Цифровые MEMS-микрофоны (MEMS аббревиатура от MicroElectroMechanical Systems) применяются во всех аудио-приложениях, где ключевые требования - малый размер, высокое качество звука, надежность и доступность. Благодаря малым размерам и низкой чувствительности к помехам можно реализовать несколько микрофонов в одном устройстве что упрощает интеграцию в портативных устройствах качественных систем захвата и записи звука. 32-битные STM32 Arm® Cortex® MCU и STM32 Arm® Cortex® MPU предоставляют широкие возможности для подключения MEMS-микрофонов.

В этом документе (перевод даташита AN5027 [1]) описываются способы подключения MEMS-микрофонов с кодированием выходного потока данных по методу плотности импульса (pulse-density modulated, PDM), в конфигурациях моно и стерео, к STM32 MCU и MPU через интерфейсы SPI/I2S, SAI и DFSDM. Предоставляются руководства и примеры, основанные на STM32CubeMX, показывающие правильное конфигурирование STM32 для захвата и обработки сырых данных с микрофонов, чтобы преобразовать эти данные в стандартные данные звука.

[MEMS-микрофоны c PDM-кодированием выходных данных]

Цифровой MEMS-микрофон это сенсор, преобразующий акустическое давление звуковых волн в цифровой сигнал. STM32 захватывают цифровые данные из этого микрофона (или микрофонов) через определенные периферийные интерфейсы, и преобразуют полученные данные в стандартный звуковой формат. После этого данные звука обрабатываются микроконтроллером STM32 в соответствии с алгоритмом целевого приложения.

Рис. 1. Пример захвата звука в аудио-приложении.

Цифровой микрофон состоит из следующих основных узлов: MEMS-преобразователь, усилитель и PDM-модулятор.

Рис 2. Блок-схема типового цифрового PDM MEMS-микрофона.

MEMS-преобразователь. Это переменная емкость, преобразующая изменение давления воздуха, вызванные звуковой волной, в напряжение.

Усилитель. Этот узел буферизирует напряжение, поступающее от MEMS-преобразователя, и создает достаточно мощный сигнал для работы PDM-модулятора.

PDM-модулятор. Модулятор преобразует аналоговый сигнал в последовательность импульсов с модулированием плотности. Для управления модулятором используется тактовый вход (CLK). Тактовая частота, используемая для цифровых микрофонов ST, лежит в диапазоне от 1 МГц до 3.25 МГц. Эта частота определяет частоту дискретизации (sampling rate), на которой выходной сигнал усилителя оцифровывается для получения дискретного по времени цифрового сигнала (битовый поток PDM).

Выбор канала. Выход микрофона управляется соответствующим уровнем выбранного перепада сигнала тактов, и затем переходит в состояние высокого сопротивления в течение половины периода тактов. Выбор канала определяет перепад тактового сигнала, на котором цифровой микрофон выводит свои данные. Вывод LR микрофона должен быть подключен к Vdd или к GND.

Таблица 1. Выбор шаблона для выходного сигнала DOUT.

Питание. На выводы Vdd и GND подается напряжение питания, используемое для работы различных компонент цифрового микрофона. Напряжение питания должно быть хорошо отфильтровано, потому что помехи по питанию могут генерировать лишний шум на выходе микрофона.

Таблица 2. Выводы микрофона.

[Базовые схемы подключения]

Моно. В этом режиме вывод LR микрофона может быть подключен либо к Vdd, либо к GND. Когда LR подключен к Vdd, генерируются данные правого канала.

Рис. 3. Конфигурация моно, получение данных правого канала.

На фронте нарастания сигнала тактов микрофон генерирует достоверные данные в течение половины периода тактов, затем переходит в состояние высокого сопротивления в течение другой половины периода тактов.

Рис. 4. Диаграммы сигналов правого канала.

Когда LR подключен к GND, генерируются данные левого канала.

Рис. 5. Конфигурация моно, получение данных левого канала.

На на спаде уровня сигнала тактов микрофон генерирует достоверные данные в течение половины периода тактов, затем переходит в состояние высокого сопротивления в течение другой половины периода тактов.

Рис. 6. Диаграммы сигналов левого канала.

Конфигурация стерео. Два разных цифровых MEMS-микрофона подключены к одному и тому же сигналу данных, при этом первый микрофон сконфигурирован на генерацию сигнала по фронту тактов (LR подключен к Vdd), и второй по спаду тактов (LR подключен к GND).

Рис. 7. Конфигурация стерео, использующая общий сигнал данных.

Рис. 8. Диаграммы сигналов конфигурации стерео.

