使用Kinetis/RT SAI 接口连接MEMS-MIC

NXP管管

MEMS-MIC由于不需要外接codec，在低成本方案中有广泛的应用。但是由于MEMS-MIC采用了PDM编码格式，需要进行PDM到PCM格式的转换。同时为了获取更好的音质，还需要进行FIR滤波。相对于使用codec的MIC，使用MEMS-MIC在解码技术上会略显复杂一些。本文将会讨论在Kinetis/RT MCU上使用SAI接口连接MEMS-MIC的整个接入的方案。

一、什么是PDM编码

PDM的字面意思是脉冲密度调制。PDM和我们平时比较常见的PCM有很大的区别，这是一种完全不同的针对模拟信号的数字编码方式。其每次采样仅有1个bit的输出。对于没有接触过这种1bit编码的小伙伴们看到这可能会觉得特别懵，因为这种编码方式相对于大家比较熟悉的PCM编码有很大的区别。

这里只展示一下PDM输入和原始输入的正弦波的关系图。关于PDM的编码原理的详细介绍会在后期文章中进一步更新。

正弦波输入以及求和对应的PDM输出的关系，如下图所示：

上图中，横坐标是输出的点数，实际物理含义是单位1代表调制时间间隔。

二、I2S的时序

I2S的时序如下图所示，由左右声道控制、时钟和数据线构成。在每个时钟周期的上升沿采样数据。这部分比较简单，不需要更多赘述。

三、MEMS-MIC的时序

MEMS-MIC是两线通信的，对于MIC，数据永远是输出的方向。时钟由MCU提供给MEMS-MIC。

另外我们可以通过外部管脚电平配置MEMS-MIC在上升沿还是下降沿输出数据，而在另外半个周期保持高阻态。

这样，我们可以在一个CLK下面组合两个MEMS-MIC，构成两路输入到系统，如下图所示。

但是由于KINETIS/RT的SAI接口并不支持同时在上升沿和下降沿采样，对于多通道的MEMS-MIC接入是不能这样做的。后面会详细讲解如何用SAI接入多个MEMS-MIC。

四、SAI接口介绍

SAI接口的主要特性如下（以RT1050为例）：

支持4位数据线并发通信

具有独立的位时钟和帧同步

每帧可以支持多达32个字

每个字可以包含8到32个位

第一个字的位数可以独立配置

发送和接收具有独立的异步32×32位FIFO

支持FIFO出错后自动重启，无需软件干预

支持将8位和16位数据组合成32位再通过FIFO发送盒接收

支持将多数据线FIFO合并为单数据线FIFO

五、如何使用Kinetis/RT的SAI口连接MEMS-MIC

SAI和MEMS-MIC的连接如下图所示：

由于没有帧同步，直接对接CLK和DATA就可以了，这个比较简单。

谈到MEMS和SAI的连接关系，当然就得谈一下KINETIS/RT SAI接口的高级功能了，那就是多通道并行通信。由于SAI并不支持同时在上升沿和下降沿收数据，这样，如果需要在一个SAI口下面接入多个MEMS-MIC，就需要用到这个多通道通信的特性。其连接图如下所示：

这部分也很容易理解，每一个通道就是一根独立的RX数据线，SAI支持多少个通道就能挂多少个MEMS-MIC。

六、PDM到PCM编码的转换

PDM解码到PCM是通过CIC滤波器和FIR滤波器实现的，其结构图如下：

这里需要注意的是，CIC滤波完成后要做Nbit的减采样，还原出低采样率下的PCM数据。比如，3.072MHz的PDM输入数据，完成64 bit的减采样后，会得到3.072MHz/64 = 48KHz的PCM信号。

另外一个要注意的问题是，我们可以把SAI配置为I2S的timing去接MEMS-MIC，但是，对我我们来说，从MEMS-MIC过来的都是音频的01bit流，是不分左右声道的。一个通道上过来的MEMS-MIC码流就是一路的MIC语音输入。

下图展示了PDM原始数据，I2S帧，PCM数据，wav文件数据的一些关系。这里要注意的一个要点是I2S过来的数据其实只是一串01码流，在这里本身并没有左右声道的概念，我们只是通过I2S的timing去获取这些01码流而已。

七、在SDK中配置SAI

配置SAI需要考虑以下问题：

使用LSB or MSB？这个和后面的计算是相关的，一定不能弄错。

使用上升沿收数据还是使用下降沿收数据？这个是要和硬件设计匹配的，千万别弄错。

字长的配置。SAI的最大字长是32bit，当字长配置为32bit时，能使DMA的实际带宽最大化。

采样频率多少？我们设计好采样频率和过采样率后，就可以算出clock的频率，再根据该频率配置SAI的输出时钟。


按照以上内容设计硬件以及配置SAI接口，在FRDM-K66接入MEMS-MIC的PDM数据码流，解码为PCM格式后存储到SD卡后，经验证，可以播放出清晰的声音。


八、参考文献

1-bit A/D and D/A Converters, http://www.cs.tut.fi/sgn/arg/rosti/1-bit/

Pulse-density modulation, http://en.wikipedia.org/wiki/Pulse-density_modulation

Delta-sigma modulation，http://en.wikipedia.org/wiki/Delta-sigma_modulation

作者：郭嘉    文章出处：恩智浦MCU加油站

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