使用樹莓派Pico制作USB麥克風(fēng)

MAKER:Sandeep Mistry／譯：趣無盡

簡(jiǎn)介
本指南將教你如何使用樹莓派 Pico 和外部數(shù)字麥克風(fēng)制作屬于自己的 USB 麥克風(fēng)。本項(xiàng)目通過 RP2040 微控制器（MCU）的編程 I/O（PIO）、直接存儲(chǔ)器訪問（DMA）和通用串行總線（USB）功能來實(shí)現(xiàn)。

組件清單

– 樹莓派 Pico
– Adafruit PDM MEMS 麥克風(fēng)拓展板
– 面包板
– 條線若干

關(guān)于 USB

USB 是一種于 1996 年發(fā)布的極其流行的標(biāo)準(zhǔn)，適用于有線計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備，例如鍵盤、鼠標(biāo)、打印機(jī)、掃描儀和麥克風(fēng)等。

樹莓派 Pico 的 RP2040 MCU 具有*“USB 1.1主機(jī)/設(shè)備”*功能，正是因?yàn)檫@個(gè)功能，樹莓派 Pico 既可以連接到現(xiàn)有的 USB 外圍設(shè)備（主機(jī)模式），又可以創(chuàng)建自己的 USB 外圍設(shè)備（設(shè)備模式）。另外，樹莓派 Pico SDK 使用 TinyUSB 庫作為其 USB 軟件堆棧。

Tiny USB 庫是一個(gè)開源的、跨平臺(tái)的嵌入式系統(tǒng) USB 堆棧，支持包括樹莓派 RP2040 在內(nèi)的多種 MCU，同時(shí)還支持設(shè)備和主機(jī)兩種模式。我們可以利用它內(nèi)置的 USB 音頻類支持把樹莓派 Pico 變成 USB 麥克風(fēng)。

選擇麥克風(fēng)

RP2040 MCU 具有內(nèi)置的 4 通道 12 位精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）功能，可用于從外部模擬麥克風(fēng)收集音頻，但我們發(fā)現(xiàn)模擬麥克風(fēng)的音頻包含大量噪音，因此我們改用數(shù)字麥克風(fēng)。

數(shù)字麥克風(fēng)有兩種常用接口：

– PDM
– I2S

雖然 RP2040 沒有自帶這兩種接口的支持，但靈活的可編程 I/O (PIO) 特性使我們能通過軟件創(chuàng)建 PDM 或 I2S 的外圍接口。在本指南中，我們將使用 Adafruit PDM MEMS 麥克風(fēng)拓展板來實(shí)現(xiàn)。為了從麥克風(fēng)獲取數(shù)據(jù)，我們會(huì)利用一個(gè)引腳來生成輸出時(shí)鐘脈沖信號(hào)，并使用另一個(gè)引腳來接收數(shù)據(jù)。

PDM 如何運(yùn)轉(zhuǎn)？

當(dāng) PDM 麥克風(fēng)接收到時(shí)鐘脈沖信號(hào)后，它會(huì)根據(jù)麥克風(fēng)捕獲的模擬音頻值輸出 0 或 1 信號(hào)。為了以每秒 16000 個(gè)樣本（16 kHz）的采樣率捕獲音頻，則必須將 PDM 麥克風(fēng)的時(shí)鐘輸入驅(qū)動(dòng)到 1.024 MHz，然后才可以對(duì) PDM 麥克風(fēng)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行過濾和降采樣。對(duì)于每個(gè)樣本，系統(tǒng)會(huì)將 64 個(gè)值的 0 或 1 輸出進(jìn)行平均，來創(chuàng)建一個(gè)介于 -32678 和 32767 之間的 16 位值，用于表示該樣本的音頻數(shù)據(jù)。

為了使數(shù)據(jù)更直觀，你可以使用邏輯分析儀（比如 https://www.saleae.com/）來查看 PDM CLK 和 DAT 信號(hào)。

處理流程

系統(tǒng)將執(zhí)行以下操作：

1. 使用 PIO 在 PDM 麥克風(fēng)中生成 1.024 MHz 時(shí)鐘信號(hào)。
2. 在每個(gè)時(shí)鐘周期，使用 PIO 從 PDM 麥克風(fēng)捕獲一次數(shù)字值。
3. DMA 將被配置為捕獲 1 毫秒的音頻，采樣率為 16 kHz，每毫秒生成 16 個(gè)樣本。這 16 個(gè)樣本將由 64 x 16 = 1024 位組成。
4. 收到 16 個(gè)樣本的原始 PDM 數(shù)據(jù)后，它將使用 *OpenPDM2PCM* 庫將 1024 位原始 PDM 數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾并降采樣，生成 16 個(gè) 16 位 https://en.wikipedia.org/wiki/Pulse-code_modulation（PCM）音頻樣本。
5. 最后，將 16 個(gè) PCM 音頻樣本通過 USB 接口發(fā)送到電腦。

