Adafruit PDM Microphone Breakout：電子工程師的新寵

在電子設計領域，一款優(yōu)秀的麥克風對于音頻相關項目至關重要。今天，我們要介紹的是 Adafruit PDM Microphone Breakout，這是一款獨特的麥克風，為電子工程師帶來了新的選擇。

文件下載：3492.pdf

一、概述

PDM（脈沖密度調制）MEMS 麥克風是一種相對較新的麥克風類型，它不同于常見的模擬或 I2S 麥克風。在眾多產(chǎn)品中，PDM 麥克風被廣泛使用，但在創(chuàng)客項目中卻較少見到。Adafruit 推出這款 PDM Microphone Breakout，旨在讓更多人能體驗到它的優(yōu)勢。

特點

1. 無模擬輸出：與許多駐極體麥克風組件不同，這款傳感器不提供“模擬”輸出，這對于沒有模擬輸入的芯片來說是一個很好的選擇。
2. 數(shù)字接口簡單：其數(shù)字接口采用脈沖密度調制輸出，既不是 PWM 也不是 I2S。不過，使用時需要確保芯片具有 PDM 接口，現(xiàn)在大多數(shù) 32 位處理器都具備這一特性。
3. 類似 1 - 比特 PWM：PDM 有點像 1 - 比特 PWM，需要以 1 MHz - 3 MHz 的時鐘速率對麥克風進行時鐘控制，在數(shù)據(jù)線上會輸出與時鐘同步的方波。數(shù)據(jù)線輸出 0 或 1 的邏輯值，方波的密度經(jīng)過平均后可得到模擬值。

管理方式

管理這些麥克風有幾種方式：

1. 硬件外設和庫支持：芯片自帶硬件外設和庫，能高速管理數(shù)據(jù)、收集樣本、應用濾波器并給出模擬值，這是最理想的情況。
2. 硬件外設但需自行處理：芯片有硬件外設提供值，但需要自己進行抽取/濾波操作。例如在 ATSAMD21 芯片組上就有相關示例代碼。
3. 無硬件外設但自行實現(xiàn)：芯片沒有硬件外設，但可以通過自己的方法使其工作，如 ATtiny85 的示例。
4. 手動生成時鐘并添加濾波：手動生成高速時鐘，然后在數(shù)據(jù)線上添加模擬濾波器，讀取模擬值，這是一種可行但稍顯“hack”的方法。

產(chǎn)品版本

每個 PDM 麥克風訂單都包含一個完全組裝和測試好的麥克風。有兩種版本可供選擇：

1. 帶引腳版本：帶有一個小引腳，可用于面包板兼容性。
2. 帶 JST SH 連接器版本：配備 4 - JST SH 連接器，通過 3V、GND、DAT、CLK 連接，可使用 JST - SH 電纜實現(xiàn)靈活的麥克風布置。板上的焊接跳線可將麥克風從左聲道切換到右聲道。

二、引腳說明

這款麥克風的引腳非常簡單：

1. 3V：電源輸入引腳，直接為芯片供電。如果有安靜的電源引腳，建議使用。芯片支持 1.8 - 3.3V，但未在 1.8V 下進行測試。
2. GND：電源和數(shù)據(jù)的接地參考。
3. SEL：左右聲道選擇。該引腳為高電平時，輸出在 CLK 的下降沿被視為“右”聲道；為低電平時，輸出在上升沿，即“左”聲道。
4. CLK：PDM 時鐘輸入，需要 1 - 3 MHz 的方波。
5. DAT：PDM 數(shù)據(jù)輸出。

三、Arduino 接線與測試

目前，僅針對 SAMD21 芯片組提供了使用 I2S 外設的示例代碼。不過，使用 SAMD21 時，引腳選擇有限，且數(shù)字濾波必須在軟件中完成。實際上，對于 SAMD21 來說，模擬麥克風可能會更省心。

可用的 I2S 引腳

對于 Feather M0 / Metro M0 / Arduino Zero 系列，可用的 I2S 引腳如下：

• 時鐘引腳：PA10（D1 或 TX）、PB11（SCK）、PA20（D6）
• 數(shù)據(jù)引腳：PA07（D9）、PA08（D4）、PA19（D12）