[Сигналы PDM и PCM]

PDM. Как уже упоминалось, аббревиатура PDM означает Pulse Density Modulation, т. е. модуляция изменением плотности импульсов. PDM используется для представления аналогового сигнала в цифровой домен, представляя собой высокочастотный однобитный поток цифровых импульсов. В сигнале PDM относительная плотность импульсов соответствует амплитуде аналогового сигнала. Большой кластер логических единичек соответствует высокой (положительной) величине амплитуды, в то время как большой кластер логических нулей соответствует низкой (отрицательной) величине амплитуды, и смена лог. 1 и лог. 0 одинаковой длительности соответствует нулевому значению амплитуды.

Рис. 9. Сигнал PDM.

Сигнал PDM легко преобразуется в аналоговую форму путем пропускания потока PDM через фильтр низких частот (ФНЧ).

PCM. Аббревиатура PCM означает Pulse Code Modulation, т. е. модуляция импульсного кодирования. Это стандартная форма представления аналогового сигнала в цифровом виде (в частности, несжатые WAV-файлы кодируют свои данные в формате PCM). В сигнале PCM определенные значения амплитуды кодируются в цифровые импульсы. У потока PCM есть 2 базовых свойства, которые определяют точность соотвествия потока оригинальному аналоговому сигналу:

• Частота дискретизации (sampling rate).
• Разрядность выборок (bit depth).

Частота дискретизации определяет, сколько выборок в секунду цифрового сигнала представляют аналоговый сигнал в цифровую форму. Разрядность выборок определяет, сколькими битами кодируется информация о сигнале в каждой выборке.

Рис. 10. Сигнал PCM.

Преобразование PDM в PCM. Чтобы преобразоваnm поток PDM в выборки данных PCM, поток PDM нужно отфильтровать и подвергнуть децимации.

На стадии децимации частота дискретизации сигнала PDM снижается до необходимой частоты дискретизации звука (например, 16 кГц). Децимация осуществляется взятием одной выборки из M выборок, при этом частота дискретизации понижается в M раз. Таким образом, частота данных PDM (которая равна частоте тактов микрофона) понижается в M раз, чтобы частота выборок звука соответствовала нужной частоте выборок в приложении, и коэффициент M называется коэффициентом децимации.

Частота PDM = Частота выборок звука x Коэффициент децимации

Коэффициент децимации обычно выбирается в диапазоне от 48 до 128. Стадии децимации предшествует ФНЧ, чтобы избежать искажений формы сигнала из-за наложений спектра (алиасинг).

[Акустические параметры]

Чувствительность. Этот параметр соответствует уровню электрического сигнала (выраженному dBFS) на выходе цифрового микрофона для определенного эталонного акустического сигнала. Обычно чувствительность микрофона приводится для тонального сигнала звука 1 кГц в качестве эталонного сигнала, при 1 Pa (или 94 dBSPL).

SNR. Аббревиатура SNR расшифровывается Signal-to-Noise Ratio, т. е. соотношение уровня сигнала к уровню шума. SNR определяет соотношение между эталонным сигналом (94 dBSPL@1kHz) и величиной остаточного шума на выходе микрофона. Более высокое значение SNR обеспечивает улучшенную четкость речи, а также разборчивость звука на дальнем конце.

AOP. Аббревиатура AOP обозначает Acoustic Pverload Point (точка перегрузки по звуку). Этот параметр определяет максимальный звуковой сигнал, который микрофон может передать с допустимым уровнем искажений (некоторые спецификации определяют этот уровень искажений 10% с точки зрения искажений в точке перегрузки).

PSRR. Аббревиатура PSRR расшифровывается как Power Supply Rejection Ratio, т. е. коэффициент подавления помех по питанию. Параметр PSRR количественно определяет способность микрофона устранять шум, поступающий от изменений уровня напряжения источника питания.

Таблица 3. Преимущества цифрового микрофона в контексте улучшения акустических параметров.

Таблица 4. Цифровые микрофоны ST, имеющиеся на рынке.

На AliExpress также доступны микрофоны INMP441 компании InvenSense:

[Подключение потока PDM к STM32]

В этой секции описывается, как подключить цифровые MEMS-микрофоны к периферийным интерфейсам SPI/I2S, SAI и DFSDM микроконтроллера STM32, в конфигурациях моно и стерео.

SPI/I2S. Аббревиатура SPI обозначает Serial Peripheral Interface, а аббревиатура I2S означает Inter-IC Sound (описание периферии SPI и I2S см. в статьях [2, 3]). Микроконтроллеры STM32 в снабжены несколькими интерфейсами SPI. Некоторые из этих SPI также поддерживают возможность работы по протоколу I2S. Дополнительно STM32 представляют 2 версии SPI. В этом описании старые версии называются SPI-V1, и последние версии называются SPI-V2. Когда в тексте просто упоминается блок SPI, то это одинаково относится как SPI-V1, так и к SPI-V2. Версия SPI-V2 в настоящий момент доступна в серии STM32H7 микроконтроллеров STM32.

