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Acionando os Periféricos de Áudio do reTerminal D1001

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Introdução​

Este guia apresenta como acionar o periférico de áudio I2S na placa de desenvolvimento reTerminal D1001. A arquitetura do sistema envolve três componentes centrais:

  • ESP32-P4: O processador principal que gerencia o fluxo de dados de áudio e controla as configurações dos periféricos.
  • ES8311: Um codec de áudio mono de baixo consumo responsável por converter dados digitais I2S em sinais de áudio analógicos.
  • PCA9535: Um expansor de IO I2C usado para controlar o estado de habilitação do amplificador de potência, fornecendo expansão flexível de GPIO para controle de periféricos.

Diagrama de Blocos da Arquitetura de Áudio​

O sistema de áudio utiliza uma arquitetura de barramento duplo: o barramento I2S é dedicado à transmissão de dados de áudio digitais em alta velocidade, enquanto o barramento I2C lida com comandos de controle em baixa velocidade tanto para o codec quanto para o expansor de IO.

Atribuição de Pinos e Princípios​

ESP32-P4 & ES8311 (Dados e Controle de Áudio)​

Nome do SinalPino do ESP32-P4Descrição da Função
I2C_SDAGPIO20Dados Seriais: Transporta comandos de configuração (volume, taxa de amostragem) para o ES8311.
I2C_SCLGPIO21Clock Serial: Sincroniza as transferências de dados I2C.
I2S_MCKGPIO33Clock Mestre: Clock de referência de alta frequência para os moduladores delta-sigma internos do codec.
I2S_BCKGPIO32Clock de Bits: Sincroniza cada bit individual do fluxo de dados de áudio.
I2S_WSGPIO31Seleção de Palavra: Também conhecido como LRCK, define o início de um novo quadro de áudio e seleciona os canais Esquerdo/Direito.
I2S_DOGPIO30Saída de Dados: Transmite os dados de áudio PCM digitais do ESP32-P4 para o codec.
I2S_DIGPIO11Entrada de Dados: Reservado para possível gravação de áudio ou loopback a partir do codec.

ESP32-P4 & PCA9535RGER (Expansão de GPIO)​

Nome do SinalPino do ESP32-P4Descrição da Função
I2C_SDAGPIO20Barramento de dados I2C compartilhado para controlar o expansor de IO PCA9535.
I2C_SCLGPIO21Barramento de clock I2C compartilhado.
EN_PAEXP_GPO11Habilitação do PA: Mapeado para o pino P13 no PCA9535. Ajustar este pino para nível ALTO habilita o amplificador de potência externo.

Fluxo de Software​

Repositório de Exemplo no GitHub​

Baixe o repositório oficial do reTerminal D1001 no GitHub para obter o código-fonte e os drivers.

Download the Example Code

dica

Por favor, navegue até o diretório driver_examples/01_I2SCodec dentro do repositório para encontrar o código-fonte específico e os arquivos de projeto deste exemplo de áudio.

Sequência de Execução de Desenvolvimento​

Etapa 1. Inicializar o Expansor de IO I2C (PCA9535RGER)​

O amplificador de potência externo (PA) é controlado por meio do expansor PCA9535. Habilitar o PA é crucial porque, sem isso, nenhum som audível chegará aos alto-falantes mesmo que o codec esteja funcionando corretamente.

static esp_err_t pca9535_write_reg(uint8_t reg, uint8_t data)
{
    uint8_t write_buf[2] = {reg, data};
    return i2c_master_write_to_device(1, PCA9535_I2C_ADDR, write_buf, sizeof(write_buf), 1000 / portTICK_PERIOD_MS);
}

static void pca9535_init(void)
{
    int i2c_master_port = 1; // Use I2C_NUM_1
    i2c_config_t conf = {
        .mode = I2C_MODE_MASTER,
        .sda_io_num = MISC_I2C_SDA,
        .sda_pullup_en = GPIO_PULLUP_ENABLE,
        .scl_io_num = MISC_I2C_SCL,
        .scl_pullup_en = GPIO_PULLUP_ENABLE,
        .master.clk_speed = 100000,
    };
    i2c_param_config(i2c_master_port, &conf);
    i2c_driver_install(i2c_master_port, conf.mode, 0, 0, 0);

    // Configure Port 0 and Port 1 as output mode (0 = output, 1 = input)
    pca9535_write_reg(0x06, 0x00); 
    pca9535_write_reg(0x07, 0x00); 

