数字麦克风PDM信号采集与STM32 I2S接口应用

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管脚的用法，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STM32芯片关于I2S的麦克风的数据读取时序，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。

例子1：INMP441

INMP441是具有WS管脚的数字麦克风，它的时序图如下，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。

例子2：MP45DT02

MP45DT02是没有WS管脚的数字麦克风，它的时序图如下，该器件根据LR电平，分别在CLK的低电平和高电平时间输出左右声道信号，实现信号的分时复用。

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，其声音特性被这样采一半截取一半会有什么变化呢，需要试验验证。

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

如果LR管脚接地，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。这里是数字麦克风计算PDM采样率的另一个易错点，上面的计算方法是对于有SW管脚的麦克风传感器而言的，对于没有SW管脚的麦克风芯片，则实际PDM采样率为STM32 MCU配置的分辨率的二倍。

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

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