К блоку SPI можно подключить один или два цифровых микрофона, работая с ними либо по протоколу SPI, либо по протоколу I2S.

• Протокол SPI предоставляет простой способ обмена, позволяя обмениваться данными с внешними устройствами.
• Протокол I2S широко используется для передачи звуковых данных от микроконтроллера/DSP (Digital Signal Processor, устройство цифровой обработки сигнала) в аудиокодеки, чтобы проигрывать музыку или захватывать звук с микрофона.

Моно. К блоку SPI подключен цифровой микрофон. SPI может быть сконфигурирован в режиме SPI или в режиме I2S. В обоих случаях блок SPI конфигурируется в режиме master receiver (главное устройство шины, принимающее данные). В этом режиме блок SPI генерирует тактовый сигнал для цифрового микрофона. Выборки звука принимаются через сигнал данных SPI (MISO).

Рис. 11. Подключение цифрового микрофона по протоколу SPI или I2S в конфигурации моно.

Если используется протокол SPI, то вывод выбора левого/правого канала (L/R, сигнал LR) может быть подключен либо к Vdd, либо к GND. Полярность тактов SPI должна соответствовать конфигурации входа L/R.

• Если L/R = GND, то SPI должен захватывать приходящие данные, используя фронт нарастания уровня SPIx_SCK.
• Если L/R = Vdd, то SPI должен захватывать приходящие данные, используя спад уровня SPIx_SCK.

Если используется протокол I2S, то рекомендуется подключить выбор канала L/R (LR) микрофона к GND. По умолчанию протокол I2S захватывает приходящие данные по фронту I2Sx_CK. Обратите внимание, что блок SPI-V2 также предоставляет возможность конфигурирования перепада захвата для протокола I2S.

Формат данных. Выборки, захватываемые блоком SPI в режиме I2S или SPI, могут быть сохранены в память, используя DMA или сигнализацию прерываний. Регистр приема данных (SPIx_DR) предоставляет часть непрерывного потока бит от микрофона, как показано ниже для 16-битного формата:

M1_b_xx представляет биты данных от цифрового микрофона 1, где M1_b_N это самый старый бит.

Примечание: порядок следования бит принятых выборок может быть поменян на обратный, если интерфейс запрограммирован на получение первым младшего бита (LSB first) вместо получения первым старшего бита (MSB first). Обычно периферийные устройства поддерживают различные размеры данных, здесь это подробно не рассматривается.

Стерео. С помощью таймера можно подключить 2 цифровых микрофона к блоку SPI. Блок SPI может быть сконфигурирован в режиме SPI или I2S. В обоих случаях блок SPI конфигурируется в режиме master receiver. В этой конфигурации SPI работает на двойной частоте микрофона, чтобы прочитать данные от обоих микрофонов. Это позволяет двум микрофонам использовать общий сигнал данных.

Блок SPI предоставляет такты для встроенного таймера, который делит на 2 частоту тактов последовательного интерфейса (SPIx_SCK или I2Sx_CK). Поделенная частота поступает на цифровые микрофоны. Выборки звука захватываются периферийным устройством I2S через соединенные параллельно выходы данных цифровых микрофонов.

Рис. 12. Подключение двух цифровых микрофонов к блоку SPI в конфигурации стерео.

Примечание: в скобках указано имя сигнала, когда используется протокол I2S.

Использование таймера в качестве генератора тактов. Когда таймер используется для генерации тактов для двух цифровых микрофонов, следует учитывать два момента:

• Приложение должно гарантировать, что задержка, вводимая делением тактов с помощью таймера, все еще попадает в предел времени установки (setup time, T_S) выборок, поступающих от микрофонов. Для этого таймер должен использовать максимально возможную высокую тактовую частоту. Максимальная задержка (T_D), которую вводит таймер между входными (TIMxCHIN) и выходными (TIMxCHOUT) тактами составляет 5 тактов опорной частоты таймера. Таймеры обычно используют тактовую частоту APB или умноженную частоту APB в качестве своей опорной частоты (см. рис. 13).
• Приложение должно гарантировать, что периферийные устройства, обеспечивающие такты на входе TIMxCHIN, и таймер, используемый для деления, работают от одной и той же опорной частоты тактов. Если не соблюдать это правило, то цифровой микрофон будет получать время от времени такты то с увеличенным, то с уменьшенным периодом. Этот джиттер тактов может снизить качество аналого-цифрового преобразования микрофона.