    // Set P13 to HIGH to enable the Power Amplifier
    pca9535_write_reg(0x02, 0x00); 
    pca9535_write_reg(0x03, 0x08); 

    ESP_LOGI(TAG, "PCA9535 initialized, P13 set to HIGH");
}

Etapa 2. Configurar o Driver I2S​

I2S é um protocolo de comunicação serial síncrona usado especificamente para transmitir áudio digital. Nós configuramos o ESP32-P4 como Mestre I2S, o que significa que ele fornece os clocks BCLK e WS para o codec.

static esp_err_t i2s_driver_init(void)
{
    i2s_chan_config_t chan_cfg = I2S_CHANNEL_DEFAULT_CONFIG(I2S_NUM, I2S_ROLE_MASTER);
    chan_cfg.auto_clear = true; // Prevents playing stale data from the buffer
    ESP_ERROR_CHECK(i2s_new_channel(&chan_cfg, &tx_handle, &rx_handle));
    i2s_std_config_t std_cfg = {
        .clk_cfg = I2S_STD_CLK_DEFAULT_CONFIG(EXAMPLE_SAMPLE_RATE),
        .slot_cfg = I2S_STD_PHILIPS_SLOT_DEFAULT_CONFIG(I2S_DATA_BIT_WIDTH_16BIT, I2S_SLOT_MODE_STEREO),
        .gpio_cfg = {
            .mclk = I2S_MCK_IO,
            .bclk = I2S_BCK_IO,
            .ws = I2S_WS_IO,
            .dout = I2S_DO_IO,
            .din = I2S_DI_IO,
            .invert_flags = {
                .mclk_inv = false,
                .bclk_inv = false,
                .ws_inv = false,
            },
        },
    };
    std_cfg.clk_cfg.mclk_multiple = EXAMPLE_MCLK_MULTIPLE;

    ESP_ERROR_CHECK(i2s_channel_init_std_mode(tx_handle, &std_cfg));
    ESP_ERROR_CHECK(i2s_channel_init_std_mode(rx_handle, &std_cfg));
    ESP_ERROR_CHECK(i2s_channel_enable(tx_handle));
    ESP_ERROR_CHECK(i2s_channel_enable(rx_handle));
    return ESP_OK;
}

Etapa 3. Inicializar o Codec ES8311​

O ES8311 deve ser configurado para corresponder às configurações de I2S (taxa de amostragem, largura de dados) definidas no ESP32-P4. Isso é feito através do barramento I2C. Antes de compilar o projeto, você pode personalizar o comportamento de áudio modificando as macros em main/example_config.h:

MacroDescriçãoPrincípios de Configuração
EXAMPLE_SAMPLE_RATETaxa de Amostragem de Áudio (Hz)Define a frequência das amostras de áudio. Valores comuns são 16000 (voz) ou 44100/48000 (música).
EXAMPLE_MCLK_MULTIPLERelação MCLK para LRCLKO Clock Mestre (MCLK) deve ser um múltiplo da taxa de amostragem. 256 é o padrão para 16 bits, mas 384 é frequentemente usado para maior precisão.
EXAMPLE_VOICE_VOLUMEVolume de ReproduçãoVaria de 0 a 100. Define o nível de saída inicial do codec ES8311.
EXAMPLE_MIC_GAINGanho do Microfone (dB)Ajusta a sensibilidade dos microfones duplos. Valores mais altos aumentam o volume, mas podem introduzir ruído.
EXAMPLE_RECV_BUF_SIZETamanho do Buffer DMAControla o tamanho dos blocos de dados processados pelo DMA. Buffers maiores evitam travamentos, mas aumentam a latência de áudio.
static esp_err_t es8311_codec_init(void)
{
    const i2c_config_t es_i2c_cfg = {
        .sda_io_num = I2C_SDA_IO,
        .scl_io_num = I2C_SCL_IO,
        .mode = I2C_MODE_MASTER,
        .sda_pullup_en = GPIO_PULLUP_ENABLE,
        .scl_pullup_en = GPIO_PULLUP_ENABLE,
        .master.clk_speed = 100000,
    };
    i2c_param_config(I2C_NUM, &es_i2c_cfg);
    i2c_driver_install(I2C_NUM, I2C_MODE_MASTER,  0, 0, 0);

