Микрофон INMP441 I2S с ESP32: чтение звука, измерение dB и график

INMP441 — это маленький модуль MEMS-микрофона, который сам переводит звук в цифру внутри микросхемы и отправляет 24-битные отсчёты прямо по шине I2S. Связка INMP441 ESP32 — самый простой способ получить чистый звук без аналогового микрофона, усилителя и АЦП. Модуль подключается к ESP32 шестью проводами, несколько строк кода I2S дают 16 000 отсчётов в секунду, по этим отсчётам можно посчитать уровень окружающего звука в децибелах (dB) и смотреть форму звуковой волны вживую в «Плоттере по последовательному соединению» (Serial Plotter).

В этом руководстве шаг за шагом разобрано, как работает INMP441, зачем нужны три линии I2S, готовый код, который компилируется и на ядре ESP32 для Arduino версии 2.x, и на 3.x, разница между dBFS и dB SPL и формула настоящего шумомера. В конце ты найдёшь работу с MicroPython на Raspberry Pi Pico, отличия от дешёвого аналогового датчика звука KY-038 и самые частые ошибки подключения.

Что такое INMP441 и как он работает?

INMP441 — всенаправленный MEMS-микрофон производства TDK InvenSense. MEMS здесь означает крошечный конденсатор из микроскопической мембраны и неподвижной пластины, вытравленных в кремнии: когда звуковые волны колеблют мембрану, меняется ёмкость. Классический электретный микрофон выдаёт это изменение как слабое аналоговое напряжение, и его нужно усиливать, фильтровать и измерять АЦП. А внутри INMP441 объединены предусилитель, фильтр защиты от наложения спектров (anti-aliasing), 24-битный сигма-дельта АЦП и интерфейс I2S. Поэтому из микрофона выходит уже не напряжение, а числа, которые идут в такт тактовому сигналу. Так на проводах не собирается аналоговый шум, качество АЦП платы перестаёт иметь значение, и любой подходящий микроконтроллер на 3,3 V получает одинаковое качество звука. Маленькое отверстие на модуле — это звуковой вход микрофона; при установке платы в корпус следи, чтобы не закрыть его.

Что такое I2S? Цифровой звук по трём линиям

I2S (Inter-IC Sound) — последовательная шина, созданная для передачи звуковых отсчётов между микросхемами, и, несмотря на похожее название, с I2C она никак не связана. У неё три линии: SCK (битовый такт) говорит, когда читать каждый бит данных, WS (word select, ещё называют LRCLK) показывает, какой канал передаётся в данный момент, левый или правый, а SD — это сами данные. В этой схеме ESP32 — ведущее устройство (master): она формирует оба тактовых сигнала, а микрофон подстраивается под такт и выставляет данные на линию SD. У INMP441 каждый кадр состоит из 64 импульсов SCK: 32 бита для левого канала и 32 бита для правого. Поэтому частота дискретизации равна SCK / 64; для дискретизации 16 kHz ESP32 формирует битовый такт около 1,024 MHz. Микрофон записывает своё 24-битное измерение старшим битом вперёд в 32-битную ячейку своего канала, а оставшиеся 8 бит равны нулю. Именно поэтому в коде значение сдвигается вправо на 8 бит.

Подключение INMP441: ESP32 и Raspberry Pi Pico

На ESP32 сигналы I2S можно вывести на любой пин через матрицу GPIO; номера 32, 25 и 33 в таблице не обязательны, это просто безопасный выбор. Только держись подальше от пинов конфигурации при старте (strapping), которые задают поведение платы при загрузке (GPIO 0, 2, 5, 12, 15), и от GPIO 6–11, отведённых под флеш-память. GPIO 34–39 работают только на вход, поэтому подходят для линии SD, но не для SCK и WS. У Pico правило другое: драйвер I2S в MicroPython использует PIO, и номер пина WS должен быть на единицу больше номера пина SCK (например, GP16 и GP17). Делай провода короче 10–15 см: тактовый сигнал мегагерцового диапазона искажается на длинных перемычках. Расположение пинов своей платы можно проверить в утилите распиновки.