Рис. 13. Диаграммы времени сигналов режима стерео.

Примечание: Timer Delay (T_D) задержка таймера, Setup time (T_S) время установки данных, Hold time (T_H) время удержания данных.

Формат данных. Выборки, полученные блоком SPI в режиме I2S или SPI, могут быть сохранены в памяти либо с помощью DMA, либо с помощью сигнализации прерываний. В этой конфигурации данные, прочитанные с микрофонов, представляют чередующиеся биты левого и правого каналов. Данные, сохраненные в регистр SPIx_DR в виде чередующегося потока показаны ниже в примере для формата 16 бит:

M1_b_xx представляют биты данных цифрового микрофона 1, и M1_b_N показывает самый старый бит. M2_b_xx представляют биты данных цифрового микрофона 2, и M2_b_N показывает самый старый бит.

Блоки SPI-V1 и SPI-V2 предоставляют несколько форматов данных. Например, можно изменить порядок следования поступающих бит, в зависимости от того, как запрограммирован интерфейс - можно запрограммировать, чтобы младший бит поступал первым (LSB first) вместо того, чтобы старший бит поступал первым (MSB first). Однако важно отметить, что в любом случае биты от микрофона 1 (M1) и биты от микрофона 2 (M2) всегда чередуются. Необходим программный модуль, который разбирает это чередование, генерируя отдельный сигнал для каждого из микрофонов, что нужно для последующего преобразования из PDM в PCM.

[Интерфейс SAI]

Интерфейс SAI (расшифровывается как Serial Audio Interface), встроенный в STM32, предоставляет микроконтроллеру возможность обмениваться данными с внешними звуковыми устройствами, такими как усилители, микрофоны, динамики или аудиопроцессоры. SAI состоит из двух независимых субблоков, которые могут работать синхронно или не синхронно. Каждый субблок предоставляет свой собственный генератор тактов звука. Некоторые SAI также предоставляют выделенный интерфейс PDM, который может поддерживать до 8 цифровых микрофонов.

Использование одного субблока в конфигурации моно. Цифровой микрофон подключен к одному из субблоков периферии SAI в конфигурации моно. Субблок SAI сконфигурирован в режиме в режиме master receive. В этой конфигурации субблок SAI предоставляет такты для цифрового микрофона. Выборки звука, захваченные субблоком SAI с выхода цифрового микрофона (DOUT) через вывод последовательных данных (Serial Data, SD).

Рис. 14. Подключение цифрового микрофона через SAI в конфигурации моно.

Примечание (1): x обозначает субблок A или B.

Ножка выбор L/R канала (LR) микрофона может быть подключена либо к Vdd, либо к GND. Микрофон выводит данные по фронту или спаду поступающих тактов в зависимости от выбранного канала. Перепад выборки тактов SAI должен быть сконфигурирован соответствующим образом.

Примечание: другой субблок SAI полностью независим, и может использоваться для другой цели. Например, его можно подключить в внешнему аудиокодеку.

Формат данных. Выборки, захваченные субблоком SAI, могут быть сохранены в памяти с использованием либо DMA, либо сигнализации прерываний. Регистр прима данных (SAI_ADR, SAI_BDR) предоставляет часть непрерывного потока бит от микрофона, наподобие показанного ниже:

M1_b_xx представляет биты данных от цифрового микрофона 1, и M1_b_N представляет позицию самого старого бита в регистрах SAI_ADR и SAI_BDR. Например, если биты DS[2:0] установлены в 010 (8 бит), то k равно 7.

Разрядность данных, сохраненных в регистры SAI_ADR/SAI_BDR, зависит от размера данных (DS[2:0]), в дополнение к битам SLOTSZ[1:0], которые должны быть установлены в 0.

Обратите внимание, что порядок бит принимаемых выборок может быть поменян на обратный, если запрограммировать в интерфейсе получение первыми младших бит (LSB first) вместо получения первыми старших бит (MSB first).

Примечание: данные в регистрах SAI_ADR/SAI_BDR всегда выровнены вправо.

Конфигурация стерео. Два цифровых микрофона могут быть подключены к одному из субблоков SAI с помощью внутреннего таймера. Субблок SAI также конфигурируется в режиме master receiver. В этой конфигурации субблок SAI работает на двойной частоте тактов микрофона, чтобы прочитать данные от обоих микрофонов, по одному и тому же перепаду их тактов. Это позволяет совместно использовать один сигнал данных для двух микрофонов (см. рис. 15).

Субблок SAI предоставляет такты (SAI_SCK_x) для встроенного таймера, который делит частоту на 2. Поделенная частота тактов поступает на цифровые микрофоны.

