‌基于STEVAL-STWINMA2麦克风阵列扩展板的工业音频传感技术解析

STMicroelectronics STEVAL-STWINMA2麦克风阵列扩展板可为STEVAL-STWINKT1B（和STEVAL-STWINKT1）SensorTile无线工业节点 (STWIN) 套件添加高级传感功能。该扩展板通过专用的12引脚连接器连接到STWIN核心系统板。STEVAL-STWINMA2扩展板包括四个IMP23 ABSU低功耗、高信噪比 (SNR) 高性能、单端、模拟和底部端口MEMS麦克风。该扩展板具有3V至5.5V输入电源范围和板载音频级四通道模数转换器 (ADC)。STEVAL-STWINMA2工业模拟麦克风扩展板还具有高达80kHz超声波频率响应和串行音频接口 (SAI) 数字输出。该扩展非常适合用于工厂自动化和声音传感应用。

数据手册：*附件：STMicroelectronics STEVAL-STWINMA2麦克风阵列扩展板数据手册.pdf

特性

• 通过12引脚连接器连接到STWIN核心系统板
• 电源输入范围：3V至5.5V
• 高达80kHz超声波频率响应
• 4mm方型差分麦克风阵列
• 串行音频接口 (SAI) 数字输出

示意图

基于STEVAL-STWINMA2麦克风阵列扩展板的工业音频传感技术解析‌

一、产品概览与核心特性

STEVAL-STWINMA2是意法半导体专为工业物联网场景设计的麦克风阵列扩展板，通过与STWIN（SensorTile Wireless Industrial Node）核心系统板组合，构建完整的工业级声学传感解决方案。其核心特性包括：

1. ‌高性能麦克风阵列‌
   • 集成4颗IMP23ABSU模拟MEMS麦克风，采用底部进声孔设计
   • 频率响应范围覆盖至80kHz，支持超声波分析应用
   • 单端输出结构，信噪比(SNR)表现优异
2. ‌专业级信号链设计‌
   • 板载音频级四通道ADC（ADAU1978）
   • 支持串行音频接口(SAI)数字输出
   • 集成LDK130低压差线性稳压器，静态电流仅300μA
3. ‌工业场景适配特性‌
   • 工作电压范围3V-5.5V，适合电池供电场景
   • 通过12针专用连接器与STWIN主板连接
   • 默认采样率192kHz，满足高频振动监测需求

二、硬件架构深度解析

1. 麦克风阵列布局

• ‌空间配置‌：4颗麦克风呈4mm×4mm正方形分布，形成紧凑的差分阵列
• ‌信号路径‌：每颗麦克风输出经过100nF耦合电容接入ADC前端
• 供电设计：每通道配备1μF+100nF去耦电容组合，确保电源纯净度

2. 电源管理子系统

• ‌稳压电路‌：LDK130M-R LDO提供3.3V稳定输出
• ‌输入保护‌：支持3.3V-5.5V宽电压输入，通过0Ω电阻选择供电模式
• ‌功耗优化‌：低静态电流设计特别适合长期监测应用

3. 模数转换模块

• ‌ADC选型‌：ADAU1978专业音频ADC，支持4通道同步采样
• ‌参考电压‌：独立VREF引脚配置39nF滤波电容
• ‌时钟系统‌：专用PLL滤波电路（PLL_FILT引脚）

三、典型应用场景实践

1. 预测性维护系统

• ‌超声波检测‌：利用80kHz带宽捕捉轴承早期故障特征
• ‌频谱分析‌：通过UltrasoundFFT算法实时计算FFT并传输至PC端GUI
• ‌部署案例‌：工业电机、齿轮箱、压缩机等旋转设备状态监测

2. 工业环境声学感知

• ‌异常声音识别‌：产线设备异常运行声纹检测
• ‌声音定位‌：基于阵列相位差的声源定位
• ‌质量检测‌：产品装配过程中的异响检测

四、软件开发与系统集成

1. 软件生态系统

• ‌官方支持‌：X-CUBE-MEMSMIC1扩展包（STM32Cube框架）
• ‌示例程序‌：
  • 麦克风数据流传输（USB接口）
  • 超声波状态监测（实时FFT计算）

2. 硬件接口定义

• ‌连接器CN1‌：包含SAI接口（MCLK/SCK/FS/SD）、I2C总线（SDA/SCL）
• ‌信号映射‌：
  • a1-b1：I2C_SCL | a2-b2：I2C_SDA
  • a3-b3：SAI_SCK | a4-b4：SAI_FS
  • a5-b5：SAI_MCLK | a6-b6：SAI_SD

五、设计要点与工程实践

1. ‌布局建议‌
   • ADC去耦电容应紧靠AVDD1/2/3引脚布置
   • IOVDD电源电容需邻近接口电源引脚
2. ‌热管理考量‌
   • 持续工作时关注LDO温升，确保在允许结温范围内
   • 高采样率运行时评估ADC芯片散热需求
3. ‌信号完整性‌
   • 模拟走线应远离数字信号线
   • 麦克风输入路径保持对称布线

六、技术趋势与发展前景

随着工业4.0推进，基于声学传感的预测性维护需求持续增长。STEVAL-STWINMA2凭借其超声波检测能力和低功耗特性，在以下领域具有拓展潜力：

• 智慧工厂中的设备健康管理系统
• 城市基础设施的智能监控网络
• 新能源设备的在线监测方案