0、前言

最近需要使用STM32L4系列來完成音頻采集的作業，前前后后一共嘗試了三種方案，最終在各種測驗條件以及功耗等原因下，選擇了目前這個方案，

主控使用的是STM32L475RCT6（無需一致，只要有DFSDM即可），MEMS麥克風使用的是ST的MP45DT02TR-M（某寶4.5一片），

先說一下最終的效果，最終實作在8KHz采樣率下，系統能正常作業，整體功耗大約為8mW，

1、之前的兩種方案

最開始所使用的是INMP441麥克風，這款MEMS傳感器使用I2S總線來驅動，使用單片機SAI外設給傳感器相應的脈沖，其能輸出1bit的PDM資料，然而對于本人實際使用來說，需將PDM資料流轉化為PCM資料流才行，這里借鑒了ST官方Discover開發板的例程，使用ST官方提供的已加密的PDMtoPCM軟體包，呼叫相應的濾波器來對PDM資料流進行過采樣，最終輸出PCM資料流，不過在除錯程序中，噪音較大，自己目前尚不能對多余得到噪音進行消除，于是開始考慮第二種方案，

第二種方案是借鑒正點原子的潘多拉開發板，使用駐體麥克風方案，需要一個音頻芯片ES8388，還需要一個咪頭，以及比較復雜的外圍電路，原理圖如下圖所示，

還有一點，ES8388是QFN封裝，如果焊接不到位很容易導致虛焊（本人因為虛焊導致IIC一直無法應答，一度懷疑自己的IIC驅動是否有問題，從硬體IIC換到軟體IIC還是不能解決，把芯片吹掉重新焊才解決問題），這個方案需要使用IIC來進行音頻芯片的控制字寫入，然后使用STM32的SAI外設來進行資料采集，芯片內部集成了降噪等功能，單片機所采集的資料就是PCM格式的，這樣直接將采集到的的資料發送計科，很是方便，不過也有不好的地方，在本人的實際測驗程序中，其無法防震，震動會印象麥克風的收音效果，很容易失真（也可能是本人的處理不到位，不過在測驗程序中確實存在這個影響），如下圖所示

還有一點就是使用本方案，PCB的尺寸較大，由于被外設所要求的頻率限制，無法將主頻進一步降低，為了低功耗，還需要將ES8388的DAC功能關閉，本人所除錯的功耗極限值是8KHz采樣率下30mW左右，

最終是參考了ST官方的NUCLEO開發板的例程，使用DFSDM來對PDM資料流進行抽樣，來獲得PCM資料流，

2、PDM？PCM？

什么是PDM？這里轉載別人的一段話，解釋的很明白，請參見https://www.cnblogs.com/pingwen/p/11301935.html，

PDM調制器將緩沖模擬信號轉換為串行脈沖密度調制信號，時鐘輸入（ CLK）用于控制PDM調制器，

PDM信號無法直接驅動DA進行聲音播放，PDM信號要變為聲音信號還需要進行下采樣，經過一次低通濾波和抽樣，然后成為PCM信號，

PDM是一種調制形式，用于表示數字域中的模擬信號，它是1位數字采樣的高頻資料流，在PDM信號中，脈沖的相對密度對應于模擬信號的幅度，大量的1s對應于高（正）幅度值，而大量的0s對應于低（負）幅度值，交替的1s和0s對應于幅度值0，

PDM轉為PCM信號，需要進行濾波和抽取，

3、DFSDM？

什么是DFSDM？

PDM轉為PCM信號，需要進行濾波和抽取，

根據音頻應用領域的標準化規定，PDM調制（脈沖密度調制）是數字麥克風的常見輸出格式，PDM信號相當于∑?調制信號，因此，DFSDM支持PDM信號，

數字麥克風是使用半導體技術制造的MEMS器件（微機電系統），此類麥克風的有源致動器包括一張膜和一對微電極， 其中一個電極是固定的，另一個電極結合在膜內，當空氣壓力（聲音）施加到膜上時，移動電極遠離其默認位置，兩個電極之間產生電容變化，感應信號由內置電子處理，作為PDM調制信號輸出（脈沖密度調制），

數字麥克風需要外部時鐘信號（麥克風CLK輸入信號），資料作為PDM調制信號，通過DATA輸出線發送，時鐘速度的范圍通常介于1至3.2 MHz之間，DFSDM_CKOUT輸出信號提供時鐘信號，后者將麥克風輸出資料速率定義至DFSDM，