硬件設(shè)置

你需要在樹莓派 Pico 和 Adafruit PDM MEMS 麥克風(fēng)拓展版上焊接排針，以便把它們插在面包板上。如果要了解更多關(guān)于焊接排針的細(xì)節(jié)，請(qǐng)參閱 MagPi 網(wǎng)站的 https://magpi.raspberrypi.org/articles/how-to-solder-gpio-pin-headers-to-raspberry-pi-pico 指南。

焊接完這兩個(gè)部分后，把它們放在面包板上，并按以下方式設(shè)置接線：

+---------+-------------------+
| PDM Mic | Raspberry Pi Pico |
|---------+-------------------|
|    3V   |        3V3        |
|---------+-------------------|
|    GND  |        GND        |
|---------+-------------------|
|    SEL  |        GND        |
|---------+-------------------|
|    DAT  |       GPIO2       |
|---------+-------------------|
|    CLK  |       GPIO3       |
+---------+-------------------+

注意：把 PDM Mic. SEL 連接到 GND 接口會(huì)導(dǎo)致它在時(shí)鐘信號(hào)下降（從邏輯電平 1 變?yōu)?0）后輸出新數(shù)據(jù)。

設(shè)置 Pico SDK 開發(fā)環(huán)境

首先，在電腦上安裝樹莓派官方提供的 Pico SDK 和所需的工具鏈。

若要了解更多信息，請(qǐng)參考 https://datasheets.raspberrypi.org/pico/getting-started-with-pico.pdf 手冊(cè)。

該指南的第 2.1 節(jié)適用于所有操作系統(tǒng)，對(duì)于特點(diǎn)的操作系統(tǒng)，參考以下幾個(gè)章節(jié)：

–Linux：第 2.2 節(jié)
–macOS：第 9.1 節(jié)
–Windows：第 9.2 節(jié)

下載并編譯 pico-microphone 庫和示例

設(shè)置環(huán)境變量 PICO_SDK。

export PICO_SDK_PATH=/path/to/pico-sdk

打開終端，克隆源碼并切換到相應(yīng)目錄：

cd ~/ 
git clone https://github.com/sandeepmistry/pico-microphone.git
cd pico-microphone

創(chuàng)建 build 目錄，并切換到相應(yīng)目錄：

mkdir build
cd build

執(zhí)行編譯命令：

make .. -DPICO_BOARD=pico
make

按住開發(fā)板上的 BOOTSEL 按鈕，同時(shí)用 USB 數(shù)據(jù)線把開發(fā)板連到電腦上。

把 examples/usb_microphone/usb_microphone.uf2 文件復(fù)制到樹莓派 Pico 的 ROM 引導(dǎo)磁盤中：

cp -a examples/usb_microphone/usb_microphone.uf2 /Volumes/RPI-RP2/.

不出意外的話，電腦上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)名為 “MicNode” 的新麥克風(fēng)設(shè)備：

錄制音頻數(shù)據(jù)

現(xiàn)在我們已經(jīng)把樹莓派 Pico 開發(fā)板配置為 USB 麥克風(fēng)，只需安裝錄音軟件就能通過 USB 接口獲取音頻數(shù)據(jù)。本文中以 https://www.audacityteam.org/為例。

https://www.audacityteam.org/download/并安裝 Audacity。安裝完成后，打開 Audacity，然后選擇 “MicNode” 作為輸入設(shè)備。

你可以點(diǎn)擊“錄制” 按鈕開始為錄制音頻，并在需要停止時(shí)按下“停止” 按鈕。

總結(jié)

我們使用樹莓派 Pico 和外部 PDM 麥克風(fēng)制作屬于自己的 USB 麥克風(fēng)。本項(xiàng)目中使用了樹莓派 RP2040 的 PIO、DMA 和 USB 硬件特性，以及 OpenPDM2PCM 和 TinyUSB 軟件庫，在 Arm Cortex-M0+ 架構(gòu)的 RP2040 處理器上運(yùn)行。

我們的 USB 麥克風(fēng)從 PDM 麥克風(fēng)捕獲 PDM 音頻數(shù)據(jù)，將 PDM 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為 PCM 格式，然后通過 USB 實(shí)時(shí)將 PCM 數(shù)據(jù)發(fā)送到 PC！

由于USB音頻標(biāo)準(zhǔn)用于樹莓派 Pico板和PC之間的通信，因此PC端不需要定制軟件。

本文通過 USB 將音頻數(shù)據(jù)從樹莓派 Pico 傳輸?shù)诫娔X，但你也可以把 https://github.com/sandeepmistry/pico-microphone 庫與模擬（或 PDM） 麥克風(fēng)搭配使用，并在設(shè)備上執(zhí)行數(shù)字信號(hào)處理 （DSP） ，這樣就可以在沒有電腦的情況下對(duì)開發(fā)板的音頻環(huán)境做出反應(yīng)。