K230基础-录放音频

第二十四章 录放音频-K230声音采集与播放能力

🎯 本章目标 ：

掌握在 K230 开发板上实现音频录制与播放 的方法。由于 K230 在 CanMV MicroPython 环境中不原生支持复杂音频编解码与 DAC 播放 ，本章将提供可行的音频处理方案，包括：

• 使用外接 I2S 麦克风进行音频采集
• 使用 PWM 模拟音频播放
• 通过串口或网络传输音频数据
• 结合外部模块（如 ESP32、专用音频芯片）实现完整音频功能

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1. K230 音频能力现状

功能	支持情况	说明
I2S 输入（麦克风）	⚠️ 部分支持	可配置 I2S 采集 PCM 数据
I2S 输出（扬声器）	❌ 通常不支持	固件未暴露完整播放 API
PWM 模拟输出	✅ 可行	通过 GPIO 输出 PWM 模拟音频（低质量）
音频编解码（WAV/MP3）	❌ 不支持	无软件解码库
麦克风输入接口	✅ 支持	外接 I2S 麦克风（如 INMP441、SPH0645）

📌 结论 ：

K230 更适合作为"音频采集终端"或"音频数据转发器"，不适合独立完成高质量音频播放。

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2. 硬件准备

2.1 推荐外设

设备	型号	接口	用途
I2S 麦克风	INMP441、SPH0645	I2S	高质量录音
I2S 扬声器	MAX98357A + PAM8403	I2S	音频播放（需外部驱动）
PWM 播放	无源蜂鸣器或小喇叭	GPIO	简单提示音
音频协处理器	ESP32、K210	UART/SPI	音频编解码与播放

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3. 音频录制：I2S 麦克风采集 PCM 数据

3.1 硬件连接（以 INMP441 为例）

麦克风引脚	K230 引脚	说明
BCLK	I2S_BCLK（如 Pin13）	位时钟
LRCLK	I2S_WCLK（如 Pin14）	左右声道选择
DIN	I2S_SDIN（如 Pin15）	数据输入
GND	GND	地
VDD	3.3V	电源

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3.2 FPIOA 映射与 I2S 初始化

from fpioa_manager import fm
from machine import I2S

# I2S 引脚定义
BCLK_PIN = 13
WCLK_PIN = 14
SDIN_PIN = 15

# FPIOA 映射
fm.register(BCLK_PIN, fm.fpioa.I2S0_BCLK)
fm.register(WCLK_PIN, fm.fpioa.I2S0_WCLK)
fm.register(SDIN_PIN, fm.fpioa.I2S0_SDIN)

# 创建 I2S 对象（输入模式）
i2s = I2S(
    I2S.DEVICE_0,
    mode=I2S.MODE_PDM_RX,        # 或 MODE_I2S_RX
    bits=I2S.BITS_16,
    channel=I2S.CHANNEL_0,
    rate=16000,                  # 采样率
    align_mode=I2S.STANDARD_MODE # 标准 I2S 模式
)

⚠️ 注意 ：

不同麦克风使用不同模式（PDM 或 I2S），请查阅数据手册。

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3.3 录制 PCM 音频数据

import time
import os

# SD 卡挂载（见第21章）
os.mount(sd, "/sd")

# 开始录音
print("开始录音...")

filename = "/sd/audio.raw"
f = open(filename, "wb")

try:
    # 录制时长（秒）
    DURATION = 10
    start_time = time.ticks_ms()

    while time.ticks_diff(time.ticks_ms(), start_time) < DURATION * 1000:
        # 读取音频数据块
        audio_data = i2s.record(1024)  # 返回 bytearray
        f.write(audio_data)
        print("已录制:", f.tell(), "字节")

    print("✅ 录音完成:", filename)

except Exception as e:
    print("❌ 录音失败:", e)

finally:
    f.close()
    i2s.finish()

