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引言

 

微機電系統（MEMS）技術已在物聯網（IoT）行業得到廣泛應用，可幫助實現各種微型、低功耗傳感器，這些傳感器也正在改變我們與設備進行交互的方式。得益于這項創新技術，并伴隨數字視聽通信設備變得越來越普及和越來越可靠，人們用在敲擊鍵盤，移動定點設備或操作開關上的時間也大幅減少。

 

在物聯網中的MEMS傳感器中，以MEMS麥克風最為突出，它可為基于語音的應用提供更廣泛的可能性，能夠實現入侵者警報、智能揚聲器、車內控制系統等設計。隨著物聯網領域成本和上市時間的壓力不斷增大，現成可用的高質量數字技術對基于語音的設備開發至關重要。但是，由于市場最近關注的重點放在多媒體技術，因此語音技術已被忽略，導致缺少適用于MEMS麥克風的接口器件。

 

在本文中，我們將看到，隨著開發廠商努力尋求利用MEMS麥克風技術帶來的巨大機遇，MEMS麥克風接口器件的短缺情況正在發生改變。

 

MEMS技術

 

MEMS這個術語也涵蓋微制造工藝，涉及在微觀尺度內實現機械部件的移動。通過將電氣和機械組件集成到單個芯片，MEMS技術可用于生產微型機電傳感器，其尺寸從幾個微米到毫米級。

 

與傳統的機械傳感器相比，MEMS傳感器很容易實現大批量生產，從而具有更好的規模經濟效果，其緊湊的尺寸、大幅降低的功耗和更高的靈敏度使MEMS傳感器得到更廣泛采用，尤其是在物聯網領域。如今，在我們所有人都隨身攜帶的智能手機、智能手表和健身追蹤器中都采用了各種MEMS器件。例如，智能手機中的MEMS陀螺儀重量不到1毫克，其體積不到一粒沙子大小。

 

靜電傳導（Electrostatic transduction）涉及可變的電容，由于可以對微加工的硅進行摻雜以提供導電性，并且在制造過程中不需要其他材料，傳統上這種技術是MEMS傳感器中最受歡迎的類型。圖1所示為一個數字MEMS麥克風的功能框圖。傳感器元件包含一個可移動的膜片和一個固定的背板（backplate），它們之間的電容隨著聲波的氣壓導致膜片彎曲度變化。板載放大器將該電容轉換為電信號，然后由ADC轉換為二進制數字信號。

盡管MEMS麥克風可提供模擬和數字輸出，但常見的更直接，更方便的是采用數字接口來設計和實現解決方案，從而導致數字MEMS麥克風在市場上更受歡迎。尤其是需要在惡劣或嘈雜電磁環境中工作的系統。數字MEMS麥克風采用脈沖密度調制（PDM）方式，受噪聲和串擾影響相對較小，能夠產生高度過采樣的單位（single-bit）數據流作為輸出。PDM還具有其它優勢，可以使兩個數字麥克風共享同一公共時鐘和數據線，每個麥克風都配置為在時鐘信號的不同時沿產生其輸出。

 

數字MEMS麥克風具有更高信噪比（SNR）、更低功耗和更高靈敏度，以及出色的溫度特性，能夠以超小型封裝提供，并與表面安裝組裝工藝完全兼容。

 

隨著越來越多的現代智能手機和其他智能設備能夠處理語言和語音指令，對高質量，緊湊型聲音技術（包括麥克風）的需求呈現出強勁增長態勢。除智能手機之外，MEMS麥克風也用于耳機、筆記本電腦和助聽器、以及越來越多的IoT設備等設計，如可穿戴設備、遠程控制設備以及冰箱、空調和服務機器人等家用電器。

 

麥克風本身在智能設備中的價值有限，最終其輸出信號必須經過進一步處理才能被系統控制器分析，因此具體應用的開發人員必須選擇合適的接口器件。

 

下一代語音編解碼器

 

與麥克風的接口長期以來一直由語音編解碼器實現，但傳統的編解碼器被設計為與駐極體麥克風兼容，而不兼容現代數字MEMS麥克風。之前的語音編解碼器缺少與MEMS麥克風端接所需的許多功能，其中包括抽取濾波（decimation filtering），其作用是將PDM轉換為PCM格式以便進一步處理。此外，在包括揚聲器和麥克風陣列在內的許多應用中，具有更高效率的D類放大器已成為任何MEMS麥克風接口的重要組成部分。

 

