录音机实验
前言
上一章，我们实现了一个简单的音乐播放器，本章我们将在上一章的基础上，使用ES7210实现一个简单的录音机，录制 WAV 格式的录音。
ES7210简介
本章涉及的知识点基本上在上一章都有介绍。本章要实现 WAV 录音，还是和上一章一样，要了解： WAV文件格式、ES7210 和 I²S。ES7210是一款高性能的四通道音频模数转换器（ADC），采用多比特Δ-Σ架构。其核心特性包括高达102dB的信噪比（SNR）和-85dB的总谐波失真加噪声（THD+N），支持24位分辨率及8kHz至100kHz的宽采样率范围。该芯片提供I²S/PCM主从模式及TDM接口，兼容多种标准与非标准音频时钟（如256/384Fs、USB 12/24MHz等），并具备低功耗待机模式。其主要应用于麦克风阵列、智能音箱和远场语音捕捉等需要高保真、多通道音频采集的场景。芯片采用QFN-32封装，工作温度范围为-40°C至+85°C。
ES7210 的框图如下所示：
该框图展示了ES7210四通道音频ADC的内部功能架构，其核心流程为：
输入路径： 4路差分麦克风输入（MIC1P/N 至 MIC4P/N），接入多比特Δ-Σ调制器，完成模拟信号→数字比特流的高精度转换。
数字处理链：调制器输出送入DSP模块，用于执行数字滤波、降采样 及噪声整形等关键算法。
时钟管理：外部主时钟（MCLK）输入至时钟管理与采样率检测模块，实现自动采样率识别与系统时序同步。
数据输出：经DSP处理后的音频数据由音频数据接口输出，支持双通道I²S/PCM（SDOUT1/TDMOUT + SDOUT2/TDMIN）及标准LRCK/SCLK时钟信号。
控制接口：通过I²C接口（引脚：CCLK, CDATA, AD0, AD1）配置寄存器、设置工作模式与参数（如增益、滤波器特性等）。
I2S 控制器介绍
I2S控制器在上一个章节已经陈述过了，再次不再赘述。
硬件设计
例程功能
本章实验功能简介： 先初始化各外设，然后检测字库是否存在，如果检测无问题，再检测SD 卡根目录是否存在 RECORDER 文件夹，如果不存在则创建，如果创建失败，则报错。在找 到 SD 卡的 RECORDER 文件夹后，即进入录音模式，此时可以在喇叭听到采集到的音频。 K1 用于开始/暂停录音，K2 用于保存并停止录音，KO 用于播放最近一次的录音。LED 闪烁，指示程序运行状态。 LED 长亮，指示录音运行状态。
硬件资源
本实验，大家需要准备 1 个 SD 卡（在里面新建一个 MUSIC 文件夹，并存放一些歌曲在MUSIC 文件夹下），插入 SD 卡接口，然后下载本实验就可以通过板载喇叭来听歌了。实验用到的硬件资源如下：
1.LED:
LEDR-P1_1
2.独立按键：
K0-GPIO0
K1-P0_0
K2-P0_1
3.正点原子2.4寸LCD屏幕
4.SD
5.ES8311 音频芯片（用于输出）
6.ES7210 音频芯片（用于采集）
原理图
本章实验使用的原理图如下：
程序设计
I2S 函数解析
I2S 的API函数解析，请参考上一章。
ES7210驱动解析
在 IDF 版的 21_recoding(ES7210) 例程中，作者在 21_recoding(ES7210) \components\BSP 路径下新增了一个ES7210 文件夹， 分别存放 es7210.c、 es7210.h这几个文件。其中， es7210.h 文件负责声明 ES7210 相关的函数和变量，而 es7210.c 文件则实现了 ES7210 的应用驱动。下面，我们将解析这个文件内容。
es7210.hj 驱动
音乐文件我们要通过SD卡来传给单片机，那我们自然要用到文件系统。由于播放功能涉及到多个外设的配合使用，用文件系统读音频文件，做播放控制等，所以我们把 ES7210 的硬件驱动放到 components\BSP 目录下，播放功能作为 APP 放到 main 目录下。这里我们只讲解核心代码，详细的源码请大家参考光盘本实验对应源码。
/* ES7210的IIC通信地址 */
#define ES7210_ADDRRES 0x40
/* 常用寄存器声明 */
#define ES7210_RESET_REG00 0x00 /* 复位控制 */
#define ES7210_CLOCK_OFF_REG01 0x01 /* 用于关闭ADC时钟 */
#define ES7210_MAINCLK_REG02 0x02 /* 设置ADC时钟分频 */
#define ES7210_MASTER_CLK_REG03 0x03 /* MCLK源和SCLK分频 */
#define ES7210_LRCK_DIVH_REG04 0x04 /* LRCK分频高位 */
#define ES7210_LRCK_DIVL_REG05 0x05 /* LRCK分频低位 */
#define ES7210_POWER_DOWN_REG06 0x06 /* 电源关闭 */
#define ES7210_OSR_REG07 0x07