Примечание: другой субблок SAI полностью независим, и может использоваться для другой цели. Например, его можно подключить в внешнему аудиокодеку.

Диаграмма времени, показанная на рис. 13, также соответствует этому случаю подключения. Также см. выше секцию "Использование таймера в качестве генератора тактов" для рекомендаций по использованию таймера.

Рис. 15. Подключение двух цифровых микрофонов к SAI в конфигурации стерео при использовании одного субблока SAI и таймера.

Примечание (1): x обозначает субблок A или B.

Формат данных. Выборки, захваченные субблоком SAI, могут быть сохранены в память с использованием либо DMA, либо сигнализации прерываний. В этой конфигурации биты данных, прочитанные из микрофонов, чередуются друг за другом - бит одного микрофона, бит другого, и так далее. Данные в регистре SAI_ADR/SAI_BDR, как показано в примере ниже:

M1_b_xx представляют биты данных от микрофона 1, и M1_b_N представляет самый старый бит. M2_b_xx представляют биты данных от микрофона 2, и M2_b_N представляет самый старый бит. Символ k обозначает позицию бита в регистре SAI_ADR/SAI_BDR, например если DS[2:0] установлены в 100 (16 бит), то k равно 15. Размер данных, сохраненных в регистры SAI_ADR/SAI_BDR, зависит от программирования размера данных (DS[2:0]), дополнительно биты SLOTSZ[1:0] должны быть установлены в 0.

Примечание: порядок следования бит принятых выборок может быть поменян на обратный, если интерфейс запрограммирован на получение первым младшего бита (LSB first) вместо получения первым старшего бита (MSB first). Однако следует отметить что в любом случае поступающие биты от микрофонов сохраняются с чередованием. Данные в регистрах SAI_ADR/SAI_BDR всегда выровнены вправо. Необходим программный модуль, который разбирает это чередование, генерируя отдельный сигнал для каждого из микрофонов, что нужно для последующего преобразования из PDM в PCM.

Использование двух синхронных субблока SAI. К периферии SAI могут быть подключены два цифровых микрофона с использованием встроенного таймера и синхронно работающих двух субблоков SAI. Каждый микрофон подключен к отдельному субблоку SAI. Один из субблоков SAI сконфигурирован в режиме master receive, в то время как другой субблок сконфигурирован в синхронном режиме slave receive. В этой конфигурации субблок, сконфигурированный в режиме master, предоставляет тактовую частоту как для цифровых микрофонов, так и для другого субблока SAI. Два субблока SAI синхронно считывают даных от микрофонов.

Рис. 16. Подключение двух цифровых микрофонов к SAI в конфигурации стерео, когда задействовано два синхронных субблока SAI.

Поскольку два микрофона не используют общую линию данных, ножка выбора канала L/R (LR) микрофона может быть подключена либо к Vdd, либо к GND. Выходные данные микрофонов захватываются либо по фронту, либо по спаду тактов, в зависимости от выбранного канала. Полярность тактов каждого субблока SAI должна быть сконфигурирована соответствующим образом.

Формат данных. Выборки, захваченные каждым субблоком SAI, могут быть сохранены в память либо с использованием DMA, либо по сигнализации прерываний. В этом случае запрашивается использование до 2 каналов DMA. Для каждого из субблоков используется такой же формат данных, который был описан в моно-конфигурации SAI.

Использование интерфейса PDM. Интерфейс PDM предоставляется для поддержки цифровых микрофонов. До 4 пар цифровых микрофонов можно подключить параллельно. Интерфейс PDM также предоставляет линии задержки, чтобы выполнить микрозадержки в каждом поступающем битовом потоке, что упрощает приложению формирование луча. Глубина каждой ячейки задержки составляет 8 выборок цифрового потока.

Функция PDM предназначена для использования совместно с субблоком SAI_A, сконфигурированном в master-режиме Time Division Multiplexing (TDM). Это не может использоваться с субблоком SAI_B.

Для уменьшения расхода памяти пользователь может выбрать количество микрофонов, которое требуется приложению. Можно выбрать 2, 4, 6 или 8 микрофона.

Например, если приложение использует 3 микрофона, то пользователь должен выбрать 4. В этом случае данные PDM захватывают через SAI_D1 и SAI_D2. SAI_D1 принимает данные от первой пары микрофонов, в то время как SAI_D2 принимает данные от третьего микрофона.

Таблица 5 показывает рекомендуемое количество линий IO в зависимости от количества подключенных цифровых микрофонов.

Таблица 5. Количество линий IO в зависимости от количества подключенных цифровых микрофонах.

