如何构建WiFi网络收音机
在发现我那台25年的Onkyo立体声音响仍然可以正常工作后，我想让它焕发新生。我之前购入的一块M5StickC Plus(ESP32 Pico)可作为网络收音机播放器使用。它内置了WiFi、LCD显示屏、几个按钮以及用于数字音频输出的I²S接口。为了获得足够高的音频质量，我决定使用一个外接的数模转换器——PCM5102A，并配备线路输出端口。
幸运的是，类似项目已经存在，而且有一个非常实用的库——ESP32-audioI2S，它完成了大部分工作。因此，这个项目在合理的时间内得以完成。在项目过程中，我学到了不少关于音频流媒体的知识。
是的，我对最终效果非常满意，每天都在使用!同时，我也扩展了该项目，增加了蓝牙接收模式(第二部分)和基于IFTTT的歌曲列表功能(第三部分)。
主要特点
•收听网络广播电台
•显示电台和歌曲信息
•按压按钮可切换电台
•使用I²S和DAC实现音频播放，最高支持32位
•在换台时静音及轻柔取消静音
•启动时显示设备和网络信息
开发环境
本项目使用Visual Studio Code配合PlatformIO IDE。在项目的platformio.ini文件中，包含了M5StickCPlus库和ESP32-audioI2S库的依赖。
此外，我通过build_flags选项启用调试级别日志消息，并使用monitor_filters选项启用文件日志记录和异常栈跟踪解码。
源代码
注释后的源代码可在本项目的 GitHub 仓库中获取。要构建应用程序，您还需要在 src 文件夹中创建一个名为 WifiCredentials.cpp 的文件，并添加以下内容：
概述
下图展示了M5StickC(Plus)与PCM5102 DAC板(数模转换器)之间所需的连接。需要两根电缆为DAC板提供5V电源，以及三根电缆用于三线I²S数字音频连接。此外，SCK引脚必须连接至GND，可通过在DAC板上焊接桥接完成。
有关DAC板及其焊盘的实用文档可在Stackexchange上找到。PCM5102A集成电路的详细信息请参见其数据手册。
下图简要展示了网络电台处理流程的概览。水平的泳道代表主要组件：应用程序、音频库ESP32-audioI2S，以及ESP32本身及其API(应用编程接口)ESP-IDF。
应用程序会配置GPIO引脚，建立WiFi连接，并调用音频库函数以接入网络电台并处理来自电台的音频流。此外，应用程序还会在LCD屏幕上显示流媒体元数据，并对按键操作作出响应。
音频库根据Icecast协议生成所需的HTTP请求，并处理流媒体服务器的HTTP响应。它解压缩接收到的压缩音频数据帧，将原始音频数据(PCM)提供给ESP32 API，以便通过GPIO引脚生成I2S音频输出。
ESP32 API提供了必要的底层功能，例如创建操作系统任务、网络(TCP/IP栈、WiFi)以及访问ESP32的外设，如I²S、DMA和GPIO。有关I²S驱动程序和DMA缓冲区使用的一些详细信息，请参见我的音频可视化项目。
与流媒体服务器的HTTP通信
主机会以以下HTTP响应来回应该请求，将客户端重定向至其他位置：
当客户端向该新位置发送另一个请求后，会收到包含广播流信息的响应头，随后是实际的音频数据：
根据此响应，音频流包含音频/mpeg(即mp3)数据，每秒比特率192 kB。此外，每16000字节处会插入元数据(例如艺术家和歌曲标题)。在接收到该响应头后，客户端可定期从连接中读取音频数据。下图展示了音频数据通过连接的传输情况。
数字音频数据处理
从接收到的mp3音频数据流中，esp32-audioI2S库会提取出mp3帧。每个mp3帧包含1152个音频采样点。若采样率为44.1 kHz，则对应的时间长度约为26.1毫秒(1152 ÷ 44.1 ms)。每个mp3帧以一个4字节长的MPEG音频帧头开始。该帧头的前11位为同步位，始终设置为1。该头部信息包含多个字段，例如MPEG版本、MPEG层、比特率、采样率、声道模式以及填充标志。解码头部FF FB B2 44(见下图)可获得以下信息：
•MPEG版本1
•第III层
•比特率192 kB/s
•采样率44.1 kHz
•帧中额外增加一个填充槽位
MP3帧的字节数可根据比特率、采样率和填充标志计算得出。当比特率为192 kB/s、采样率为44.1 kHz且包含填充槽位时，帧的总字节数为627字节(包括帧头)，即 floor(144 * 192/44.1) + 1。下图展示了通过HTTP接收的数据包中的一些MP3帧示例。
将此类MP3帧解压缩为PCM音频数据，即原始音频样本，结果为2通道 × 每个样本2字节 × 1152个样本 = 4608字节，这些数据随后传递给I²S驱动程序。I²S驱动程序通过DMA传输将音频样本发送至I²S控制器，而I²S控制器最终在ESP32的GPIO引脚上输出一个(数字)I²S音频信号。
数模转换
连接到M5StickC GPIO引脚的I²S DAC板将数字I²S音频数据转换为模拟信号，该信号随后可经由立体声放大器传输。在我的情况下，使用的是一个稍早一些的2 x 110 W Onkyo功放。
本文编译自hackster.io
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