Adafruit PDM Microphone Breakout：电子工程师的新宠

在电子设计领域，一款优秀的麦克风对于音频相关项目至关重要。今天，我们要介绍的是 Adafruit PDM Microphone Breakout，这是一款独特的麦克风，为电子工程师带来了新的选择。

文件下载：3492.pdf

一、概述

PDM（脉冲密度调制）MEMS 麦克风是一种相对较新的麦克风类型，它不同于常见的模拟或 I2S 麦克风。在众多产品中，PDM 麦克风被广泛使用，但在创客项目中却较少见到。Adafruit 推出这款 PDM Microphone Breakout，旨在让更多人能体验到它的优势。

特点

1. 无模拟输出：与许多驻极体麦克风组件不同，这款传感器不提供“模拟”输出，这对于没有模拟输入的芯片来说是一个很好的选择。
2. 数字接口简单：其数字接口采用脉冲密度调制输出，既不是 PWM 也不是 I2S。不过，使用时需要确保芯片具有 PDM 接口，现在大多数 32 位处理器都具备这一特性。
3. 类似 1 - 比特 PWM：PDM 有点像 1 - 比特 PWM，需要以 1 MHz - 3 MHz 的时钟速率对麦克风进行时钟控制，在数据线上会输出与时钟同步的方波。数据线输出 0 或 1 的逻辑值，方波的密度经过平均后可得到模拟值。

管理方式

管理这些麦克风有几种方式：

1. 硬件外设和库支持：芯片自带硬件外设和库，能高速管理数据、收集样本、应用滤波器并给出模拟值，这是最理想的情况。
2. 硬件外设但需自行处理：芯片有硬件外设提供值，但需要自己进行抽取/滤波操作。例如在 ATSAMD21 芯片组上就有相关示例代码。
3. 无硬件外设但自行实现：芯片没有硬件外设，但可以通过自己的方法使其工作，如 ATtiny85 的示例。
4. 手动生成时钟并添加滤波：手动生成高速时钟，然后在数据线上添加模拟滤波器，读取模拟值，这是一种可行但稍显“hack”的方法。

产品版本

每个 PDM 麦克风订单都包含一个完全组装和测试好的麦克风。有两种版本可供选择：

1. 带引脚版本：带有一个小引脚，可用于面包板兼容性。
2. 带 JST SH 连接器版本：配备 4 - JST SH 连接器，通过 3V、GND、DAT、CLK 连接，可使用 JST - SH 电缆实现灵活的麦克风布置。板上的焊接跳线可将麦克风从左声道切换到右声道。

二、引脚说明

这款麦克风的引脚非常简单：

1. 3V：电源输入引脚，直接为芯片供电。如果有安静的电源引脚，建议使用。芯片支持 1.8 - 3.3V，但未在 1.8V 下进行测试。
2. GND：电源和数据的接地参考。
3. SEL：左右声道选择。该引脚为高电平时，输出在 CLK 的下降沿被视为“右”声道；为低电平时，输出在上升沿，即“左”声道。
4. CLK：PDM 时钟输入，需要 1 - 3 MHz 的方波。
5. DAT：PDM 数据输出。

三、Arduino 接线与测试

目前，仅针对 SAMD21 芯片组提供了使用 I2S 外设的示例代码。不过，使用 SAMD21 时，引脚选择有限，且数字滤波必须在软件中完成。实际上，对于 SAMD21 来说，模拟麦克风可能会更省心。

可用的 I2S 引脚

对于 Feather M0 / Metro M0 / Arduino Zero 系列，可用的 I2S 引脚如下：

• 时钟引脚：PA10（D1 或 TX）、PB11（SCK）、PA20（D6）
• 数据引脚：PA07（D9）、PA08（D4）、PA19（D12）

安装库

需要从 github 下载最新版本的 ZeroPDM 库并进行常规安装。有两个示例可供选择，一个使用 DMA 功能获取数据，这种方式需要更多的设置，并且需要 ZeroDMA 库；建议从基本示例开始，它会将音频数据回显到 A0（模拟输出），可以连接耳机或示波器到 A0 来听取或查看音频。在上传代码之前，要确保修改实例化器以匹配引脚。

四、CircuitPython 使用

使用 CircuitPython 可以很方便地使用 Adafruit PDM 麦克风扩展板，借助内置的 audiobusio 模块和 PDMIn 类，可以通过 PDM 记录来自麦克风的输入音频信号。

接线

以 Feather M4 Express 为例，不同版本的接线方式如下：

• 引脚版本：Mic 3V 连接到 Feather 3V，Mic GND 连接到 Feather Gnd，Mic CLK 连接到 Feather TX，Mic DAT 连接到 Feather D12。
• JST 版本：Mic 3V（红色线）连接到 Feather 3V，Mic GND（黑色线）连接到 Feather Gnd，Mic DAT（蓝色线）连接到 Feather D12，Mic CLK（黄色线）连接到 Feather TX。

如果使用 Circuit Playground Express，它内置了 PDM 麦克风，有专门的指南页面介绍如何使用。

代码示例

将以下代码保存为 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)

代码中首先导入所需的库，然后定义了两个辅助函数，用于计算平均值和归一化的 RMS 平均值。接着设置麦克风对象和样本变量，开始采集声音样本，计算样本的平均值（即幅度），并将其打印到串行控制台。需要注意的是，Mu 绘图仪需要元组值进行打印，所以打印时要使用正确的格式。

查找有效引脚组合

如果想知道哪些引脚组合支持 PDMIn，可以将以下代码保存为 code.py 到板上，连接到串行控制台查看：

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、下载资源

可以下载以下文件：

1. MP34DT01 - M 数据表
2. GitHub 上的 Fritzing 文件
3. GitHub 上的 3D 模型

Adafruit PDM Microphone Breakout 为电子工程师提供了一个新的音频解决方案。你在使用这款麦克风时遇到过什么问题吗？或者你有什么独特的应用案例，欢迎在评论区分享。