#define ES7210_MODE_CONFIG_REG08 0x08 /* 设置主从模式和通道数 */
#define ES7210_TIME_CONTROL0_REG09 0x09 /* 设置芯片初始化状态周期 */
#define ES7210_TIME_CONTROL1_REG0A 0x0A /* 设置上电状态周期 */
#define ES7210_SDP_INTERFACE1_REG11 0x11 /* 设置采样和格式 */
#define ES7210_SDP_INTERFACE2_REG12 0x12 /* 引脚状态 */
#define ES7210_ADC_AUTOMUTE_REG13 0x13 /* 设置静音 */
#define ES7210_ADC34_MUTERANGE_REG14 0x14 /* 设置静音范围 */
#define ES7210_ALC_SEL_REG16 0x16 /* 设置ALC模式 */
#define ES7210_ADC1_DIRECT_DB_REG1B 0x1B
#define ES7210_ADC2_DIRECT_DB_REG1C 0x1C
#define ES7210_ADC3_DIRECT_DB_REG1D 0x1D
#define ES7210_ADC4_DIRECT_DB_REG1E 0x1E /* ALC关闭时为ADC直接dB，ALC打开时为最大增益 */
#define ES7210_ADC34_HPF2_REG20 0x20 /* 高通滤波器 */
#define ES7210_ADC34_HPF1_REG21 0x21
#define ES7210_ADC12_HPF2_REG22 0x22
#define ES7210_ADC12_HPF1_REG23 0x23
#define ES7210_ANALOG_REG40 0x40 /* 模拟电源 */
#define ES7210_MIC12_BIAS_REG41 0x41
#define ES7210_MIC34_BIAS_REG42 0x42
#define ES7210_MIC1_GAIN_REG43 0x43
#define ES7210_MIC2_GAIN_REG44 0x44
#define ES7210_MIC3_GAIN_REG45 0x45
#define ES7210_MIC4_GAIN_REG46 0x46
#define ES7210_MIC1_POWER_REG47 0x47
#define ES7210_MIC2_POWER_REG48 0x48
#define ES7210_MIC3_POWER_REG49 0x49
#define ES7210_MIC4_POWER_REG4A 0x4A
#define ES7210_MIC12_POWER_REG4B 0x4B /* MIC偏置、ADC和PGA电源 */
#define ES7210_MIC34_POWER_REG4C 0x4C
typedef enum {
ES7210_I2S_FMT_I2S = 0x00,
ES7210_I2S_FMT_LJ = 0x01,
ES7210_I2S_FMT_DSP_A = 0x03,
ES7210_I2S_FMT_DSP_B = 0x13
} es7210_i2s_fmt_t;
typedef enum {
ES7210_I2S_BITS_16B = 16,
ES7210_I2S_BITS_18B = 18,
ES7210_I2S_BITS_20B = 20,
ES7210_I2S_BITS_24B = 24,
ES7210_I2S_BITS_32B = 32
} es7210_i2s_bits_t;
typedef enum {
ES7210_MIC_GAIN_0DB = 0,
ES7210_MIC_GAIN_3DB = 1,
ES7210_MIC_GAIN_6DB = 2,
ES7210_MIC_GAIN_9DB = 3,
ES7210_MIC_GAIN_12DB = 4,
ES7210_MIC_GAIN_15DB = 5,
ES7210_MIC_GAIN_18DB = 6,
ES7210_MIC_GAIN_21DB = 7,
ES7210_MIC_GAIN_24DB = 8,
ES7210_MIC_GAIN_27DB = 9,
ES7210_MIC_GAIN_30DB = 10,
ES7210_MIC_GAIN_33DB = 11,
ES7210_MIC_GAIN_34_5DB = 12,
ES7210_MIC_GAIN_36DB = 13,
ES7210_MIC_GAIN_37_5DB = 14
} es7210_mic_gain_t;
typedef enum {
ES7210_MIC_BIAS_2V18 = 0x00,
ES7210_MIC_BIAS_2V26 = 0x10,
ES7210_MIC_BIAS_2V36 = 0x20,