安裝庫

需要從 github 下載最新版本的 ZeroPDM 庫并進行常規(guī)安裝。有兩個示例可供選擇，一個使用 DMA 功能獲取數(shù)據(jù)，這種方式需要更多的設置，并且需要 ZeroDMA 庫；建議從基本示例開始，它會將音頻數(shù)據(jù)回顯到 A0（模擬輸出），可以連接耳機或示波器到 A0 來聽取或查看音頻。在上傳代碼之前，要確保修改實例化器以匹配引腳。

四、CircuitPython 使用

使用 CircuitPython 可以很方便地使用 Adafruit PDM 麥克風擴展板，借助內(nèi)置的 audiobusio 模塊和 PDMIn 類，可以通過 PDM 記錄來自麥克風的輸入音頻信號。

接線

以 Feather M4 Express 為例，不同版本的接線方式如下：

• 引腳版本：Mic 3V 連接到 Feather 3V，Mic GND 連接到 Feather Gnd，Mic CLK 連接到 Feather TX，Mic DAT 連接到 Feather D12。
• JST 版本：Mic 3V（紅色線）連接到 Feather 3V，Mic GND（黑色線）連接到 Feather Gnd，Mic DAT（藍色線）連接到 Feather D12，Mic CLK（黃色線）連接到 Feather TX。

如果使用 Circuit Playground Express，它內(nèi)置了 PDM 麥克風，有專門的指南頁面介紹如何使用。

代碼示例

將以下代碼保存為 code.py 到微控制器板上：

import time
import array
import math
import board
import audiobusio

# Remove DC bias before computing RMS.
def mean(values):
    return sum(values) / len(values)

def normalized_rms(values):
    minbuf = int(mean(values))
    samples_sum = sum(
        float(sample - minbuf) * (sample - minbuf)
        for sample in values
    )
    return math.sqrt(samples_sum / len(values))

# Main program
mic = audiobusio.PDMIn(board.TX, board.D12, sample_rate=16000, bit_depth=16)
samples = array.array('H', [0] * 160)

while True:
    mic.record(samples, len(samples))
    magnitude = normalized_rms(samples)
    print((magnitude,))
    time.sleep(0.1)

代碼中首先導入所需的庫，然后定義了兩個輔助函數(shù)，用于計算平均值和歸一化的 RMS 平均值。接著設置麥克風對象和樣本變量，開始采集聲音樣本，計算樣本的平均值（即幅度），并將其打印到串行控制臺。需要注意的是，Mu 繪圖儀需要元組值進行打印，所以打印時要使用正確的格式。

查找有效引腳組合

如果想知道哪些引腳組合支持 PDMIn，可以將以下代碼保存為 code.py 到板上，連接到串行控制臺查看：

import board
import audiobusio
from microcontroller import Pin

def is_hardware_PDM(clock, data):
    try:
        p = audiobusio.PDMIn(clock, data)
        p.deinit()
        return True
    except ValueError:
        return False
    except RuntimeError:
        return True

def get_unique_pins():
    exclude = ['NEOPIXEL', 'APA102_MOSI', 'APA102_SCK']
    pins = [pin for pin in [getattr(board, p) for p in dir(board) if p not in exclude] if isinstance(pin, Pin)]
    unique = []
    for p in pins:
        if p not in unique:
            unique.append(p)
    return unique

for clock_pin in get_unique_pins():
    for data_pin in get_unique_pins():
        if clock_pin is data_pin:
            continue
        if is_hardware_PDM(clock_pin, data_pin):
            print("Clock pin:", clock_pin, "t Data pin:", data_pin)

五、下載資源

可以下載以下文件：

1. MP34DT01 - M 數(shù)據(jù)表
2. GitHub 上的 Fritzing 文件
3. GitHub 上的 3D 模型

Adafruit PDM Microphone Breakout 為電子工程師提供了一個新的音頻解決方案。你在使用這款麥克風時遇到過什么問題嗎？或者你有什么獨特的應用案例，歡迎在評論區(qū)分享。