Шаг за шагом: первое чтение звука на ESP32

1. Убедись, что в Arduino IDE установлен пакет плат ESP32, и выбери ESP32 Dev Module в меню «Инструменты › Плата» (Tools › Board). Если установка незнакома, загляни в статью Что такое ESP32?.
2. Вставь модуль в макетную плату; подключи VDD к 3V3, GND к GND, а L/R тоже к GND.
3. Подключи SCK к GPIO 32, WS к GPIO 25 и SD к GPIO 33, провода делай короткими.
4. Загрузи код ниже. Дополнительные библиотеки не нужны: ESP_I2S на ядре 3.x и driver/i2s.h на ядре 2.x уже входят в пакет плат.
5. Открой монитор порта на скорости 115200 бод; в тихой комнате должны быть значения около 35–50 dB, а во время разговора — около 55–70 dB.
6. Открой «Инструменты › Плоттер по последовательному соединению» (Tools › Serial Plotter), чтобы видеть кривые dBFS и dB SPL вживую; хлопни в ладоши рядом с микрофоном и посмотри, как подскочит кривая.

Код для ESP32: измерение уровня звука (dB) с INMP441

Код проверяет версию ядра ESP32 для Arduino через ESP_ARDUINO_VERSION_MAJOR. На версии 3.x он использует новую библиотеку ESP_I2S, а на 2.x — классический драйвер I2S из ESP-IDF. Оба пути дают одинаковые функции micBegin() и micRead(), поэтому расчёт в loop() не меняется. В каждом проходе читается 512 отсчётов, то есть 32 мс звука при 16 kHz, убирается постоянная составляющая (смещение DC), находится среднеквадратичное значение (RMS) и переводится в децибелы.

1// INMP441 + ESP32: ses seviyesi (dB) olcer / sound level (dB) meter
2// ESP32 Arduino core 2.x ve 3.x / ESP32 Arduino core 2.x and 3.x
3#include <Arduino.h>
4#include <math.h>
5
6#define MIC_SCK 32   // INMP441 SCK
7#define MIC_WS  25   // INMP441 WS
8#define MIC_SD  33   // INMP441 SD
9
10const uint32_t SAMPLE_RATE = 16000;      // ornekleme hizi / sample rate
11const size_t   BLOCK       = 512;        // blok basina ornek / samples per block
12const double   FS_RMS      = 5931642.0;  // 8388608 / sqrt(2): tam olcek sinus RMS / full-scale sine RMS
13const double   DB_OFFSET   = 120.0;      // 94 dB SPL - (-26 dBFS)
14
15int32_t samples[BLOCK];
16
17#if ESP_ARDUINO_VERSION_MAJOR >= 3
18#include <ESP_I2S.h>
19I2SClass i2s;
20
21bool micBegin() {
22  i2s.setPins(MIC_SCK, MIC_WS, -1, MIC_SD);   // bclk, ws, dout (yok / none), din
23  return i2s.begin(I2S_MODE_STD, SAMPLE_RATE, I2S_DATA_BIT_WIDTH_32BIT,
24                   I2S_SLOT_MODE_MONO, I2S_STD_SLOT_LEFT);   // L/R = GND -> sol / left
25}
26
27size_t micRead(int32_t *buf, size_t count) {
28  size_t bytes = i2s.readBytes((char *)buf, count * sizeof(int32_t));
29  return bytes / sizeof(int32_t);
30}
31#else
32#include <driver/i2s.h>
33
34bool micBegin() {
35  i2s_config_t cfg = {};
36  cfg.mode = (i2s_mode_t)(I2S_MODE_MASTER | I2S_MODE_RX);   // ana cihaz, alici / master, receiver
37  cfg.sample_rate = SAMPLE_RATE;
38  cfg.bits_per_sample = I2S_BITS_PER_SAMPLE_32BIT;
39  cfg.channel_format = I2S_CHANNEL_FMT_ONLY_LEFT;           // L/R = GND -> sol / left
40  cfg.communication_format = I2S_COMM_FORMAT_STAND_I2S;
41  cfg.intr_alloc_flags = ESP_INTR_FLAG_LEVEL1;
42  cfg.dma_buf_count = 4;
43  cfg.dma_buf_len = 256;
44  cfg.use_apll = false;
45
46  i2s_pin_config_t pins = {};
47  pins.mck_io_num = I2S_PIN_NO_CHANGE;
48  pins.bck_io_num = MIC_SCK;
49  pins.ws_io_num = MIC_WS;
50  pins.data_out_num = I2S_PIN_NO_CHANGE;
51  pins.data_in_num = MIC_SD;
52
53  if (i2s_driver_install(I2S_NUM_0, &cfg, 0, NULL) != ESP_OK) return false;
54  return i2s_set_pin(I2S_NUM_0, &pins) == ESP_OK;
55}
56
57size_t micRead(int32_t *buf, size_t count) {
58  size_t bytes = 0;
59  i2s_read(I2S_NUM_0, buf, count * sizeof(int32_t), &bytes, portMAX_DELAY);
60  return bytes / sizeof(int32_t);
61}
62#endif
63
64void setup() {
65  Serial.begin(115200);
66  if (!micBegin()) {
67    Serial.println("I2S baslatilamadi / I2S init failed");
68    while (true) delay(1000);
69  }
70}
71
72void loop() {
73  size_t n = micRead(samples, BLOCK);
74  if (n == 0) return;
75
76  double sum = 0;
77  for (size_t i = 0; i < n; i++) {
78    samples[i] >>= 8;                 // 32 bit yuvadan 24 bit veri / 24-bit data from 32-bit slot
79    sum += samples[i];
80  }
81  double mean = sum / n;              // DC kaymasi / DC offset
82
83  double sq = 0;
84  for (size_t i = 0; i < n; i++) {
85    double v = (double)samples[i] - mean;
86    sq += v * v;
87  }
88  double rms = sqrt(sq / n);
89  if (rms < 1.0) rms = 1.0;           // log10(0) olmasin / avoid log10(0)
90
91  double dbfs = 20.0 * log10(rms / FS_RMS);
92  double spl = dbfs + DB_OFFSET;
93
94  Serial.print("dBFS:");
95  Serial.print(dbfs, 1);
96  Serial.print(" dB_SPL:");
97  Serial.println(spl, 1);
98}

