知识

什么是wav文件

可以在维基百科找到wav文件的历史渊源。这个网站有一个详尽的wav格式说明：
wav格式说明

这里主要是想说wav文件重要的就是生成一个wavhead来标识它是一个wave文件，wave文件的data chunk 中的data部分还是PCM编码格式的数据，直接从I2S读进去就可以，不需要压缩。

wav head

wav文件的头一般由4个chunk组成，上面引用的网站里写的很清楚了。生成wav head的代码如下：

// 生成wav header，32bit 位深
void wavHeader(byte* header, int wavSize){ // 数字小端格式，字符大端格式header[0] = 'R';header[1] = 'I';header[2] = 'F';header[3] = 'F';unsigned int fileSize = wavSize + headerSize - 8;header[4] = (byte)(fileSize & 0xFF); // file size, 4byte integerheader[5] = (byte)((fileSize >> 8) & 0xFF);header[6] = (byte)((fileSize >> 16) & 0xFF);header[7] = (byte)((fileSize >> 24) & 0xFF);header[8] = 'W';header[9] = 'A';header[10] = 'V';header[11] = 'E';header[12] = 'f';header[13] = 'm';header[14] = 't';header[15] = ' ';header[16] = 0x10; // length of format data = 16, 4byte integerheader[17] = 0x00;header[18] = 0x00;header[19] = 0x00;header[20] = 0x01;  // format type:1(PCM), 2byte integer header[21] = 0x00;header[22] = 0x01; // channel number:1, 2byte integerheader[23] = 0x00;header[24] = 0x80; // sample rate:16000=0x00003E80, 4byte integerheader[25] = 0x3E;header[26] = 0x00;header[27] = 0x00;header[28] = 0x00; // SampleRate*BitPerSample*ChannelNum/8=16000*32*1/8=64000=0x0000FA00, 4byte integerheader[29] = 0xFA;header[30] = 0x00;header[31] = 0x00;header[32] = 0x04; // BitPerSample*ChannelNum/8 = 4, 2byte integer header[33] = 0x00;header[34] = 0x20; // BitPerSample:32 = 0x0020, 2byte integer header[35] = 0x00;header[36] = 'd';header[37] = 'a';header[38] = 't';header[39] = 'a';header[40] = (byte)(wavSize & 0xFF);header[41] = (byte)((wavSize >> 8) & 0xFF);header[42] = (byte)((wavSize >> 16) & 0xFF);header[43] = (byte)((wavSize >> 24) & 0xFF);}

PCM编码

I2S工作

I²S 模式下，BCK 为串行时钟；WS 为通道选择信号，用于表示左右声道的切换；SD 为串行数据信号，传输音频数据。WS 信号和 SD 信号在 BCK 的下降沿发生变化，并在 BCK 的上升沿采样 SD 信号。

I2S接口标准

I2S支持三种接口标准。（ESP32 技术参考手册）

查询INMP441的资料，设置为左单通道输入时，其采用的接口标准为Philips 标准，即WS领先SD一个时钟周期变化：

在初始化I2S的时候，接口标准采用I2S_COMM_FORMAT_I2S。不过其他的接口标准也会实验一下，因为不知道什么原因，麦克风录音发生了截断，考虑从几个方面去解决这个问题：

接口标准
scale方法
在SD管脚处接入下拉电阻
SPIFFS的读写速度原因
方法三是基于INMP441的资料，其中建议到：SD管脚应该有一个下拉电阻，在总线上的所有麦克风都有三态输出时discharge。

数模转换

i2s_read()函数，向flash种划分的一个buff当中读入byte数组。但是注意一个样本值是由32个bit记录的，也就是说byte数组当中每四个byte就记录着一个sample。在将buff中的数值写入wav文件时，要把数字信号转换成模拟信号才可以被电脑上的播放器播放，所以要通过一个scale函数：

void i2s_adc_data_scale(uint8_t * d_buff, uint8_t* s_buff, uint32_t len)
{uint32_t j = 0;uint32_t dac_value = 0;// 一个采样点是4byte，每4个bytefor (int i = 0; i < len; i += 4) {dac_value = ((((uint16_t)(s_buff[i + 3] & 0xf) << 8) | ((s_buff[i + 2]))));d_buff[j++] = 0;d_buff[j++] = 0;d_buff[j++] = 0;d_buff[j++] = dac_value * 128 / 2048; // divided by 4096 if you want it to be lower}
}

