Computer Science and Application 计算机科学与应用, 2021, 11(1), 156-166
Published Online January 2021 in Hans. /journal/csa
/10.12677/csa.2021.111017
基于USB2.0的MEMS数字麦克风阵列采集系统设计 陈洁，丁磊
广东工业大学，广东广州
收稿日期：2020年12月26日；录用日期：2021年1月20日；发布日期：2021年1月28日
摘要
本文设计并实现了一种使用USB2.0接口同步传输多通道音频数据的MEMS数字麦克风阵列，通过将MEMS数字麦克风的时钟、控制、数据线，连接到USB2.0转并口的高速传输芯片，结合上位机端的接收与解码程序，实现低成本、轻量化的麦克风阵列采集系统，解决了传统麦克风阵列方案价格昂贵、结构复杂、体积庞大、灵活性低的缺点。并保证了该阵列在采样率、动态范围、信噪比、总谐波失真、阵元一致性、和各阵元通道之间的采样同步性上均表现良好。且本系统最多可以支持14路麦克风数据的同步采集。模块化的设计让用户可以在1到14个阵元的范围，任意设计麦克风阵元数及阵列形状，提高了阵列结构灵活性。并且，同时支持PDM和I2S数字麦克风，使得用户麦克风型号的选择范围更大。 关键词
麦克风阵列，多声道同步传输，多声道同步采样，声音采集系统
led间隔柱MEMS Digital Microphone Array Acquisition System Based on USB2.0 Design
Jie Chen, Lei Ding
Guangdong University of Technology, Guangzhou Guangdong
Received: Dec. 26th, 2020; accepted: Jan. 20th, 2021; published: Jan. 28th, 2021
Abstract
This paper designs and implements a MEMS digital microphone array that uses a USB2.0 interface to synchronously transmit multi-channel audio data. By connecting the clock, control, and data lines of the MEMS digital microphone to the USB2.0 to parallel port high-speed transmission chip, and combining the receiving and decoding program of the host computer, a low-cost, lightweight
陈洁，丁磊microphone array acquisition system is realized, which solves the disadvantages of traditional microphone array solutions such as expensive, complex structure, bulky, and low flexibility. It also ensures that the array performs well in terms of sampling rate, dynamic range, signal-to-noise ra-tio, total harmonic distortion, array element consistency, and sampling synchronization between each array element channel. And this system can support up to 14 simultaneous microphone data collection. The modular design allows users to design the number of
microphone array elements and the shape of the array arbitrarily in the range of 1 to 14 array elements, which improves the flexibility of the array structure. In addition, PDM and I2S digital microphones are supported at the same time, allowing users to choose a wider range of microphone models.
Keywords
Microphone Array, Multi-Channel Synchronous Transmission, Multi-Channel Synchronous Sampling, Sound Acquisition System
This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0).
/licenses/by/4.0/
1. 引言
随着近代声学中，语音识别、语音增强、声源定位[1]、声场成像、噪声抑制等音频方面技术的不断完
善与应用，声音处理技术广泛地出现在了人们的生活当中。比如天猫精灵一类的智能音箱及实现定向增益的
智能会议麦克风，又比如工业生产中的声音与振动分析。而这些技术的实现，多数依赖于麦克风阵列系统。
同时，因为应用方向的不同，这些技术对于麦克风阵列系统的采样率、动态范围、信噪比、总谐波失真、阵
元一致性、采样传输实时性，和通道间数据采样的同步性，麦克风的拓展兼容性以及设备体积，都有要求。
自上世纪八十年代以来，MEMS (微机电系统)技术发展迅速，使得微机械结构与微电路能够在硅片