Как считается уровень звука? dBFS и dB SPL

Звуковое давление меняется в очень широком диапазоне, поэтому используется логарифмическая шкала децибел: удвоение амплитуды — это примерно +6 dB, а увеличение в десять раз — +20 dB. Числа от микрофона сначала переводятся в dBFS (децибелы относительно полной шкалы): dBFS = 20 × log10(RMS / RMS полной шкалы). Полная шкала — это RMS синусоиды, пик которой достигает наибольшего 24-битного значения 8 388 608, то есть 8 388 608 / √2 ≈ 5 931 642. На этой шкале 0 dBFS — предел перегрузки микрофона, а любой более тихий звук получает отрицательное значение. Чтобы перейти к физическому звуковому давлению, dB SPL, используется чувствительность из даташита: INMP441 выдаёт звук 1 kHz уровнем 94 dB SPL как −26 dBFS. Отсюда формула dB SPL = dBFS + 94 − (−26) = dBFS + 120. Например, если RMS равно 5932, то dBFS = 20 × log10(0,001) = −60, а уровень звука — около 60 dB SPL, это уровень обычной речи.

Рисуем форму волны в плоттере

Значение в децибелах говорит, насколько громкий звук; чтобы увидеть форму звука, нужно выводить на график «сырые» отсчёты. В том же скетче замени только функцию loop() на ту, что ниже. Здесь есть важное ограничение: последовательная линия на 115200 бод передаёт около 11 500 символов в секунду, а этого не хватает, чтобы выводить 16 000 отсчётов в секунду. Поэтому код выводит блок из 512 отсчётов подряд; звук, пришедший во время вывода блока, теряется, но каждый фрагмент в плоттере — это непрерывный, настоящий срез длиной 32 мс.

1// dB taslaginda loop() yerine bunu kullan / Use this instead of loop() in the dB sketch
2void loop() {
3  size_t n = micRead(samples, BLOCK);
4  for (size_t i = 0; i < n; i++) {
5    int32_t v = samples[i] >> 8;     // 24 bit ham ornek / 24-bit raw sample
6    Serial.print("ses:");
7    Serial.println(v);
8  }
9}

Если свистнуть в микрофон, в плоттере появится почти ровная синусоида. При свисте 1 kHz один период длится 1 мс и при дискретизации 16 kHz соответствует 16 точкам; посчитав точки в одном периоде, можно примерно оценить частоту. Речь — смесь многих частот, поэтому она рисует неровную волну с огибающей; хлопок даёт короткий и очень высокий пик. Плоттер масштабирует ось автоматически, поэтому в тишине мелкие колебания шума могут выглядеть крупными, это нормально. Подробнее о работе с монитором порта и плоттером — в статье монитор порта Arduino.

INMP441 с Raspberry Pi Pico (MicroPython)

У Raspberry Pi Pico нет отдельного блока I2S, но её программируемые блоки PIO эмулируют I2S на аппаратной скорости, а класс machine.I2S в MicroPython делает эту работу за тебя. Устанавливать дополнительные файлы не нужно: достаточно свежей версии MicroPython. В коде выбираются bits=32 и format=I2S.MONO, прочитанные отсчёты так же сдвигаются вправо на 8 бит и переводятся в децибелы по той же формуле. Циклы Python медленнее, чем C, поэтому размер блока в 512 отсчётов — хороший баланс; пропуск нескольких миллисекунд звука во время расчёта почти не влияет на результат. Если программировать Pico в Arduino IDE, ту же работу выполняет библиотека I2S из ядра arduino-pico; там тоже номер пина WS (LRCLK) должен быть на единицу больше номера пина BCLK. Если MicroPython в новинку, сначала загляни в статью Что такое Raspberry Pi Pico?.