把buff中每四个byte提取出来，将最后两个byte拼接起来组成一个无符号16位整型，再转换成sample对应的电压值。转换的原理我也不是很清楚，希望有人可以指导一下。
看这一行代码：

dac_value = ((((uint16_t)(s_buff[i + 3] & 0xf) << 8) | ((s_buff[i + 2]))));

把byte数组转换成16位的unsigned int类型，因为是32bit所以只取了最后两个byte（为什么？）

d_buff[j++] = dac_value * 128 / 2048;

把它转换成电压值。
最后的乘除因为运算的都是2的指数，可以通过移位来加快速度：
乘以2ⁿ ，左移n，除以 2ⁿ, 右移n
变成：

d_buff[j++] = (dac_value << 8) >> 12 ;

SPIFFS

这是esp32管理文件的系统。要注意esp32的文件空间不大，如果上传文件太多的话会把空间占满，就无法再上传文件，所以上传文件之前要把多于的文件从esp32的文件空间中删去。
本次代码时直接在运行过程中生成文件，但是如果想把已存在的文件上传到esp32的文件系统，首先要在工程文件夹中创建data文件夹，把文件放进去，然后使用arduino工具esp32 sketch data upload上传文件，就可以用SPIFFS打开了。
listSPIFFS()是SPIFFS示例中的代码。
工具esp32 sketch data upload：
esp32 sketch data upload

void SPIFFSInit(){if(!SPIFFS.begin(true)){Serial.println("SPIFFS initialisation failed!");while(1) yield();}SPIFFS.remove(filename);// 移除掉已存在的filefile = SPIFFS.open(filename, FILE_WRITE);if(!file){Serial.println("File is not available!");}byte header[headerSize];wavHeader(header, FLASH_RECORD_SIZE); // 生成wave headerfile.write(header, headerSize); // 写入headerlistSPIFFS();
}