✅ 生成文件 ：audio.raw 为原始 PCM 数据，可在 PC 上用 Audacity 打开：

• 格式：Raw Data
• 编码：Signed 16-bit PCM
• 采样率：16000 Hz
• 声道：Mono

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4. 音频播放：PWM 模拟输出（简单提示音）

4.1 使用 PWM 播放固定频率音调

from machine import Timer, PWM
from fpioa_manager import fm

# 定义蜂鸣器引脚
BUZZER_PIN = 12
fm.register(BUZZER_PIN, fm.fpioa.PWM0_OUT)

# 创建 PWM 对象
pwm = PWM(PWM.PWM0, freq=1000, duty=0.5, pin=BUZZER_PIN)

# 播放音调
def play_tone(frequency, duration_ms):
    pwm.freq(frequency)
    pwm.duty(0.5)  # 50% 占空比
    time.sleep_ms(duration_ms)
    pwm.duty(0)    # 停止

# 示例：播放"滴"声
play_tone(1000, 200)  # 1kHz，200ms

✅ 用途：系统提示音、报警声

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4.2 播放简单旋律

# 音符频率表（C调）
tones = {
    'C4': 262, 'D4': 294, 'E4': 330, 'F4': 349,
    'G4': 392, 'A4': 440, 'B4': 494, 'C5': 523
}

melody = [('C4', 200), ('E4', 200), ('G4', 200), ('C5', 400)]

for note, duration in melody:
    play_tone(tones[note], duration)
    time.sleep_ms(50)  # 音符间隔

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5. 播放录制的 PCM 音频（理论可行）

⚠️ 限制 ：K230 无法直接播放 raw 音频，但可通过 外部 DAC 或 ESP32 实现。

5.1 方案：串口转发到 ESP32 播放

# 在 K230 上发送音频数据
uart.write(audio_data)  # 通过 UART 发送给 ESP32

ESP32 接收并使用 I2S 播放 PCM 数据。

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6. 实战项目：语音记录仪（带状态提示）

# 结合 OLED 显示录音状态

import sensor
import i2s
import lcd
import time

# 初始化 I2S（略）

def record_with_prompt(duration=5):
    # 提示音
    play_tone(800, 100)

    # 显示
    lcd.fill(0)
    lcd.draw_string(10, 10, "Recording...", color=(255,255,255))

    # 录音
    f = open("/sd/voice.raw", "wb")
    start = time.ticks_ms()
    while time.ticks_diff(time.ticks_ms(), start) < duration * 1000:
        data = i2s.record(512)
        f.write(data)
    f.close()

    # 结束提示
    play_tone(1200, 100)
    lcd.draw_string(10, 30, "Saved", color=(0,255,0))

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7. 高级方案：外接音频协处理器

7.1 使用 ESP32 实现 MP3 播放

• K230 通过 UART 发送"播放 MP3"指令
• ESP32 接收指令，从 SD 卡读取 MP3 并播放

✅ 优势：实现完整音频功能，减轻 K230 负担

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8. 常见问题与调试

❌ 问题1：I2S 无数据

排查：

• FPIOA 映射是否正确？
• 麦克风供电是否正常？
• 采样率是否匹配？
• 使用 i2s.record() 前是否初始化？

❌ 问题2：PWM 播放无声

解决：

• 检查引脚是否支持 PWM
• 蜂鸣器是否为有源/无源？
• 占空比是否为 0？

❌ 问题3：音频噪音大

优化：

• 使用差分麦克风（如 INMP441）
• 远离电源干扰
• 增加软件滤波（均值、FIR）

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9. 性能与限制

操作	能力
录音采样率	最高 16kHz ~ 32kHz
位深	16 位
声道	单声道
播放质量	PWM：低质量；需外接 DAC

✅ 建议：

• 仅用于语音命令采集、提示音播放
• 高质量音频交由专用模块处理

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✅ 本章你已掌握：

• I2S 麦克风音频采集
• PCM 数据录制到 SD 卡
• PWM 模拟音频播放
• 外部音频协处理器集成
• 音频数据传输与回放思路

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