1from machine import Pin, I2S
2import array
3import math
4
5SCK_PIN = 16   # INMP441 SCK
6WS_PIN = 17    # INMP441 WS (SCK + 1 olmali / must be SCK + 1)
7SD_PIN = 18    # INMP441 SD
8
9FS_RMS = 5931642.0   # 8388608 / sqrt(2): tam olcek sinus RMS / full-scale sine RMS
10DB_OFFSET = 120.0    # 94 dB SPL - (-26 dBFS)
11LN10 = math.log(10)
12
13mic = I2S(0, sck=Pin(SCK_PIN), ws=Pin(WS_PIN), sd=Pin(SD_PIN),
14          mode=I2S.RX, bits=32, format=I2S.MONO,
15          rate=16000, ibuf=8192)
16
17samples = array.array('i', [0] * 512)   # 32 bit ornek dizisi / 32-bit sample array
18
19while True:
20    n = mic.readinto(samples) // 4      # okunan ornek sayisi / number of samples read
21    if n == 0:
22        continue
23    total = 0
24    for i in range(n):
25        samples[i] >>= 8                # 24 bit degeri ayikla / extract 24-bit value
26        total += samples[i]
27    mean = total / n                    # DC kaymasi / DC offset
28    sq = 0.0
29    for i in range(n):
30        d = samples[i] - mean
31        sq += d * d
32    rms = max(math.sqrt(sq / n), 1.0)
33    dbfs = 20 * math.log(rms / FS_RMS) / LN10
34    print("dBFS: {:.1f}  dB SPL: {:.1f}".format(dbfs, dbfs + DB_OFFSET))

INMP441 и аналоговый датчик звука KY-038

KY-038 — дешёвый модуль из электретного микрофонного капсюля, подстроечного резистора для настройки порога и компаратора LM393. Его цифровой выход (DO) меняет состояние, когда звук превышает заданный порог; аналоговый выход (AO) даёт «сырое» напряжение капсюля и читается АЦП платы. Такой конструкции достаточно, чтобы ловить хлопки или понимать, есть ли звук в комнате. Но усилителя в модуле нет, поэтому сигнал очень слабый: 10-битный АЦП Arduino Uno видит при речи изменение всего на несколько ступенек, а АЦП ESP32 шумный. INMP441 же выполняет измерение внутри микрофона с разрешением 24 бита; между ними нет аналогового провода, усилителя или АЦП, поэтому он чисто записывает диапазон около 87 dB — от фонового шума до предела перегрузки. Коротко: KY-038 — это звуковой выключатель, а INMP441 — настоящий микрофон. Ограничения аналогового чтения подробно описаны в руководстве по АЦП.

Идеи проектов с INMP441

• Светодиоды, реагирующие на звук: преврати уровень звука в число горящих светодиодов на ленте WS2812B; подробности — в статьях светодиоды, реагирующие на музыку и WS2812B NeoPixel.
• Шумовой светофор для класса: сделай сигнальную лампу, которая горит зелёным ниже 55 dB, жёлтым при 55–70 dB и красным выше.
• Живая панель шума в браузере: отправляй значение dB в браузер по WebSocket и смотри график на телефоне; базовая структура — в статье веб-сервер ESP32 и WebSocket.
• Датчик шума для умного дома: передавай измерения в Home Assistant по MQTT; руководство ESP32, MQTT и Home Assistant упростит задачу.
• Оповещение о плаче ребёнка или лае собаки: если звук превышает порог дольше заданного времени, отправляй сообщение на телефон через Telegram-бота.
• Диктофон: записывай отсчёты в 16-битный WAV-файл на модуль SD-карты и слушай на компьютере.
• Управление свистом: найди доминирующую частоту с помощью FFT и включай светодиод или реле на определённом тоне свиста.

Частые ошибки и как их исправить

Несколько проводов и короткий скетч — и INMP441 даёт ESP32 настоящий цифровой микрофон; это основа многих проектов, от измерения уровня звука до светильников, реагирующих на музыку. Когда хочется обрабатывать звук как числа, а не довольствоваться аналоговым датчиком, это первый выбор. В приложении BlueGrays есть пошаговые схемы и код проектов на ESP32 со светодиодами, зуммером, лентой WS2812B и веб-сервером, и этот микрофон легко добавить поверх них.