代码

/** 使用i2s录音2秒，并生成recording.wav文件，上传到File Browser当中
*/
#include <driver/i2s.h>
#include <SPIFFS.h>#define I2S_WS 15
#define I2S_SD 13
#define I2S_SCK 2
#define I2S_PORT I2S_NUM_0
#define I2S_SAMPLE_RATE   (16000)
#define I2S_SAMPLE_BITS   (32)
#define I2S_READ_LEN      (32 * 1024)
#define RECORD_TIME       (2) //Seconds
#define I2S_CHANNEL_NUM   (1)
#define FLASH_RECORD_SIZE (I2S_CHANNEL_NUM * I2S_SAMPLE_RATE * I2S_SAMPLE_BITS / 8 * RECORD_TIME)File file;
const char filename[] = "/recording.wav";
const int headerSize = 44; // wave header sizevoid setup() {Serial.begin(115200);SPIFFSInit();i2sInit();xTaskCreate(i2s_adc, "i2s_adc", 1024 * 2, NULL, 1, NULL);
}void loop() {}void SPIFFSInit(){if(!SPIFFS.begin(true)){Serial.println("SPIFFS initialisation failed!");while(1) yield();}SPIFFS.remove(filename);// 移除掉已存在的filefile = SPIFFS.open(filename, FILE_WRITE);if(!file){Serial.println("File is not available!");}byte header[headerSize];wavHeader(header, FLASH_RECORD_SIZE); // 生成wave headerfile.write(header, headerSize); // 写入headerlistSPIFFS();
}// 初始化i2s,原理和Plotter中的代码相同
void i2sInit(){i2s_config_t i2s_config = {.mode = (i2s_mode_t)(I2S_MODE_MASTER | I2S_MODE_RX),.sample_rate = I2S_SAMPLE_RATE,.bits_per_sample = i2s_bits_per_sample_t(I2S_SAMPLE_BITS),.channel_format = I2S_CHANNEL_FMT_ONLY_LEFT,.communication_format = i2s_comm_format_t(I2S_COMM_FORMAT_PCM), // PCM standard .intr_alloc_flags = 0,.dma_buf_count = 32,  // 改成32count之后读取内存报错消失.dma_buf_len = 1024,  // 1024 samples per buffer.use_apll = 1        // use APLL-CLK,frequency 16MHZ-128MHZ,it's for audio};i2s_driver_install(I2S_PORT, &i2s_config, 0, NULL);const i2s_pin_config_t pin_config = {.bck_io_num = I2S_SCK,.ws_io_num = I2S_WS,.data_out_num = -1,.data_in_num = I2S_SD};i2s_set_pin(I2S_PORT, &pin_config);
}// digital to analog：麦克风输入为digital code(binary)， 需要将编码转换成相应的电压值才能播放
void i2s_adc_data_scale(uint8_t * d_buff, uint8_t* s_buff, uint32_t len)
{uint32_t j = 0;uint32_t dac_value = 0;// 一个采样点是4byte，每4个bytefor (int i = 0; i < len; i += 4) {dac_value = ((((uint16_t)(s_buff[i + 3] & 0xf) << 8) | ((s_buff[i + 2]))));d_buff[j++] = 0;d_buff[j++] = 0;d_buff[j++] = 0;d_buff[j++] = dac_value * 128 / 2048;}
}// 录音任务
void i2s_adc(void *arg)
{int i2s_read_len = I2S_READ_LEN;// 已写入flash的大小int flash_wr_size = 0;// in i2s_read(),Number of bytes read, if timeout, bytes read will be less than the size passed insize_t bytes_read;// 每一次读取一个i2s_read_buff，大小：32 * 1024 bytes,DMA Buffer大小应该是其倍数，不然会报错：读取内存错误char* i2s_read_buff = (char*) calloc(i2s_read_len, sizeof(char));// 经过scale之后每次读取写入flash的buffuint8_t* flash_write_buff = (uint8_t*) calloc(i2s_read_len, sizeof(char));// 已经开始写入了，试试删掉，因为INMP441需要准备时间i2s_read(I2S_PORT, (void*) i2s_read_buff, i2s_read_len, &bytes_read, portMAX_DELAY);i2s_read(I2S_PORT, (void*) i2s_read_buff, i2s_read_len, &bytes_read, portMAX_DELAY);Serial.println(" *** Recording Start *** ");while (flash_wr_size < FLASH_RECORD_SIZE) {//read data from I2S bus.i2s_read(I2S_PORT, (void*) i2s_read_buff, i2s_read_len, &bytes_read, portMAX_DELAY);// 展示一下都录了什么example_disp_buf((uint8_t*) i2s_read_buff, 32);//save original data from I2S into flash.// 先转换成电压值i2s_adc_data_scale(flash_write_buff, (uint8_t*)i2s_read_buff, i2s_read_len);file.write((const byte*)  flash_write_buff, i2s_read_len);flash_wr_size += i2s_read_len;ets_printf("Sound recording %u%%\n", flash_wr_size * 100 / FLASH_RECORD_SIZE);ets_printf("Never Used Stack Size: %u\n", uxTaskGetStackHighWaterMark(NULL));}file.close();// 清空bufffree(i2s_read_buff);i2s_read_buff = NULL;free(flash_write_buff);flash_write_buff = NULL;listSPIFFS();vTaskDelete(NULL);