上集成，从而出现了使用沉积和选择性蚀刻工艺，将振动膜片和静态背板制作在硅晶圆基板上，再与配
套的集成电路IC共同封装的MEMS数字麦克风。与传统麦克风相比，MEMS数字麦克风体积小，外围
电表铅封
电路简单，且性能稳定，敏感性不受温度、湿度，时间和焊接加工工艺的影响。
而USB2.0接口，也广泛的存在于各类硬件设备之上，且USB2.0电缆结构简单，并能够提供480 Mbps
的传输带宽。并且，随着微处理器技术的发展，出现了集成各种外设模块的微处理器芯片，其中不乏集
成USB2.0高速接口的微处理器芯片。这些微处理器芯片中，多数都已有成熟的应用案例。而USB3.0普
及程度较USB2.0差，且USB3.0电缆相对复杂昂贵，USB1.0则是无法提供设计所需要的带宽，且USB1.0
接口几乎已经被淘汰。因此，本文的麦克风阵列采集系统选择USB2.0作为数据传输接口。
本文将从硬件和软件的层面，讲述如何利用微处理器与MEMS数字麦克风，在低成本和低复杂度且
保证阵列性能参数的设计思路下，实现一种符合上述要求的麦克风阵列采集系统。
2. 麦克风阵列采集系统的硬件设计
麦克风阵列采集系统的硬件总体框架是通过一颗集成了FIFO并口转USB 2.0控制器的微处理器(CY7C
68013A)，以实现MEMS数字麦克风接口的数据与上位机之间的传输，从而保证了各麦克风通道之间采样和传输的同步性。并使用一颗集成USB 2.0全速接口和I2S接口的Cortex-M3单片机(STM32F103)接收上位机的指令参数，产生麦克风时钟和WS声道选择信号，同时兼容PDM (脉冲密度
陈洁，丁磊
连接轴调制)和I2S 两种接口的MEMS 数字麦克风，可以支持1到14个PDM 数字麦克风，或1到12个I2S 数字麦克风。整体硬件设计框图如图1所示：
Figure 1. Block diagram of overall hardware design 图1. 整体硬件设计框图
2.1. 数据传输模块
由于本麦克风阵列采集系统，同时采样14个PDM 数字麦克风时，各通道为3 MHz 同步采样率，所以本麦克风采集系统总带宽最高为42 Mbps 。因此，数据传输模块选择Cypress 的CY7C68013A 微控制器芯片。CY7C68013A 提供了一个能够工作在8位或者16位，且传输速度最高96 Mbyte/s ，带4K FIFO 的并行接口。同时提供了一个智能USB 控制器和USB2.0高速收发器，将并行接口接收到的数据传输到USB2.0接口，并集成了一个增强型8051内核用来运行程序[1]，CY7C68013A 内部架构如图2所示[2]：干果礼品盒
Figure 2. CY7C68013A internal architecture diagram 图2. CY7C68013A 架构图
陈洁，丁磊
PDM 数字麦克风的数据线左右2个通道为一组，连接到CY7C68013A 的FIFO 接口D1:D7，然后将全部的麦克风的时钟线与CY7C68013A 的FIFO 接口的D0连接。然后，通道1~7的麦克风左右片选线全部接VCC ，通道8~14的麦克风左右片选线全部接GND ，硬件设计如图3所示：
Figure 3. PDM microphone and CY7C68013A parallel port connection diagram
图3. PDM 麦克风与CY7C68013A 并口连线图
I2S 数字麦克风的数据线也是左右2个通道为一组，连接到CY7C68013A 的FIFO 接口D2:D7，然后将全部麦克风的时钟线与CY7C68013A 的FIFO 接口的D0连接，再将全部麦克风的WS 声道选择信号线与CY7C68013A 的FIFO 接口的D1连接。然后，通道1~7的麦克风左右片选全部接VCC ，通道8~14的麦克风左右片选全部接GND 。硬件设计如图4所示：
Figure 4. I2S microphone and CY7C68013A parallel port
connection diagram
选器
图4. I2S 麦克风与CY7C68013A 并口连线图
陈洁，丁磊
2.2. 麦克风时钟与片选信号发生模块
单片机型号选择STM32F103，其最高主频为72 MHz ，支持外部晶振，并提供I2S 接口，其I2S 接口可工作在8 k~192 kHz 的采样率下，最高时钟可达到12 MHz 。同时片内集成USB 全速控制器和USB PHY ，可以通过USB 接收来自上位机的关于麦克风种类以及麦克风时序逻辑参数的指令，给麦克风提供时钟和WS 声道选择信号。
2.3. 麦克风模块
为了提高对麦克风的兼容性，麦克风模块设计成同时支持PDM 和I2S 两种数字麦克风。
PDM 数字麦克风的接口由时钟线与数据线以及麦克风声道选择线组成，其接口图如图5所示。其中PDM 数字麦克风的时钟信号，由外部的STM32F103单片机提供，麦克风Select 线接高电平时，麦克风工作在右声道模式，麦克风Select 线接低电平时，麦克风工作在左声道模式。左声道与右声道麦克风，可以共用一条数据线。在时钟信号上升沿时，右麦克风数据线输出数据，左麦克风进入高阻状态，当时钟信号下降沿时，左麦克风数据线输出数据，右麦克风数据线进入高阻状态。PDM 数字麦克风接口时序逻辑图如图6所示。
PDM 麦克风采样原理，是将声波转换为电压，然后经过∑-Δ调制得到数字信号，如果把这一连串数字
信号放在同一标尺上和声波信号相比，会发现数字“0”和“1”随着声波的增减程度而产生密度的相应变化，所以称为脉冲密度调制[3]，如图7所示[4]：
Figure 5. PDM digital microphone interface diagram
图5. PDM 数字麦克风接口图
酸洗工艺Figure 6. PDM digital microphone interface timing logic diagram
图6. PDM 数字麦克风接口时序逻辑图
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