duration = 5  # 录制时长（秒）
buffer_size = 1024  # 每次读取的缓冲区大小# 计算总数据量
total_samples = sample_rate * duration
total_data_size = total_samples * num_channels * (bits_per_sample // 8)# 创建WAV文件头
def create_wav_header(sample_rate, bits_per_sample, num_channels, data_size):# WAV文件头格式header = bytearray()header.extend(b'RIFF')  # Chunk IDheader.extend(struct.pack('<I', 36 + data_size))  # Chunk Sizeheader.extend(b'WAVE')  # Formatheader.extend(b'fmt ')  # Subchunk1 IDheader.extend(struct.pack('<IHHIIHH', 16, 1, num_channels,sample_rate,sample_rate * num_channels * (bits_per_sample // 8),num_channels * (bits_per_sample // 8),bits_per_sample))  # Subchunk1 Sizeheader.extend(b'data')  # Subchunk2 IDheader.extend(struct.pack('<I', data_size))  # Subchunk2 Sizereturn header# 创建WAV文件头
wav_header = create_wav_header(sample_rate, bits_per_sample, num_channels, total_data_size)# 打开文件并写入WAV文件头
with open('audio.wav', 'wb') as f:f.write(wav_header)# 读取音频数据并写入文件samples_read = 0while samples_read < total_samples:buffer = bytearray(buffer_size)i2s.readinto(buffer)  # 从I2S读取数据f.write(buffer)  # 写入文件samples_read += buffer_size // (bits_per_sample // 8)# 关闭I2S
i2s.deinit()print("录音完成，文件已保存为 audio.wav")

结语

通过本文的学习，你已经掌握了ESP32的I2S音频开发全流程：从硬件接口配置、PCM原始数据采集，到WAV文件头的解析与生成，最终实现完整的音频录制与播放功能。这些技术可以广泛应用于智能音箱、录音笔、实时语音传输等场景。

技术的价值在于创造。不妨尝试将这些代码扩展为更复杂的应用——比如结合Wi-Fi实现远程音频流传输，或添加回声消除算法提升音质。如果在实践中遇到问题，不妨回顾I2S的时序特性或WAV文件格式的细节，往往能从中找到答案。

声音是人与机器最自然的交互方式，而你现在已经握住了开启这扇大门的钥匙。愿你的项目因音频而生动，因技术而卓越！ 🎵

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小提示：

• 实际开发时，注意根据硬件（如麦克风、DAC模块）调整I2S的采样率、位宽等参数。

• WAV文件头中的字段（如声道数、数据大小）必须与音频数据严格匹配，否则可能导致播放失败。