DFSDM可通過一條線路并聯2個麥克風（立體聲配置：左右聲道），兩個麥克風共用資料和時鐘信號，時鐘信號從DFSDM_CKOUT引腳分配到左右麥克風，來自兩個麥克風的輸出資料信號在同一條線路上復用：左側麥克風在時鐘上升沿提供資料，右側麥克風在時鐘下降沿提供資料（參見 圖 27 ），左聲道或右聲道麥克風的配置通常是通過在麥克風上配置引腳來實作的（L/R選擇引腳），

DFSDM將DATA線上的兩個麥克風信號進行分離，可以重定向DFSDM聲道x的輸入，以便將此聲道 (x+1) 作為輸入，接下來，將聲道x配置為在上升沿進行資料采樣，將聲道(x+1)配置為在下降沿進行資料采樣，兩個聲道的時鐘信號相同，且內部連接至DFSDM_CKOUT信號，通過此配置，聲道x從左側麥克風接收資料，而聲道(x+1)從右側麥克風接收資料，兩個聲道向各自的數字濾波器饋送資料，最終為左右麥克風聲道輸出兩個獨立的并聯資料流，參見圖 28，了解使用DFSDM的立體聲麥克風應用的完整圖形，

DFSDM可以通過DFSDM_CKOUT引腳提供的時鐘信號，為外部∑?調制器提供時鐘，此引腳的時鐘頻率決定了輸入采樣頻率，后者也取決于輸出資料速率頻率，可以選擇以下一種時鐘源，用于驅動DFSDM_CKOUT：

? DFSDM 時鐘：
– APB 時鐘
– 系統時鐘（獨立于APB時鐘分頻器）
? PLL時鐘（用于I2S的音頻PLL）

將所選時鐘源的頻率除以2-256范圍內的因數（根據DFSDM_CHyCFGR1暫存器中的CKOUTDIV欄位設定的預分頻比），得到DFSDM_CKOUT頻率，

4、使用DFSDM驅動PDM麥克風解析度

DFSDM 具有 24 位資料暫存器，可通過配置實作不同解析度的支持，有效資料最高支持到 24 位，同時，新的HAL 庫支持全硬體獲取 16 位采樣資料，不增加 CPU 負載，DFSDM 解析度由過采樣率，濾波器型別和右移位器決定，

5、CubeMX中DFSDM的配置

在本次演示中，使用STM32L475RCT6（只要具有DFSDM外設即可），在我的測驗樣板中，MEMS的CLK管腳連接在PC2，MEMS傳感器的DATA資料輸出管腳接在PB12上，

本次演示，使用STM32L475RCT6的DFSDM外設來驅動MP45DT02TR-M麥克風，進行8KHz的音頻采集，

5.1 DFSDM通道選擇

在DFSDM外設中，選中通道1，并且勾選CKOUT

之后在右側的預覽圖會發現PC2和PB12已經被占用

5.2 通道配置

在“Configuration” 標簽頁，點擊“Channel1”打開 DFSDM通道 配置界面，

Type:配置資料讀取時刻，SPI with rising edge 在時鐘的上升沿讀取資料；SPI with falling edge 在時鐘下降沿讀取資料，
**Spi clock:**總線時鐘源，Internal SPI clock 利用內部時鐘，對應為 CKOUT 時鐘，
**Offset:**資料偏移量補償，
Right Bit Shift : 右移位，右移位的確定，涉及到獲取有效資料的位數，需要結合濾波器和積分器配置及解析度需求進行確定，本文中，經過濾波器和積分器處理后輸出資料解析度為29-bit，所以將右移位設定為 5，從而 在 24位資料暫存器中獲得有效的 24-bit 資料，
Analog watchdog parameters : DFSDM中模擬看門狗引數設定，應用例中沒涉及到此功能，引數保持默認，

5.3 濾波器配置

選中Filter1，進行濾波器配置

Regular channel selection: 資料來源，選擇與外部麥克風連接的通道，
Continuous mode:轉換模式，選擇連續轉換模式， Trigger to start regular conversion: 啟動轉換的觸發源，
Fast mode: 快速模式，在連續轉換資料源來自于同一個通道時可啟用，能夠提高轉換速度，
DMA mode : DMA 模式，完成通道選擇之后即可以進行DMA配置，
selection: 注入通道選擇，應用例中沒涉及到此功能，引數保持默認，
Sinc Order: 濾波型別，
Fosr: 濾波器過采樣率，
Iosr: 積分器過采樣率，

