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利用MEMS麦克风阵列定位并识别音频或语音信源 - 音频/视频/显示 - 电子工程网

图4.采用STM32F4微控制器和MEMS麦克风的硬件音频信号同步采集处理子系统

MEMS技术

MEMS技术的主要特性是在能够同一芯片表面集成微电子和微机械单元，在同一封装内整合不同的功能。这样，过去分别由传感器、执行器(例如，射流管理或机械交互)和逻辑、控制单元完成的不同功能，今天可以整合在同一个封装内。从生化分析，到惯性系统，从机械传感器，到音频和声波传感器， MEMS产品覆盖很多应用领域。

MEMS麦克风和音频编码

MEMS麦克风尺寸虽然比其它技术麦克风小，但是，从物理和机械角度看，却具备标准驻极体麦克风的全部功能，其核心部件是一个振膜，振膜和固定框架共同组成一个可变电容器。当声波引起振膜变形时，电容会发生变化，从而导致电压变化。

被捕捉到的信号的后期处理，即功率放大和模数转换过程，都是在同一芯片上完成，因此，麦克风输出是高频PDM信号。在脉冲密度调制过程，逻辑1对应一个正 (+A)脉冲，而逻辑0对应一个负(-A)脉冲。因此，假设输入一个周期的正弦音频，当输入电压在最大正振幅时，输出为一个由“1”组成的脉冲序列；当输入电压在最大负振幅时，输出则是一个由“0”组成的序列。当穿过0振幅时，声波在1和0序列之间快速变化。如果方法正确，PDM可通过数字方法给高品质音频编码，而且实现方法简易，成本低廉。因此，PDM比特流是MEMS麦克风常用的数据输出格式。

另一方面，PCM是一个非常著名的音频编码标准，以相同的间隔对信号振幅定期采样，在数字步进范围内，每个采样被量化至最接近值。决定比特流是否忠实原模拟信号的是PCM比特流的两个基本属性：采样率，即每秒采样次数；位宽，即每个采样包含的二进制数个数；通过降低采样率(降低十分之一)和提高字长，可以将PDM编码信号转成PCM信号，PDM数据速率与降低十分之一的PCM采样率的比值被称为降采样率。因此，对于N:1降采样率，只要每N个间隔采样一次(不考虑剩余的N-1)，即可完成降低十分之一的采样过程。

麦克风阵列

从硬件角度看，这款产品基于STM32F407VGT6高性能微控制器，能够通过8个MEMS麦克风采集信号。STM32F4微控制器基于工作频率最高168 MHz的高性能ARM Cortex-M4 32 RISC处理器内核，集成高速嵌入式存储器(闪存容量最高1 MB， SRAM容量最高192KB)以及标准和先进的通信接口，例如，I2S全双工接口、SPI、 USB FS/HS和以太网。

麦克风阵列通过RJ45以太风接口或USB OTG FS接口连接其它器件，与其它器件交互是通过可控制基本板设置的DIP开关实现。

如下图所示，每个MEMS麦克风都是由同一个时钟源触发，时钟源由专用振荡器驱动，对每个GPIO端口的一个引脚输出1位PDM 高频信号。输出PDM数据频率与输入时钟同步，因此，DMA控制器以同一频率即音频捕捉频率对GPIO端口进行读操作，然后将1 ms音频数据(每次)保存在存储器缓冲电路。这时，该缓冲器包含麦克风交叉信号，然后软件利用优化的快速解码函数对数据进行解复用处理。最后，PDM 数据通过数字信号处理环节，再进行PDM转PCM处理。

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