在这篇文章中，我将在 Raspberry Pi 4B 上使用 INMP441 麦克风模块，通过 I²S 接口实现音频录制。

一、硬件接线

INMP441 是一款 I²S 数字麦克风，使用 3.3V 供电
下面是与 树莓派 GPIO 的连接方式：

树莓派引脚 INMP441 引脚 说明
3V3 VDD 电源
GND GND 地线
GPIO18（物理脚 12） SCK I²S 时钟（BCLK）
GPIO19（物理脚 35） LRCL / WS 左右声道时钟（LRCLK）
GPIO20（物理脚 38） SD 麦克风输出数据（接 Pi 的 DIN）

⚙️ L/R（SEL）引脚说明：

  • 接 GND = 左声道
  • 接 3V3 = 右声道
  • 若使用两只麦克风，可分别接左、右实现立体声。

单声道接线示意图如下：
单声道接线示意图
立体声左右声道接线示意图如下：
立体声接线示意图

二、I²S 协议简介与信号解析

在深入树莓派配置前，我们先了解一下 I²S（Inter-IC Sound） 协议的基本原理。
I²S 是一种专门用于 数字音频数据传输 的串行总线标准，由 Philips（现 NXP）提出，广泛应用于音频编解码器、数字麦克风与音频 DSP 之间的通信。

1. I²S 的三条主要信号线

信号线 名称 作用
BCLK（Bit Clock） 位时钟 每传输 1 位音频数据时产生 1 个脉冲。它定义了数据位传输节奏。
LRCLK（Word Select / WS） 左右声道选择 用于区分当前传输的是左声道（低电平）还是右声道（高电平）数据。
SD（Serial Data） 串行数据线 传输实际的音频采样值（例如 24 位或 32 位）。

通常，主设备（例如 Raspberry Pi）提供 BCLK 和 LRCLK，
从设备（如 INMP441 麦克风）在 SD 线上发送数据。

2. 数据格式与时序

在标准 I²S 模式下：

  • 当 LRCLK 为低电平 时，传输左声道；
  • 当 LRCLK 为高电平 时，传输右声道；
  • 每个声道的数据在 LRCLK 翻转后一个 BCLK 周期开始；
  • 高位（MSB）先出，常见格式为 32-bit 左对齐。

时序图大致如下：

1
2
3
LRCLK:  _------______------______
BCLK :  _-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_
SD   :   L15...L0   R15...R0

这样可以保证接收端在 LRCLK 变化后有稳定的时间读取正确的数据起始位。

三、启用 I²S 驱动（Device Tree Overlay）

Raspberry Pi 的音频系统通过设备树（Device Tree）加载 I²S 声卡驱动。
编辑配置文件并添加以下内容：

对应路径：

  • Bullseye 及更早版本：/boot/config.txt
  • Bookworm 及以后版本：/boot/firmware/config.txt

在文件末尾添加一行：

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dtoverlay=googlevoicehat-soundcard

保存后重启：

1
sudo reboot

这会启用一个虚拟的 I²S 声卡（常见名为 snd_rpi_i2s_card），可被 arecord、pyaudio 等工具识别使用。

四、使用 arecord 测试录音

系统重启后，使用以下命令查看声卡列表：

1
arecord -l

示例输出：

1
card 1: sndrpii2scard [snd_rpi_i2s_card], device 0: ...

假设卡号为 1，则可开始录音。

单声道录音（1 只麦）：

1
arecord -D plughw:1 -c1 -r 48000 -f S32_LE -t wav -V mono -v mic.wav

立体声录音（2 只麦）：

1
arecord -D plughw:1 -c2 -r 48000 -f S32_LE -t wav -V stereo -v mic_stereo.wav

参数详解：

参数 含义
-D plughw:1 指定设备（card 1）
-c1 / -c2 声道数（单声道/立体声）
-r 48000 采样率（48 kHz）
-f S32_LE 采样格式：32 位小端序
-t wav 输出格式
-V mono/stereo 录音电平显示
-v 输出详细信息

录音结束后，可通过以下命令播放：

1
aplay mic.wav

五、常见问题与排错技巧

1. 录不到声音 / 声卡未出现

  • 检查 overlay 配置是否写入正确路径（Bookworm 为 /boot/firmware/config.txt）
  • 确认重启后执行了 arecord -l 能看到 I²S 声卡
  • dmesg有相关加载输出
  • 引脚是否按照 I²S 接口定义正确连接

2. 音量太小

INMP441 没有硬件增益，可以使用软件方式（如 .asoundrc + alsamixer 的 softvol 插件）提高录音音量。

3. 格式错误

部分版本 arecord 默认格式为 16 位，可手动指定为 S32_LE（32 位小端）匹配驱动。

六、Python扩展

如果希望在 Python 中使用，可以通过 pyaudio 或 sounddevice 库读取相同声卡：

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import sounddevice as sd
import numpy as np

fs = 48000
seconds = 5
print("Recording...")
recording = sd.rec(int(seconds * fs), samplerate=fs, channels=2, dtype='int32')
sd.wait()
print("Done. Saving to file.")
np.save("inmp441_audio.npy", recording)

七、参考资料