ES7210_MIC_BIAS_2V45 = 0x30,
ES7210_MIC_BIAS_2V55 = 0x40,
ES7210_MIC_BIAS_2V66 = 0x50,
ES7210_MIC_BIAS_2V78 = 0x60,
ES7210_MIC_BIAS_2V87 = 0x70
} es7210_mic_bias_t;
typedef struct {
uint32_t sample_rate_hz;
uint32_t mclk_ratio;
es7210_i2s_fmt_t i2s_format;
es7210_i2s_bits_t bit_width;
es7210_mic_bias_t mic_bias;
es7210_mic_gain_t mic_gain;
struct {
uint32_t tdm_enable: 1;
} flags;
} es7210_codec_config_t;
/* 声明函数 */
esp_err_t es7210_config_codec(const es7210_codec_config_t *codec_conf);
esp_err_t es7210_config_volume(int8_t volume_db);
void es7210_init(bool is_tdm);
2，es7210.c 驱动
/**
* @brief ES7210写寄存器
* @param reg_addr: 寄存器地址
* @param data: 写入的数据
* @retval 无
*/
esp_err_t es7210_write_reg(uint8_t reg_addr, uint8_t data)
{
esp_err_t ret;
uint8_t *buf = malloc(2);
if (buf == NULL)
{
ESP_LOGE(es7210_tag, "%s memory failed", __func__);
return ESP_ERR_NO_MEM; /* 分配内存失败 */
}
buf[0] = reg_addr;
buf[1] = data; /* 拷贝数据至存储区当中 */
do
{
i2c_master_bus_wait_all_done(bus_handle, 1000);
ret = i2c_master_transmit(es7210_handle, buf, 2, 1000);
} while (ret != ESP_OK);
free(buf); /* 发送完成释放内存 */
return ret;
}
/**
* @brief ES7210读寄存器
* @param reg_add:寄存器地址
* @retval 无
*/
esp_err_t es7210_read_reg(uint8_t reg_addr)
{
uint8_t reg_data = 0;
i2c_master_transmit_receive(es7210_handle, ®_addr, 1, ®_data, 1, -1);
return reg_data;
}
/...代码过多，省略部分代码.../
该代码实现了ES7210四通道音频ADC的ESP-IDF驱动，支持I²S/TDM接口。通过预定义时钟参数表自动配置MCLK、LRCK及过采样率，适配8k–96kHz采样率。提供I2S格式（标准I2S/LJ/DSP）、位宽（16–32bit）、TDM模式、麦克风偏置电压、增益（最高37.5dB）及数字音量调节功能。初始化流程包括软复位、电源管理、HPF配置和通道使能，适用于多麦克风语音采集系统。
CMakeLists.txt文件
打开本实验的Middlewares文件夹下的CMakeList.txt文件，其内容如下所示：
set(src_dirs
KEY
MYIIC
LCD
SPI_SD
MYSPI
AW9523B
MYI2S
ES7210
ES8311)
set(include_dirs
KEY
MYIIC
LCD
SPI_SD
MYSPI
AW9523B
MYI2S
ES7210
ES8311)
set(requires
driver
fatfs
esp_lcd
esp_driver_i2s)
idf_component_register(SRC_DIRS ${src_dirs} INCLUDE_DIRS ${include_dirs} REQUIRES ${requires})
component_compile_options(-ffast-math -O3 -Wno-error=format=-Wno-format)
上述代码中的 MYI2S 以及ES8311等依赖库需要由开发者自行添加，以确保 MUSIC 驱动能够顺利集成到构建系统中。这一步骤是必不可少的，它确保了 MUSIC 驱动的正确性和可用性，为后续的开发工作提供了坚实的基础。 打开本实验 main 文件下的 CMakeLists.txt 文件，其内容如下所示：
idf_component_register(
SRC_DIRS
"."