為了給CPU減負，建議使用DMA進行資料接收，

DMA 配置中，選擇 Circular 模式，可實作回圈向資料 buffer 中填充采樣資料，
Data Width 設定為 Half Word，以便實作只獲取資料暫存器的高 16 位資料，實作 16-bit 解析度資料采集，

5.4 時鐘配置

這里我選擇的是由Audio時鐘提供時鐘源，此時由SAI1的時鐘提供時鐘源，也可以選擇系統時鐘來提供時鐘源，具體采樣率計算請參見以下公式，

采樣率 F s Fs Fs： F S = F C K O U T F o s r × I o s r F_{S}=\frac{F_{CKOUT}}{F_{o s r} \times I_{o s r}} FS?=Fosr?×Iosr?FCKOUT??

其中， F C K O U T F_{CKOUT} FCKOUT? 的計算公式為 F C K O U T = F A u d i o d i v i d e r F_{CKOUT}=\frac{F_{Audio}}{ divider} FCKOUT?=dividerFAudio??

Selection: CKOUT 時鐘源選擇，
Divider: 時鐘預分頻因子，

5.5 時鐘樹配置

如下配置，使得SAI1的時鐘為17.411765MHz，可以得到8KHz的采樣率，

5.6 串口配置

在本次演示中，使用串口1將采集到的資料發送到PC端進行處理，

在單麥克風8KHz采樣下，串口波特率設定為256000kbps即可滿足要求，

不要忘記打開串口的DMA

還要打開串口中斷，

由此，CubeMX的配置就完成，

6、程式設計

在本次演示中，使用半傳輸中斷來接收資料，能保證不間斷的PCM資料流，

6.1 原理解釋

開啟DFSDM接收之后，設定每次接收固定長length’的資料，當接收到length/2個資料之后，便進入半傳輸中斷回呼函式，此時DMA傳輸仍在進行，通過串口將已接收到的前length/2個資料發送走，然后當接收到length個資料之后進入傳輸完成中斷，由于開起了DMA的Circular傳輸模式，會繼續接收，不過會覆寫快取區，此時使用串口將后length/2個資料發送，由此即可實作不間斷的PCM資料流，

6.2 部分源代碼

#define SAMPLE_FREQ				8000
#define BYTE_PER_SAMPLE		2
#define MICROPHEN_NUMBER	1
#define FRAME_NUMBER			1
// 16bit sample resolution
#define BUF_LENGTH 				(SAMPLE_FREQ / 1000 * MICROPHEN_NUMBER * FRAME_NUMBER)

int16_t Buf_Mic0[BUF_LENGTH] = {0x12};

int main(void)
{
  	/* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  	HAL_Init();
  	/* Configure the system clock */
  	SystemClock_Config();
  	/* Initialize all configured peripherals */
  	MX_GPIO_Init();
  	MX_DMA_Init();
  	MX_USART1_UART_Init();
  	MX_DFSDM1_Init();
  
  	// 讀取一下USART_FLAG_TC標志位,防止硬體復位之后發送第一個資料丟失
	__HAL_UART_GET_FLAG(&huart1, UART_FLAG_TC);
	
	/* 啟動采樣，在初始化完成后呼叫 */	
	if(HAL_DFSDM_FilterRegularMsbStart_DMA(&hdfsdm1_filter0, Buf_Mic0, BUF_LENGTH) == HAL_ERROR)
  	{
		Error_Handler();
  	}
  
  	HAL_Delay(5000);
  	__HAL_DMA_DISABLE(&hdma_dfsdm1_flt0);
  	while (1){}
}

// 半傳輸回呼函式
void HAL_DFSDM_FilterRegConvHalfCpltCallback(DFSDM_Filter_HandleTypeDef *hdfsdm_filter)
{
	//半傳輸完成，可在此添加對采樣資料的處理
	HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, (uint8_t *)Buf_Mic0, BUF_LENGTH);
}

// 傳輸完成回呼函式
void HAL_DFSDM_FilterRegConvCpltCallback(DFSDM_Filter_HandleTypeDef *hdfsdm_filter)
{
	//傳輸完成，可在此添加對采樣資料的處理
	HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, (uint8_t *)(Buf_Mic0 + BUF_LENGTH / 2), BUF_LENGTH);
}

6.3 實際測驗

采集5s的音頻，使用Python處理后進行播放，效果還不錯

7、總結

以上就是本人使用STM32L475的DFSDM來開發PDM麥克風的經驗，歡迎討論交流，