在智能電話和平板電腦市場興起的推動下，最近業界關注的編解碼器開發優先考慮多媒體應用，這些器件并非是專門針對語音應用要求而開發的解決方案。因而，這種情況導致出現了最新語音編解碼器市場的空白，可能使應用開發人員必須在現有器件基礎上添加額外的電路。

 

幸運的是，一些元器件制造商已經意識到市場對下一代語音編解碼器的需求，并把更多的功能集成到小型，低成本器件中，且具有與電池供電設備適應的高能效水平。

 

新一代語音編解碼器的一個典型示例是CML Microcircuits的CMX655D，如圖2所示。CMX655D是一款超低功耗語音編解碼器，它支持最新的MEMS麥克風技術，專為始終在線的數字語音應用而設計。CMX655D具有超低功耗，在立體聲錄音模式下通常只消耗500µA的電流，而在低功耗聆聽模式下所消耗的電流則更少，因此非常適合電池供電設備。該芯片支持普通電話（300Hz～3.4kHz）和高清語音（50Hz～7kHz）的常用帶寬，以及50Hz～20kHz的全音頻模式。

 

此外，通過與兩個麥克風同時連接，并在整個設備上保持相同的兩條路徑相位匹配，該器件還能夠實現外部噪聲消除。CMX655D封裝還包括一個集成式高效D類揚聲器驅動器，可提供高達1W的輸出。包括通用DSP在內的其他同類器件通常不提供該項功能，因此需要額外的外部IC。

 

圖2：CMX655D語音編解碼器簡化功能框圖。

 

通過選擇諸如CM655D之類的語音編解碼器，開發人員能夠簡化硬件設計任務，并可將功能齊全的MEMS麥克風系統輕松集成到特定應用。盡管器件的選擇對于降低開發成本和縮短上市時間至關重要，但這并不是選擇解決方案時要考慮的唯一因素。在嘗試集成任何器件時，開發環境是非常關鍵的因素，尤其在競爭激烈的物聯網市場，器件的選擇在很大程度上需要考慮支持工具套件的功能、易用性和經濟性。

 

開源開發工具包

 

許多制造商都在提供定制的硬件和軟件開發套件來支持其設備，但是，由于縮短開發時間和降低成本在物聯網領域極其重要，因此開發人員越來越多地選擇開源方案。在這種情況下，諸如Raspberry Pi（RPi）之類的系統已經不再局限于開發愛好者和教育領域，進而成為專業工程師的實用工具。

 

2014年發布的RPi Model B+引入了頂部硬件連接（HAT）接口，從而使第三方硬件更容易直接嵌入RPi基礎架構（見圖3所示）。這項強大的功能，再加上RPi基于Linux的操作系統，可實現快速開發、測試和原型制作，從而幫助設計團隊更快地進入概念驗證階段。最重要的是，與使用定制開發板和專有軟件的方案相比，這種方法可大大降低成本，并且為將來的進一步開發奠定堅實基礎。

 

圖3：CML Microcircuits的EV6550DHAT可添加板。

 

隨著CMX655D的發布，CML Microcircuits已選擇遵循這種開源技術途徑。通過為HAT格式的CMX655D編解碼器解決方案創建EV6550DHAT評估板，CML Microcircuits能夠使Raspberry Pi社區可以輕松使用該新器件。此外，由于認識到開發人員不可能花很多時間去獲取所需的知識，之后再將音頻功能成功集成到具體應用，CML Microcircuits還為CMX655D-RPi配置提供了Linux驅動程序。這種低級別驅動程序可使開發環境適合于任何音頻應用，并遵循標準高級Linux聲音體系架構（ALSA）接口。ALSA體系架構具有非常靈活的界面，能夠提供一個抽象級別，從而極大地簡化涉及聲音的應用開發。

 

結論

 

MEMS技術正在物聯網領域得到廣泛應用，可以針對各種應用場景實現批量生產的低成本傳感器。數字MEMS麥克風是MEMS技術的一個典型示例，采用數字MEMS麥克風技術能夠完成全新的人機交互，從而可以在智能手機、智能揚聲器、可穿戴設備等許多領域實現高質量音頻應用。

 

新一代編解碼器支持MEMS麥克風的集成，并將所需的接口功能集成到具有小外形尺寸的低成本、低功耗器件中。通過使這些器件支持RPi和ALSA等開源開發工具軟件框架，CML Microcircuits等創新制造商正在幫助客戶降低開發成本，加快產品上市速度。