}// 展示buff内容的函数
void example_disp_buf(uint8_t* buf, int length)
{printf("======\n");for (int i = 0; i < length; i++) {printf("%02x ", buf[i]);if ((i + 1) % 8 == 0) {printf("\n");}}printf("======\n");
}// 生成wav header，32bit 位深
void wavHeader(byte* header, int wavSize){ // 数字小端格式，字符大端格式header[0] = 'R';header[1] = 'I';header[2] = 'F';header[3] = 'F';unsigned int fileSize = wavSize + headerSize - 8;header[4] = (byte)(fileSize & 0xFF); // file size, 4byte integerheader[5] = (byte)((fileSize >> 8) & 0xFF);header[6] = (byte)((fileSize >> 16) & 0xFF);header[7] = (byte)((fileSize >> 24) & 0xFF);header[8] = 'W';header[9] = 'A';header[10] = 'V';header[11] = 'E';header[12] = 'f';header[13] = 'm';header[14] = 't';header[15] = ' ';header[16] = 0x10; // length of format data = 16, 4byte integerheader[17] = 0x00;header[18] = 0x00;header[19] = 0x00;header[20] = 0x01;  // format type:1(PCM), 2byte integer header[21] = 0x00;header[22] = 0x01; // channel number:1, 2byte integerheader[23] = 0x00;header[24] = 0x80; // sample rate:16000=0x00003E80, 4byte integerheader[25] = 0x3E;header[26] = 0x00;header[27] = 0x00;header[28] = 0x00; // SampleRate*BitPerSample*ChannelNum/8=16000*32*1/8=64000=0x0000FA00, 4byte integerheader[29] = 0xFA;header[30] = 0x00;header[31] = 0x00;header[32] = 0x04; // BitPerSample*ChannelNum/8 = 4, 2byte integer header[33] = 0x00;header[34] = 0x20; // BitPerSample:32 = 0x0020, 2byte integer header[35] = 0x00;header[36] = 'd';header[37] = 'a';header[38] = 't';header[39] = 'a';header[40] = (byte)(wavSize & 0xFF);header[41] = (byte)((wavSize >> 8) & 0xFF);header[42] = (byte)((wavSize >> 16) & 0xFF);header[43] = (byte)((wavSize >> 24) & 0xFF);}void listSPIFFS(void) {Serial.println(F("\r\nListing SPIFFS files:"));static const char line[] PROGMEM =  "=================================================";Serial.println(FPSTR(line));Serial.println(F("  File name                              Size"));Serial.println(FPSTR(line));fs::File root = SPIFFS.open("/");if (!root) {Serial.println(F("Failed to open directory"));return;}if (!root.isDirectory()) {Serial.println(F("Not a directory"));return;}fs::File file = root.openNextFile();while (file) {if (file.isDirectory()) {Serial.print("DIR : ");String fileName = file.name();Serial.print(fileName);} else {String fileName = file.name();Serial.print("  " + fileName);// File path can be 31 characters maximum in SPIFFSint spaces = 33 - fileName.length(); // Tabulate nicelyif (spaces < 1) spaces = 1;while (spaces--) Serial.print(" ");String fileSize = (String) file.size();spaces = 10 - fileSize.length(); // Tabulate nicelyif (spaces < 1) spaces = 1;while (spaces--) Serial.print(" ");Serial.println(fileSize + " bytes");}file = root.openNextFile();}Serial.println(FPSTR(line));Serial.println();delay(1000);
}

出现的问题和解决

内存出错

参考代码的麦克风可以进行16bi位深的录音，但是因为我们的麦克风限制，我改成32bit之后出现了如下报错，查询官方文档（ESP-IDF 编程指南），了解错误原因：

Guru Meditation Error: Core panic'ed StoreProhibited

当应用程序尝试读取或写入无效的内存位置时，会发生此类CPU 异常。此类无效内存地址可以在寄存器转储的EXCVADDR 中找到。如果该地址为零，通常意味着应用程序正尝试解引用一个NULL 指针。如果该地址接近于零，则通常意味着应用程序尝试访问某个结构体的成员，但是该结构体的指针为NULL。
如果该地址是其它非法值（不在0x3fxxxxxx - 0x6xxxxxxx 的范围内），则可能意味着用于访问数据的指针未初始化或者已经损坏。

使用arduino工具Esp Exception Decoder解析得到具体出错的代码文件、函数和行号。这里没有截图了。
下载地址：

Esp Exception Decoder

虽然找到了出错行，也并没有让我找到解决办法，既然是内存读取或写入出错，那么应该是I2S在执行DMA读写的时候因为内存不相匹配导致指针指向了无效的位置，所以尝试将DMA的count改成了32之后，报错消失。

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