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Referenzdesigns MEMS-Mikrofon mit Standard Digital-Audio-Schnittstelle für Blackfin

Autor: Kristin Rinortner

In diesem Schaltungstipp stellen wir eine Konfiguration vor, mit der ein leistungsstarkes MEMS-Mikrofon mit Standard Digital-Audio-Schnittstelle direkt an Blackfin-DSPs angeschlossen werden kann.

Bild 1: Einfacher Anschluss von MEMS-Mikrofonen an einen Blackfin-DSP
Bild 1: Einfacher Anschluss von MEMS-Mikrofonen an einen Blackfin-DSP
(Quelle: Redaktion Elektronikpraxis)

Mit der Schaltung in Bild 1 lassen sich bis zu zwei digitale MEMS-Mikrofone an einen digitalen Signalprozessor (DSP) über eine einzige Datenleitung anschließen. Der in dieser Applikation verwendete Baustein ADMP441 besteht aus einem MEMS-Mikrofonelement und einem I2S-Ausgang.

Damit lassen sich Stereomikrofone in einem Audiosystem ohne Codec zwischen den Mikrofonen und dem Prozessor anschließen. MEMS-Mikrofone von Analog Devices haben ein hohes SNR (Signal-to-Noise Ratio, Signal-Rausch-Verhältnis) und einen flachen Empfindlichkeitsverlauf über ein breites Frequenzband. Sie eignen sich damit für leistungsstarke Anwendungen mit hoher Audioqualität.

In diesem Beispiel können bis zu zwei Mikrofone des Typs ADMP441 an eine einzige Datenleitung am Blackfin-Prozessor ADSP-BF527 angeschlossen werden. Der ADSP-BF527 kann bis zu vier seriellen Dateneingängen handhaben. Es lassen sich also bis zu acht Mikrofone an einen einzigen DSP anschließen.

 

Schaltungsbeschreibung

Die Mikrofone sind an die SPORT-Dateneingangspins des ADSP-BF527 angeschlossen. Die einzigen erforderlichen passiven Komponenten in dieser Schaltung sind ein 0,1μF-Entstörkondensator für jeden ADMP441 und ein großer Pull-Down-Widerstand (100 kΩ) an der SD-Leitung zum Entladen, während die Ausgangstreiber des ADMP441 im „Tristate“-Zustand sind. Der Entstörkondensator sollte sich so nahe wie möglich am VDD Pin (Pin 7) des ADMP441 befinden.

Die Mikrofone versorgt man mit derselben Spannungsquelle wie den ADSP-BF527. Obwohl der ADMP441 mit einer VDD zwischen 1,8 und 3,3 V arbeitet, beträgt VDDEXT am ADSP-BF527 mindestens 2,25 V.

 

Es gibt drei Signale, die zwischen ADMP441 und ADSP-BF527 für den I2S-Datenstrom verbunden werden müssen: „Frame Clock“, „Bit Clock“ und “Data“. Der ADSP-BF527 ist der Systemtakt-Master und erzeugt die zwei I2S-Taktsignale.

Die Schaltung in Bild 1 zeigt Mikrofone, die an einen Dateneingang am SPORT0 des Blackfin angeschlossen sind. Jeder der beiden SPORTs des ADSP-BF527 hat zwei Sätze Datenempfangspins, die bis zu acht I2S-Audio-In Kanäle ermöglichen. Tabelle 1 zeigt die Verbindungen, wenn der serielle SPORT0 des ADSP-BF527 verwendet wird.

 

Tabelle 1: Signalverbindungen für SPORT0 Tabelle 1: Signalverbindungen für SPORT0

Der L/R-Pin an den zwei ADMP441s wird auf entgegengesetzte Pegel gesetzt – einen auf VDD und den anderen auf GND. Liegt „L/R“ an „GND“, gibt das Mikrofon seine Daten auf dem linken Kanal des I2S-Streams aus. Anderenfalls (an Vdd) gibt das Mikrofon das Signal auf dem rechten Kanal aus.

Der ADMP441 wird aktiviert, indem man den CHIPEN-Pin auf „High“-Potenzial bringt. Dieser Pin kann entweder direkt an VDD des Mikrofons gelegt werden. Dann ist das Mikrofon stets aktiviert, während es eingeschaltet ist. Alternativ kann er mit einem GPIO am ADSP-BF527 verbunden werden. Auf diese Weise aktiviert oder deaktiviert der Blackfin das Mikrofon.

Der ADMP441 hat eine Empfindlichkeit von −26 dBFS. In den meisten Anwendungen verlangen die Mikrofonausgänge eine Verstärkung im Signalpfad des Blackfin. Falls eine Verstärkung zum Signal im DSP hinzugefügt wird, muss der Ausgang des Prozessors weiterhin auf 0 dBFS begrenzt werden.

