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数字麦克风PDM信号采集与STM32 I2S接口应用

作者:互联网

      数字麦克风采用MEMS技术,将声波信号转换为数字采样信号,由单芯片实现采样量化编码,一般而言数字麦克风的输出有PDM麦克风和PCM麦克风,由于PDM麦克风结构、工艺简单而大量应用,在使用中要注意这二者的区别,尤其是STM32 MCU的文档在I2S接口章节,对此区别含糊不清,比如采样率配置,WS管教的用法,单声道双声道的配置,很多地方无法从文档中得到准确信息,需要一边摸索一边研究文档。本文就是对这些问题的一个研究笔记。

一、数字麦克风通信方式

数字麦克风管教很简单,如下面的图示。

    

     电源和地,时钟脚CLK,左右声道选择L/R,信号管教SD或DOUT。区别是WS管教,这个管教对数据采集和分辨率配置有很大影响。STM32芯片手册这样描述对应的这三个管教:

 

信号时序图如下:

 

   上面描述了对于STM32芯片对于I2S的麦克风的数据读取方法,而麦克风厂家如何处理输出信号,有自己的方式,这里就是I2S接口应用的第一个需要主要的点。

INMP441时序图,立体声模式下,WS=0时输出左声道,WS=1时输出右声道。

单声道模式下,LR=0时一个WS周期内只有低电平输出信号,另外一半周期输出为高组,LR=1时输出时序相反。

 

二、采样时钟配置

   如果用此类麦克风的单声道应用,就需要考虑数据采集在WS另外半休眠周期的影响。下面就是此麦克风的一个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();
 }
}

     该模式下,麦克风的输出信号图如下。由于LR=0,所以在WS低电平半周期输出信号,高电平半周期内无数据。可以发现CLK时钟为512khz,我们配置的是16bit数据模式,16khz采样,为什么CLK输出为512khz呢?原因是左右声道各自占用半个周期,当WS信号为16khz时,时钟频率是16bit*16khz*2=512khz,实际上单麦克风系统中有效采样时间只有一半,相当于一个采集周期内采集一半休息一半。

 

    上面的问题是由WS管教引起的,若选用无WS管教的其他信号,比如MP34DT04,则是另一种时序,芯片手册时序图如下。

    如果LR管教接地,则在CLK的低电平半周期输出信号,如果LR接VCC,则在CLK的高电平半周期输出信号,在一个数据线上实现双声道采集。

 

这种麦克风对于单声道应用,会在CLK一半时间内输出信号,另一半高组。在立体声应用中,使用一根数据线传输左右声道,分时复用传输信号。

 

    麦克风芯片要求的时钟频率范围一般是1—3Mhz,把上面代码的采样率设置为32Khz,则采集信号如下图。CLK时钟频率为1Mhz,为什么会出现这种情况呢?

 

     麦克风输出PDM信号,PDM调制器将缓冲模拟信号转换为串行脉冲密度调制信号。时钟输入( CLK)用于控制PDM调制器。常见的数字麦克风的时钟频率范围在1 MHz至3.25 MHz之间。该频率将定义生成离散时间表示( PDM比特流)的放大器模拟输出信号采样频率。同样的分析方法,ST芯片是按照双声道WS区分左右声道配置的芯片,那么WS低电平是左声道,高电平是右声道,因此软件配置一个16it采样的信号,一个周期需要2*16bit=32个时钟脉冲,而配置的采样率为32khz,这就使得CLK输出达到了32bit*32khz=1024khz,所以下面测量到clk为1.024Mhz。WS信号的频率为32Khz,就是采样率信号的频率。

 

 

参考文档:

1、如何将PDM数字麦克风连接到STM32单片机

AN5027 使用STM32 32位Arm® Cortex® MCU连接PDM数字麦克风

 

标签:麦克风,hi2s2,I2S,Init,STM32,PDM,WS,信号
来源: https://www.cnblogs.com/pingwen/p/11298675.html