"APP"
"APP/AUDIO"
INCLUDE_DIRS
"."
"APP"
"APP/AUDIO"
)
述的驱动需要由开发者自行添加， 在此便不做赘述了。
实验应用代码
打开main.c文件，该文件定义了工程入口函数，名为main。该函数代码如下。
/**
* @brief 程序入口
* @param 无
* @retval 无
*/
void app_main(void)
{
uint8_t key = 0;
esp_err_t res;
res = nvs_flash_init(); /* 初始化NVS */
if (res == ESP_ERR_NVS_NO_FREE_PAGES || res == ESP_ERR_NVS_NEW_VERSION_FOUND)
{
ESP_ERROR_CHECK(nvs_flash_erase());
ESP_ERROR_CHECK(nvs_flash_init());
}
key_init(); /* 初始化按键 */
my_spi_init(); /* 初始化SPI */
myiic_init(); /* 初始化IIC */
aw9523b_init(); /* 初始化AW9523B */
lcd_init(); /* 初始化LCD */
es8311_init(I2S_SAMPLE_RATE); /* ES8311初始化 */
while (sd_spi_init()) /* 检测不到SD卡 */
{
lcd_show_string(30, 120, 200, 16, 16, "SD Card Error!", RED);
vTaskDelay(500);
lcd_show_string(30, 140, 200, 16, 16, "Please Check! ", RED);
vTaskDelay(500);
}
while (fonts_init()) /* 检查字 库 */
{
lcd_clear(WHITE); /* 清屏 */
lcd_show_string(30, 30, 200, 16, 16, "ESP32-S3", RED);
key = fonts_update_font(30, 50, 16, (uint8_t *)"0:", RED); /* 更新字库 */
while (key) /* 更新失败 */
{
lcd_show_string(30, 50, 200, 16, 16, "Font Update Failed!", RED);
vTaskDelay(200);
lcd_fill(20, 50, 200 + 20, 90 + 16, WHITE);
vTaskDelay(200);
}
lcd_show_string(30, 50, 200, 16, 16, "Font Update Success! ", RED);
vTaskDelay(1500);
lcd_clear(WHITE); /* 清屏 */
}
res = exfuns_init(); /* 为fatfs相关变量申请内存 */
vTaskDelay(500); /* 实验信息显示延时 */
text_show_string(30, 50, 200, 16, "正点原子ESP32S3 BOX", 16, 0, RED);
text_show_string(30, 70, 200, 16, "音乐播放器实验", 16, 0, RED);
text_show_string(30, 90, 200, 16, "ATOM@ALIENTEK", 16, 0, RED);
while (1)
{
audio_play(); /* 播放音乐 */
}
}
可以看到 main 函数与音乐播放器实验十分类似，封装好了 APP， main 函数会精简很多。
下载验证
在代码编译成功之后，我们下载代码到正点原子 DNESP32S3 BOX3 开发板上，先初始化各外设，然后检测字库是否存在，如果检测无问题，再检测 SD 卡根目录是否存在 RECORDER 文件夹，如果不存在则创建，如果创建失败，则报错。在找到 SD 卡的 RECORDER 文件夹后，即进入录音模式（包括配置 I²S 等），此时可以在耳机（或喇叭）听到采集到的音频。 K1 用于开始/暂停录音， K2 用于保存并停止录音， KO 用于播放最近一次的录音。
此时，我们按下 K1就开始录音了，此时看到屏幕显示录音文件的名字以及录音时长，如图所示：
在录音的时候按下 K1 则执行暂停/继续录音的切换，通过 LEDB 指示录音暂停。通过按下K2，可以停止当前录音，并保存录音文件。在完成一次录音文件保存之后，我们可以通过按 K0 按键，来实现播放这个录音文件（即播放最近一次的录音文件），实现试听。