ADSP-BF527 Register-Einstellungen

Die SPORT-Register-Einstellungen, um den ADSP-BF527 in I2S-Master-Mode zu bringen, werden im Folgenden beschrieben. Weitere Details zu diesen Register-Einstellungen findet man in der ADSP-BF52x Blackfin Processor Hardware Reference.

Man konfiguriere SPORT_RCR1, das primäre Konfigurationsregister für den Empfang, mit den folgenden nicht voreingestellten Einstellungen:

  • RCKFE: Treibt die interne Frame Synchronisation an der fallenden Flanke von RSCLK
  • RFSR: RFS für jedes Datenwort verlangen
  • IRFS: Internes RFS verwenden
  • IRSCLK: Internen Empfangstakt auswählen

Man konfiguriere SPORT_RCR2, das sekundäre Konfigurationsregister für den Empfang, mit den folgenden nicht voreingestellten Einstellungen:

  • RSFSE: Empfang von Stereo Frame Sync aktiviert
  • SLEN: 32 Bit Wortlänge.

SPORT_RCLKDIV (serieller SPORT Taktfrequenzteiler) setzt man auf 17 (0x0011) und SPORT_RFSDIV auf 31 (0x001F). Dies legt die richtigen Taktfrequenzen für einen Frame-Takt von 48 kHz und einen Bit-Takt von 3,072 MHz mit einem Systemtakt des Blackfins von 120 MHz (SCLK) fest.

Die beschriebenen Register-Einstellungen können für SPORT0 oder SPORT1 am ADSP-BF527 verwendet werden.

Übliche Schaltungsvarianten

DSP

Diese Schaltung kann außer mit dem ADSP-BF527 auch mit anderen Mitgliedern aus der Blackfin-Familie aufgebaut werden. Die jeweiligen Datenblätter enthalten Einzelheiten zu den Unterschieden in der Zahl von SPORT-Kanälen und anderen Varianten.

Mikrofone

Indem man eines der Mikrofone entfernt, kann eine Mono-Mikrofonschaltung mit einem einzigen ADMP441 realisiert werden. Die anderen Verbindungen in dieser Mono-Konfiguration bleiben gleich.

Zusätzliche Mikrofone können auf die gleiche Weise wie das erste Stereopaar an die SPORT-Eingänge des ADSP-BF527 angeschlossen werden.

Schaltungsevaluierung und Test

Die einfachste Möglichkeit zur Evaluierung eines Systems mit dem ADMP441 MEMS-Mikrofon, das über I2S an den ADSP-BF527 Blackfin-DSP angeschlossen ist, besteht im Einsatz des EVAL-ADMP441Z Evaluation Boards und dem Blackfin SDP. Diese Boards sind aufeinander abgestimmt und enthalten Code als Basis der digitalen Audioverbindung. Beim Anschluss an den USB-Port eines PCs wird das System als Standard-USB-Audio-Schnittstelle identifiziert und ermöglicht das Streaming von Stereo-Audio von den Mikrofonen zum PC.

Erforderliche Ausrüstung

Die zwei erforderlichen Evaluation-Kits sind: VAL-ADMP441Z mit einem EVAL-ADMP441Z-FLEX Board und einer Schnittstellenkarte und EVAL-SDP-CB1Z mit SDP-B Controller-Board.

Für den richtigen Betrieb des SDP-Boards muss der PC folgende Minimalkonfiguration aufweisen: Windows XP Service Pack 2, Windows Vista (32 Bit) oder Windows 7 (32 Bit) sowie USB 2.0-Port.

Ein zweites EVAL-ADMP441Z-FLEX kann an das Interface-Board angeschlossen werden, um Stereo-Audio-Signale zu erfassen.

Schneller Einstieg

Das Mikrofon FLEX PCBs ist mit ZIF-Steckern, J1 und J2, an das Schnittstellenboard angeschlossen. Das EVAL-ADMP441Z ist mit einem 120-poligen Stecker, J3, an das SDP-B angeschlossen.

Die Dokumentation für das SDP-B Controller-Board und EVAL-ADMP441Z beschreibt das System-Setup und enthält das komplette Blockschaltbild des Boards. Die einzigen erforderlichen externen Verbindungen sind die USB-Verbindung zum PC und System-Versorgung zum ADMP441-Evaluation-Board.

Die komplette Dokumentation für das Evaluation-Board EVAL-ADMP441Z findet man im User Guide UG-362. Die komplette Dokumentation für das SDP-B Controller-Board findet man im SDP-B User Guide UG-277. // * * Jerad Lewis ist Applikationsingenieur MEMS-Mikrophone bei Analog Devices in Norwood, USA.

Über den Autor

 Kristin Rinortner

Kristin Rinortner

ELEKTRONIKPRAXIS - Wissen. Impulse. Kontakte.