Микрофоны могут тактироваться от одного и того же тактового сигнала SAI_CKx (x=0...3) или отдельно от разных SAI_CK, давая пользователю гибкость в разрешении или запрете получения аудио от отдельных микрофонов, в зависимости от приложения.

SAI работает на выбранном количестве микрофонов (2, 4, 6 или 8), кратном частоте микрофона, чтобы иметь возможность считывания данных со всех микрофонов в приложении.

Рис. 17. Возможности интерфейса PDM по подключению до 4 пар микрофонов.

Интерфейс PDM интерфейса SAI предоставляет оптимальное подключение к цифровому микрофону, с максимальной экономией линий IO, насколько это возможно. Дополнительно интерфейс PDM может побайтно разделить данные каждого микрофона, избавляя от операции удаления чередования бит.

Формат данных. Выборки, захватываемые субблоком SAI_A, могут быть сохранены в память с помощью одного канала DMA или по сигнализации прерываний. Регистр принимаемых данных (SAI_ADR) предоставляет 8 следующих друг за другом бит, как показано ниже:

Рис. 18. Формат данных при использовании интерфейса SAI PDM с размером слота 32 бита и 8 микрофонами.

Размер данных, сохраненных в SAI_ADR, зависит от программирования нескольких параметров SAI, см. руководство пользователя SAI для получения дополнительной информации о формате данных, когда используется интерфейс PDM.

Обратите внимание, что если размер слота установлен на 8 бит, то SAI_ADR содержит только байт данных от одного микрофона. SAI_ADR должен быть прочитан 8 раз для получения одного бата от 8 микрофонов.

Рис. 19. Формат данных при использовании интерфейса SAI PDM с размером слота 8 бит и 8 микрофонами.

[Интерфейс DFSDM]

DFSDM расшифровывается как Digital Filter for Sigma Delta Modulators, цифровой фильтр для сигма-дельта модуляторов, это цифровое периферийное устройство в STM32. Оно работает как стандартный ADC с масштабируемым скоростью/разрешением и внешним аналоговым фронт-эндом.

Цифровые MEMS-микрофоны предоставляют выходные данные в формате PDM, которые могут быть напрямую направлены в DFSDM. DFSDM предоставляет отфильтрованные и прошедшие децимацию выборки. Каждый фильтр имеет свой собственный канал DMA, вследствие чего выборки каждого канала разделяются. Это позволяет приложению избежать тяжелой нагрузки операций фильтрации и удаления чередования бит. И наконец некоторые блоки DFSDM предоставляют линии задержки, чтобы выполнить микрозадержки в каждом приходящем битовом потоке, что упрощает приложению формирование луча. Глубина каждой линии задержки равна как минимум коэффициенту децимации.

Можно подключить несколько цифровых микрофонов к одному DFSDM. Это зависит от количества интегрированных фильтров и количества интерфейсов.

DFSDM предоставляет тактовый выходной сигнал (DFSDM_CKOUT) для управления цифровыми микрофонами. У тактового выхода есть настраиваемый коэффициент деления. DFSDM_CKOUT может быть выведен на различные IO, давая пользователю гибкость при разрешении или запрете захвата звука от различных микрофонов, в зависимости от приложения. Конфигурация показана на рис. 20, DFSDM интерфейс с 4 цифровыми микрофонами, что обычно использует в приложениях с низким потреблением энергии: цифровой микрофон M1 может работать, в то время как другие переключаются в режим пониженного потребления энергии, поскольку они не тактируются. Чтобы сохранить больше энергии, также можно выключить M3 и M4.

Когда нужно активировать все микрофоны, одна и та же тактовая частота подается на все микрофоны через два разных вывода (PAD).

Рис. 20. Возможность DFSDM для подключения до 4 цифровых микрофонов.

Конфигурация стерео. Два цифровых микрофона подключаются к DFSDM в конфигурации стерео. DFSDM должен активизировать два соседних канала, управляемых внутренним тактовым сигналом. Периферийное устройство DFSDM предоставляет внешний тактовый сигнал (DFSDM_CKOUT) для подачи на цифровые микрофоны. В этой конфигурации DFSDM программируется так, чтобы позволить каналам x и x-1 принимать данные от вывода DFSDM_DATINx. Каждый канал читает данные на разных перепадах тактов, позволяя двум микрофонам использовать одну линию данных. Затем каждый канал перенаправляет захваченные данные на различные фильтры DFSDM для обработки.

Рис. 21. Конфигурация стерео.

Примечания:

1. x может быть от 1 до n, где n это количество каналов в DFSDM.
2. y может быть от 1 до m, где m это количество фильтров в DFSDM.

