ESP32驱动PCM5102A播放SD卡音频

简介

PCM5102A模块是一款立体声DAC模块、音频数模转换器，内部集成了PCM5102芯片。PCM5102芯片是集成了立体声模数转换器(DAC)，可实现出色的动态性能并提升针对时钟抖动的耐受度，凭借 DirectPath™电荷泵技术,PCM510xA器件提供2.1 VRMS中央接地输出(设计人员无需在输出上连接隔直电容)以及传统意义上与单电源线路驱动器相关的外部静音电路。集成了软静音也可以硬件静音,实现120dB静音信噪比(SNR)。集成线路驱动器的每个引脚支持低至1kΩ的负载，从而在性能上超过其他所有基于电荷泵的线路驱动器。器件上集成了具有BCK基准的高性能集成音频锁相环(PLL)，可在内部生成SCK，免除了对于系统时钟(通常称为主时钟)的需要，从而实现一个3线制I2S连接并减少了系统电磁干扰(EMI)。智能时钟误差与PowerSense 欠压保护采用双层系统，能够消除喀嗒和噼啪声。相比许多传统的开关电容DAC 架构,能够将带外噪声控制在20dB的较低水平，从而减少下游放大器/ADC中的EMI和混叠。当时钟和电源系统出现错误，器件自动衰减数据并启动模拟静音电路。

模块参数

模块供电电压:DC3.3V 信噪比SNR:112dB 动态范围:112dB
满量程单端输出:2.1 VRMS采样频率:8KHz~384KHz 主时钟频率:50MHz
音频数据位数:16、24、32 工作环境温度:-40℃~85℃ 音频数据格式:IIS、左对齐
总谐波失真(THD+N at-1dBFS):-93dB
模块尺寸:31.8mm23.7mm6.35mm,带一个3.5mm耳机座

功能框图

引脚定义

PCM5102A芯片在手册上的引脚定义如下：

对于PCM5102A模块，我们只需了解其中几个引脚功能：

此外，我们还用到了SD卡模块，共 6 个引脚（GND、VCC、MISO、MOSI、SCK、CS），GND 为地，VCC 为供电电源，MISO、MOSI、SCK 为 SPI 总线，CS 为片选信号脚。

下面我们来简单了解下PCM5102A模块的通信接口及数据格式。

通信接口和通信数据格式

音频接口端口是一个三线串行端口，信号包括 LRCK、BCK 和 DIN。BCK 是串行音频比特时钟，用于将串行数据（DIN 上的数据）时钟传入音频接口的串行移位寄存器。串行数据在 BCK 上升沿时被时钟输入到 PCM510xA。LRCK 是串行音频左右声道字时钟。以下是PCM5102A支持的通信数据格式、比特深度以及支持的时钟速率。

PCM510xA 支持行业标准的音频数据格式，包括标准 I2S 和 左对齐（Left-justified） 格式。

I2S模式：

左对齐模式：

数据格式通过 FMT 引脚（引脚 16）选择， 低电平选择 I2S 格式，高电平选择 左对齐 格式。所有格式都要求使用 二进制补码格式的 MSB（最高有效位优先）音频数据，最多支持 32 位 音频数据。

通信流程

通过以上我们了解到PCM5102A是一款数字输入， 模拟量输出，内置DAC的一款模块，这个数字信号输入可以输入音频信号，然后经过DAC转换成模拟音频输出，那么我们可以使用ESP32，将SD卡的数字音频信号读取后，再把数据通过I2S协议传输给PCM5102A模块进行音频输出，这样我们就能通过读取SD卡的音频播放音乐了。

引脚接线

ESP32和PCM5102A

ESP32和SD模块

主要代码

#include "Arduino.h"
#include "Audio.h"
#include "SPI.h"
#include "SD.h"
#include "FS.h"

#define SD_CS          5
#define SPI_MOSI      23
#define SPI_MISO      19
#define SPI_SCK       18
#define I2S_DOUT      25
#define I2S_BCLK      27
#define I2S_LRC       26

Audio audio;
File audioFile;

void setup() {
    pinMode(SD_CS, OUTPUT);
    digitalWrite(SD_CS, HIGH);
    SPI.begin(SPI_SCK, SPI_MISO, SPI_MOSI);
    SPI.setFrequency(1000000);
    Serial.begin(115200);
   if (!SD.begin(SD_CS)) {
    Serial.println("初始化 SD 卡失败！");
    return;
  }
  Serial.println("SD 卡初始化成功！");

  // 打开 MP3文件
  audioFile = SD.open("/test.mp3");
  if (!audioFile) {
    Serial.println("无法打开音频文件！");
    return;
  }
  Serial.println("音频文件已打开！");

    audio.setPinout(I2S_BCLK, I2S_LRC, I2S_DOUT);
    audio.setVolume(12); // 音量范围：0...21

    audio.connecttoFS(SD, "test.mp3");

}
void loop() {
  audio.loop();
}

在这个代码中，有几个关键的函数我们来看一下：

spi.h

1. SPI.begin(SPI_SCK, SPI_MISO, SPI_MOSI);
   作用：初始化 SPI 接口

SPI_SCK（Serial Clock）：时钟信号，由主设备产生，主设备通过 SCK 控制数据的传输时序。
SPI_MISO（ Master Input Slave Output）：主设备数据输入，从设备数据输出，从设备通过 MISO 线将数据发送到主设备。
SPI_MOSI（Master Output Slave Input）：主设备数据输出，从设备数据输入，主设备通过 MOSI 线将数据发送到从设备。

2. SPI.setFrequency(1000000);
   作用：设置 SPI 总线时钟的频率

SD.h

1. SD.begin(SD_CS);
   作用：初始化 SD 卡片选引脚并挂载文件系统。

SD_CS: SD 卡的片选引脚。

Audio.h

1. audio.setPinout(I2S_BCLK, I2S_LRC, I2S_DOUT);
   作用：音频时钟引脚,配置音频数据的传输引脚，将音频信号通过硬件接口（如 I2S）发送到音频输出设备

I2S_BCLK:用于同步音频数据传输的时钟信号，此引脚传输音频数据流的时序信息。
I2S_LRC: 左/右声道选择引脚,用于确定音频数据是左声道还是右声道。
I2S_DOUT:数据输出引脚。

实验效果

总结

本文介绍了通过ESP32驱动PCM5102A实现播放SD卡音频的功能，主要过程是从SD卡读取音频文件，并通过I2S输出给PCM5102A进行播放，另外如果音频播放存在沙沙声或不稳定的情况，可能是接地不良或电源噪声导致的，实验过程中碰到的一个现象是出现噪声，后面发现PCM5102A的时钟线虽然没有用到但是不能悬空，否则会接触不良、音乐失真。此外检查ESP32和PCM5102A的GND连接，并确保使用稳定的电源，必要情况下可以在电源线上加入滤波电容，以实现音频信号的无损传输。