    es8311_handle_t es_handle = es8311_create(I2C_NUM, ES8311_ADDRRES_0);
    const es8311_clock_config_t es_clk = {
        .mclk_inverted = false,
        .sclk_inverted = false,
        .mclk_from_mclk_pin = true,
        .mclk_frequency = EXAMPLE_MCLK_FREQ_HZ,
        .sample_frequency = EXAMPLE_SAMPLE_RATE
    };

    es8311_init(es_handle, &es_clk, ES8311_RESOLUTION_16, ES8311_RESOLUTION_16);
    es8311_sample_frequency_config(es_handle, EXAMPLE_SAMPLE_RATE * EXAMPLE_MCLK_MULTIPLE, EXAMPLE_SAMPLE_RATE);
    es8311_voice_volume_set(es_handle, EXAMPLE_VOICE_VOLUME, NULL);
    es8311_microphone_config(es_handle, false);
    return ESP_OK;
}

Etapa 4. Função Principal e Criação de Tarefas​

O aplicativo principal inicializa os periféricos e então delega a lógica de reprodução a uma tarefa dedicada do FreeRTOS.

void app_main(void)
{
    pca9535_init();

    if (i2s_driver_init() != ESP_OK) {
        ESP_LOGE(TAG, "i2s driver init failed");
        abort();
    }

    if (es8311_codec_init() != ESP_OK) {
        ESP_LOGE(TAG, "es8311 codec init failed");
        abort();
    }

    xTaskCreate(i2s_music, "i2s_music", 4096, NULL, 5, NULL);
}

Etapa 5. Pré-carregamento de DMA e Reprodução de Dados​

DMA (Direct Memory Access) permite que o periférico I2S busque dados diretamente da memória sem intervenção da CPU. O pré-carregamento do buffer DMA é uma técnica crítica para evitar o ruído de “estalo” que ocorre quando o hardware I2S inicia com um buffer vazio, causando uma mudança repentina de deslocamento DC.

static void i2s_music(void *args)
{
    esp_err_t ret = ESP_OK;
    size_t bytes_write = 0;
    uint8_t *data_ptr = (uint8_t *)music_pcm_start;

    // Preload data to avoid initial "pop" sound
    ESP_ERROR_CHECK(i2s_channel_disable(tx_handle));
    ESP_ERROR_CHECK(i2s_channel_preload_data(tx_handle, data_ptr, music_pcm_end - data_ptr, &bytes_write));
    data_ptr += bytes_write;

    ESP_ERROR_CHECK(i2s_channel_enable(tx_handle));
    while (1) {
        ret = i2s_channel_write(tx_handle, data_ptr, music_pcm_end - data_ptr, &bytes_write, portMAX_DELAY);
        if (ret != ESP_OK) {
            ESP_LOGE(TAG, "[music] i2s write failed");
            abort();
        }
        data_ptr = (uint8_t *)music_pcm_start; // Loop playback
        vTaskDelay(1000 / portTICK_PERIOD_MS);
    }
}

Solução de problemas​

P1: Nenhuma saída de som no alto-falante​

  • Verificação: Confirme se o amplificador de potência (PA) está habilitado. O sinal EN_PA é controlado via o expansor de IO PCA9535 no pino P13. Certifique-se de que pca9535_init() seja chamado e configure corretamente o registrador de saída (Porta 1, Bit 3).
  • Verificação: Confirme as conexões de I2S e garanta que a função i2s_channel_enable() seja chamada para o canal TX.

P2: O áudio está distorcido ou contém ruídos de estalos​

  • Verificação: Certifique-se de que a configuração de clock do I2S (MCLK, BCLK, WS) corresponda à taxa de amostragem do seu arquivo de áudio. Uma incompatibilidade em EXAMPLE_SAMPLE_RATE pode causar problemas de tom e velocidade.
  • Verificação: Verifique se o pré-carregamento de DMA está implementado conforme mostrado na Etapa 5. O pré-carregamento evita o som de “estalo” causado por iniciar um canal com um buffer vazio.

P3: Falha de comunicação I2C com ES8311 ou PCA9535​

  • Verificação: Verifique as conexões I2C SDA (GPIO20) e SCL (GPIO21). Certifique-se de que nenhum outro periférico esteja em conflito com esses pinos.
  • Verificação: Confirme se os endereços I2C estão corretos: 0x20 para PCA9535 e 0x18 para ES8311.

Suporte técnico e discussão de produto​

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