Формат данных. Данные, захваченные каждым цифровым фильтром, могут быть сохранены в память с использованием выделенного канала DMA или с использованием сигнализации прерываний. Здесь нет чередования, каждый фильтр предоставляет преобразованные выборки одного микрофона. Количество запрашиваемых каналов DMA равно количеству активированных цифровых фильтров.

[Тактирование]

Такты цифрового микрофона. Такты, предоставленные для цифрового микрофона, должны выполнять несколько функций:

• Когда такты отсутствуют, или имеют очень низкую частоту (см. даташит на используемый микрофон), то цифровой микрофон переключается в режим низкого энергопотребления.
• Когда тактовая частота низкая (обычно между 400 и 800 кГц), микрофон работает в режиме пониженного потребления. Это означае, что происходит незначительное ухудшение его рабочих характеристик, чтобы максимально снизить энергопотребление. Эта функция недоступна для всех микрофонов. Такты должны быть максимально чистые, с малым джиттером.
• И наконец, когда тактовая частота высокая (примерно от 1 до 4.8 МГц), микрофон работает в своем номинальном режиме. Такты также должны быть чистыми насколько это возможно, с минимальным джиттером. Имейте в виду, что допустимый диапазон частот тактов зависит от используемого микрофона, см. его даташит.

Следует также отметить, что когда цифровой микрофон только что вышел из режима пониженной потребляемой мощности из-за того, что его тактовый сигнал становится активным или находится в обнаруженном частотном диапазоне, требуется несколько миллисекунд времени, прежде чем микрофон предоставит выборки с ожидаемым качеством.

В таблице 6 показаны некоторые примеры приложений и связанные с ними тактовые частоты микрофона.

Таблица 6. Примеры приложений и соответствующие тактовые частоты микрофона.

Тактирование периферийных устройств. Чтобы выбрать реализацию, приложение должно также учитывать возможности тактирования, которые микроконтроллер предоставляет для SPI, SAI или DFSDM. Также важно проверить возможности тактового генератора, встроенного в SPI, SAI и DFSDM.

Обычно блоки звуковых периферийных устройств имеют два тактовых входа:

• Такты, используемые для регистрового интерфейса управления (наподобие тактов шины APB).
• Такты, используемые для генерации тайминга последовательного интерфейса, которые называются тактами ядра.

В соответствии с выбранным периферийным устройством и протоколом генератор тактов периферийного устройства использует интерфейс шины или выделенные опорные такты. Например, SPI-V1 использует такты APB в качестве опорных, если используется протокол SPI, в то время как протокол I2S использует такты I2S.

Управление частотой APB обычно не такое гибкое, как выделенные такты. Одна из причин в том, что такты APB влияют на все периферийные устройства, подключенные к этой шине APB. Однако в случае, когда для поддержки стереофонической конфигурации микрофонов используется таймер (наподобие таких же тактов, как и у таймера), решается одна из проблем, перечисленных выше в секции "Использование таймера в качестве генератора тактов".

Некоторые микроконтроллеры также имеют возможность предоставить копию тактов APB в качестве тактов ядра.

Рис. 22. Топология тактирования шины и ядра для SPI.

Другие периферийные устройства (SPI-V2, SAI и DFSDM) всегда предоставляют выделенные такты ядра для реализации тактирования. Эта опция более гибкая, и делает желаемую тактовую частоту независимой от частоты интерфейса шины.

Рис. 23. Топология тактирования шины и ядра для SAI и DFSDM.

Примечание: DFSDM предоставляет возможность выбрать либо независимые такты периферии (тактирование звука), либо выбрать такты DFSDM, которые синхронны с частотой тактов APB.

[Использование GPIO]

Эта секция поможет пользователю выбрать наиболее подходящее периферийное устройство STM32 (SPI, I2S, SAI, DFSDM) для подключения цифровых микрофонов в определенном приложении, в соответствии с количеством используемых ножек GPIO.

Таблицы 7, 8 и 9 показывают аппаратуру, используемую для подключения соответственно одного, двух и четырех цифровых микрофонов к различным звуковым и последовательным интерфейсам.

• Столбец "Количество GPIO" показывает количество ножек GPIO, необходимых для подключения цифровых микрофонов к звуковому интерфейсу.
• Столбец "Таймер" показывает, нужен ли аудиоинтерфейсу таймер для формирования подходящих тактов для микрофонов.

Таблица 7. Аппаратура, используемая для подключения одного цифрового микрофона.

Таблица 8. Аппаратура, используемая для подключения двух цифровых микрофонов.

Таблица 9. Аппаратура, используемая для подключения четырех цифровых микрофонов.

[Цифровая обработка сигнала]

В этой секции представлены 2 способа преобразования данных PDM в данные PCM. Первый способ программный, когда используется специальная библиотека декодирования звука PDM, и второй способ аппаратный, использующий фильтры DFSDM.

