低成本、低功率的麥克風是當今許多設備的重要組成部分,從可穿戴設備到汽車。隨著語音接口和數字助理變得越來越流行,對可以接收音頻輸入并將其轉換為數字數據的緊湊、價格合理的子系統的需求將越來越大。
今天選擇的技術通常是微機電系統 (MEMS),MEMS 麥克風在許多消費應用中變得幾乎無處不在。MEMS麥克風在靈敏度和信噪比方面具有良好的性能,并且體積非常小。
盡管有這些優點,但缺乏合適的接口設備一直是 MEMS 麥克風使用的限制因素。過去,語音編解碼器設計用于處理模擬麥克風輸出,并且大多數現代編解碼器已開發用于滿足多媒體設備的需求。雖然可以使用模擬 MEMS 麥克風,但數字版本通常是首選,因為它們更易于設計和集成。
設計人員如何確保他們獲得兩全其美的優勢,利用數字 MEMS 麥克風的所有優勢,而不需要復雜的額外接口電路,而這些接口電路設計緩慢且成本高昂?這在物聯網和消費類應用中尤為重要,在這些應用中,成本至關重要,上市時間至關重要。
MEMS麥克風
圖 1 顯示了典型的 MEMS 麥克風設計。聲波引起的氣壓變化使薄膜彎曲,從而改變了薄膜與固定的剛性背板之間的距離。這會改變電容,為我們提供跟蹤聲級的電信號。
這種MEMS麥克風在硅片中制造簡單,機械裝置和電路在一個芯片中,很容易集成到電路設計中。
(圖 1:MEMS 麥克風換能器)
圖 2 顯示了一個數字 MEMS 麥克風,其中傳感器輸出被放大、轉換為數字,然后被調制以產生一個過采樣、一位 PDM(脈沖密度調制)輸出。然后,此輸出需要進一步的信號調理才能被應用程序使用,其中大多數需要標準 PCM(脈沖編碼調制)格式的輸入信號。
(圖2:數字MEMS麥克風框圖)
處理數字信號
為了處理這種數字輸出,設計人員可以實現 PDM 到 PCM 格式的轉換,然后在微控制器上進行數字濾波。然而,這種方法很慢,并且需要設計人員可能需要花費太多時間來學習的特定技能。
更好的選擇是使用專為數字 MEMS 麥克風設計的編解碼器。其中一個例子是 CML 的 CMX655D,如圖 3 所示。它將基本的 MEMS 麥克風接口功能集成到單個低成本、超低功耗器件上。
(圖3:CMX655D語音編解碼器簡化框圖)
該設備可以同時連接兩個麥克風,支持外部降噪應用,還支持多個不同的頻率范圍。高效的 D 類放大器提供音頻輸出,這是智能揚聲器等應用所必需的。
開源開發工具
雖然 CMX655D 等集成編解碼器具有許多優勢,但這確實意味著設計人員在配置設備時有許多選項可供選擇。這意味著需要工具包來幫助開發,并支持原型設計和評估。另一方面,由于上市速度和成本至關重要,復雜的開發套件可能會成為設計人員的障礙。
為了克服這個問題,開源方法可以提供熟悉的工具和接口,以及低價、現成的硬件。具體來說,Raspberry Pi (RPi) 已被證明是許多應用中的熱門選擇,它以最低的成本提供了性能和靈活性。
Hardware Attached on Top (HAT) 接口提供了一個標準,使將第三方硬件連接到 RPi 變得簡單。HAT 定義了 65 x 56mm 的物理格式和連接器的引腳排列,并支持自動配置系統,其中 RPi 可以識別連接到它的 HAT 板。
為了簡化開發,CML 提供了 HAT 板 EV6550DHAT,這意味著 CMX655D 編解碼器現在與 RPi 環境兼容,設計人員可以在熟悉的 Linux 環境中工作以開發他們的應用程序。
訪問 Linux 也為使用其他開源軟件提供了機會。一個例子是 ALSA(高級 Linux 聲音架構)框架,它是 Linux 內核的一部分,為聲卡設備驅動程序提供 API。通過為 E6550DHAT 發布此驅動程序的安裝程序,CML 可以使用任何與 ALSA 兼容的高級聲音應用程序,從而進一步簡化開發。
隨著 MEMS 麥克風在物聯網應用中越來越受歡迎,這種基于開源的方法意味著開發人員可以獲得低成本、功能強大的軟件和硬件。總體而言,這使他們能夠縮短上市時間,并將精力集中在重要的地方——為最終客戶創造差異化的產品。
審核編輯:郭婷
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