基于USB2.0的MEMS数字麦克风阵列采集系统设计

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。

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(CY7C68013A)，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