Программная библиотека декодирования PDM. Библиотека декодирования звука PDM это оптимизированное программное обеспечение для реализации декодирования PDM и реконструкции сигнала, когда к STM32 подключаются MEMS-микрофоны. В этой библиотеке реализовано несколько фильтров для 1-битного высокочастотного выходного сигнала PDM цифрового микрофона, и есть преобразование этого сигнала в стандартный 16-битный формат PCM на правильной частоте выборок звука.

Как уже упоминалось, цифровой MEMS-микрофон выводит сигнал PDM, который представляет собой высокочастотный (от 1 до 3.25 МГц) поток 1-битных цифровых выборок. Данные PDM захватываются последовательным интерфейсом, встроенным в STM32. Эти данные перемещаются через DMA (что снижает вычислительную нагрузку) в системный буфер RAM для обработки. После преобразования сырые данные PCM могут быть обработаны в зависимости от приложения (сохранены как WAV/сжатые данные на носитель данных, переданы на внешний аудио кодек DAC).

Рис. 24. Блок-схема захвата цифровых данных и их обработки.

Библиотека декодирования звука PDM предоставляет 2 шага цифровой обработки сигнала: цифровой фильтр PDM и децимация, а также кондиционирование цифрового сигнала.

Рис. 25. Цифровая обработка сигнала.

На первом шаге сигнал PDM от микрофона фильтруется и децимируется, чтобы получить звуковой сигнал нужной частоты выборок и нужного разрешения.

На втором шаге цифровой звуковой сигнал, вышедший из предыдущего конвейера фильтра, дополнительно обрабатывается до нужной кондиции реализацией ФНЧ и ФВЧ. Оба этих фильтра могут быть разрешены/запрещены и сконфигурированы (по частотам среза) с использованием функции инициализации фильтра.

Примечание: в конфигурации стерео, если 2 микрофона используют общий сигнал данных, то в результате от микрофонов получаются данные PDM с чередованием. Поэтому программа выполняет дополнительный шаг удаления чередования, что необходимо для разделения данных двух микрофонов перед выполнением преобразования PDM в PCM.

Фильтры DFSDM для цифровой обработки сигнала. Цифровой MEMS-микрофон выводит сигнал PDM, который представляет собой высокочастотный (от 1 до 3.25 МГц) поток 1-битных цифровых выборок. Данные захватываются последовательным трансивером DFSDM, который предоставляет соединение с внешним Sigma-Delta модулятором цифрового микрофона. Цифровые фильтры выполняют аппаратную фильтрацию (не нагружая CPU), которая усредняет 1-битный входной поток данных от модулятора SD в поток данных более высокого разрешения и более низкой частоты дискретизации (получаются сырые данные PCM). Эти данные перемещаются через DMA (что снижает вычислительную нагрузку) в системный буфер RAM для последующей фильтрации. После этого сырые данные PCM могут быть обработаны в зависимости от приложения (сохранены как WAW/сжатые данные на носитель данных, переданы на внешний аудио кодек DAC).

Рис. 26. Блок-схема захвата цифровых данных и их обработки с использованием DFSDM.

[Примеры конфигураций, основанных на STM32CubeMX]

В этой секции показано выполнение различных шагов, необходимых для создания базового звукового приложения, которое захватывает данные PDM с цифровых микрофонов в режимах моно или стерео, и затем преобразует их в данные PCM.

Основные шаги состоят в выборе правильной конфигурации аппаратуры и генерации кода инициализации на языке C, используя утилиту STM32CubeMX. На втором шаге добавляется соответствующий код пользователя к сгенерированному проекту. В завершении дается ссылка на пакет примеров STM32Cube_FW звуковых приложений, и на пакетт X-CUBE-MEMSMIC1 для завершения построения необходимого кода пользователя каждого примера.

В этой секции подразумевается следующее:

• Пользователю нужно получить данные PCM с частотой дискретизации 16 или 48 кГц.
• Цифровой микрофон принимает частоту тактов в 64 раза выше, чем частота дискретизации потока PCM (передискретизация на 64).

[Ссылки]

1. AN5027 Interfacing PDM digital microphones using STM32 MCUs and MPUs site:st.com.
2. STM32F407, интерфейс SPI.
3. STM32F4xx: интерфейс SPI.
4. RM0433 STM32H742, STM32H743/753 and STM32H750 Value line advanced Arm®-based 32-bit MCUs site:st.com.
5. AN4838 Managing memory protection unit in STM32 MCUs site:st.com.
6. INMP441: цифровой микрофон с интерфейсом I2S.