數字麥克風PDM信號采集與STM32 I2S接口應用（一）

本文轉載自查看原文 2019-08-04 16:49 4887 筆記、嵌入式/ 嵌入式

數字麥克風采用MEMS技術，將聲波信號轉換為數字采樣信號，由單芯片實現采樣量化編碼，一般而言數字麥克風的輸出有PDM麥克風和PCM麥克風，由於PDM麥克風結構、工藝簡單而大量應用，在使用中要注意這二者的區別，尤其是STM32 MCU的文檔在I2S接口章節，對此區別含糊不清，比如采樣率配置，WS管腳的用法，單聲道雙聲道的配置，很多地方無法從文檔中得到准確信息，需要一邊摸索一邊研究文檔。本文就是對這些問題的一個研究筆記。

一、數字麥克風通信方式

數字麥克風管教很簡單，如下面的圖示。

電源和地，時鍾腳CLK，左右聲道選擇L/R，信號管教SD或DOUT。區別是WS管教，這個管教對數據采集和分辨率配置有很大影響。STM32芯片手冊這樣描述對應的這三個管教：

信號時序圖如下：

上面描述了STM32芯片關於I2S的麥克風的數據讀取時序，而麥克風廠家如何處理輸出信號，有自己的方式，這里就是I2S接口應用的第一個需要主要的點。

例子1：INMP441

INMP441是具有WS管腳的數字麥克風，它的時序圖如下，立體聲模式下，WS=0時輸出左聲道，WS=1時輸出右聲道。

單聲道模式下，LR=0時一個WS周期內只有低電平輸出信號，另外一半周期輸出為高組，LR=1時輸出時序相反。

例子2：MP45DT02

MP45DT02是沒有WS管腳的數字麥克風，它的時序圖如下，該器件根據LR電平，分別在CLK的低電平和高電平時間輸出左右聲道信號，實現信號的分時復用。

二、采樣時鍾配置

如果用此類麥克風的單聲道應用，就需要考慮數據采集在WS另外半休眠周期的影響。下面就是此麥克風的一個STM32F407芯片下的配置。

/* I2S2 init function */
void MX_I2S2_Init(void)
{
 hi2s2.Instance = SPI2;
 hi2s2.Init.Mode = I2S_MODE_MASTER_RX;
 hi2s2.Init.Standard = I2S_STANDARD_MSB;
 hi2s2.Init.DataFormat = I2S_DATAFORMAT_16B;
 hi2s2.Init.MCLKOutput = I2S_MCLKOUTPUT_DISABLE;
 hi2s2.Init.AudioFreq = I2S_AUDIOFREQ_16K;
 hi2s2.Init.CPOL = I2S_CPOL_LOW;
 hi2s2.Init.ClockSource = I2S_CLOCK_PLL;
 hi2s2.Init.FullDuplexMode = I2S_FULLDUPLEXMODE_DISABLE;
 if (HAL_I2S_Init(&hi2s2) != HAL_OK)
 {
   Error_Handler();
 }
}

該模式下，麥克風的輸出信號圖如下。由於LR=0，所以在WS低電平半周期輸出信號，高電平半周期內無數據。可以發現CLK時鍾為512khz，我們配置的是16bit數據模式，16khz采樣，為什么CLK輸出為512khz呢？原因是左右聲道各自占用半個周期，當WS信號為16khz時，時鍾頻率是16bit*16khz*2=512khz，實際上單麥克風系統中有效采樣時間只有一半，相當於一個采集周期內采集一半休息一半，其聲音特性被這樣采一半截取一半會有什么變化呢，需要試驗驗證。

上面的問題是由WS管腳引起的，若選用無WS管腳的其他信號，比如MP34DT04，則是另一種時序，芯片手冊時序圖如下。

如果LR管腳接地，則在CLK的低電平半周期輸出信號，如果LR接VCC，則在CLK的高電平半周期輸出信號，在一個數據線上實現雙聲道采集。

這種麥克風對於單聲道應用，會在CLK一半時間內輸出信號，另一半高組。在立體聲應用中，使用一根數據線傳輸左右聲道，分時復用傳輸信號。

麥克風芯片要求的時鍾頻率范圍一般是1—3Mhz，把上面代碼的采樣率設置為32Khz，則采集信號如下圖。CLK時鍾頻率為1Mhz，為什么會出現這種情況呢？

麥克風輸出PDM信號，PDM調制器將緩沖模擬信號轉換為串行脈沖密度調制信號。時鍾輸入（ CLK）用於控制PDM調制器。常見的數字麥克風的時鍾頻率范圍在1 MHz至3.25 MHz之間。該頻率將定義生成離散時間表示（ PDM比特流）的放大器模擬輸出信號采樣頻率。同樣的分析方法，ST芯片是按照雙聲道WS區分左右聲道配置的芯片，那么WS低電平是左聲道，高電平是右聲道，因此軟件配置一個16it采樣的信號，一個周期需要2*16bit=32個時鍾脈沖，而配置的采樣率為32khz，這就使得CLK輸出達到了32bit*32khz=1024khz，所以下面測量到clk為1.024Mhz。WS信號的頻率為32Khz，就是采樣率信號的頻率。這里是數字麥克風計算PDM采樣率的另一個易錯點，上面的計算方法是對於有SW管腳的麥克風傳感器而言的，對於沒有SW管腳的麥克風芯片，則實際PDM采樣率為STM32 MCU配置的分辨率的二倍。