引言

 

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)已在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，可幫助實(shí)現(xiàn)各種微型、低功耗傳感器，這些傳感器也正在改變我們與設(shè)備進(jìn)行交互的方式。得益于這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，并伴隨數(shù)字視聽通信設(shè)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(diǎn)設(shè)備或操作開關(guān)上的時間也大幅減少。

 

在物聯(lián)網(wǎng)中的MEMS傳感器中，以MEMS麥克風(fēng)最為突出，它可為基于語音的應(yīng)用提供更廣泛的可能性，能夠?qū)崿F(xiàn)入侵者警報、智能揚(yáng)聲器、車內(nèi)控制系統(tǒng)等設(shè)計。隨著物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域成本和上市時間的壓力不斷增大，現(xiàn)成可用的高質(zhì)量數(shù)字技術(shù)對基于語音的設(shè)備開發(fā)至關(guān)重要。但是，由于市場最近關(guān)注的重點(diǎn)放在多媒體技術(shù)，因此語音技術(shù)已被忽略，導(dǎo)致缺少適用于MEMS麥克風(fēng)的接口器件。

 

在本文中，我們將看到，隨著開發(fā)廠商努力尋求利用MEMS麥克風(fēng)技術(shù)帶來的巨大機(jī)遇，MEMS麥克風(fēng)接口器件的短缺情況正在發(fā)生改變。

 

MEMS技術(shù)

 

MEMS這個術(shù)語也涵蓋微制造工藝，涉及在微觀尺度內(nèi)實(shí)現(xiàn)機(jī)械部件的移動。通過將電氣和機(jī)械組件集成到單個芯片，MEMS技術(shù)可用于生產(chǎn)微型機(jī)電傳感器，其尺寸從幾個微米到毫米級。

 

與傳統(tǒng)的機(jī)械傳感器相比，MEMS傳感器很容易實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，從而具有更好的規(guī)模經(jīng)濟(jì)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(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。如今，在我們所有人都隨身攜帶的智能手機(jī)、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(jī)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(dǎo)（Electrostatic transduction）涉及可變的電容，由于可以對微加工的硅進(jìn)行摻雜以提供導(dǎo)電性，并且在制造過程中不需要其他材料，傳統(tǒng)上這種技術(shù)是MEMS傳感器中最受歡迎的類型。圖1所示為一個數(shù)字MEMS麥克風(fēng)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(dǎo)致膜片彎曲度變化。板載放大器將該電容轉(zhuǎn)換為電信號，然后由ADC轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)字信號。

盡管MEMS麥克風(fēng)可提供模擬和數(shù)字輸出，但常見的更直接，更方便的是采用數(shù)字接口來設(shè)計和實(shí)現(xiàn)解決方案，從而導(dǎo)致數(shù)字MEMS麥克風(fēng)在市場上更受歡迎。尤其是需要在惡劣或嘈雜電磁環(huán)境中工作的系統(tǒng)。數(shù)字MEMS麥克風(fēng)采用脈沖密度調(diào)制（PDM）方式，受噪聲和串?dāng)_影響相對較小，能夠產(chǎn)生高度過采樣的單位（single-bit）數(shù)據(jù)流作為輸出。PDM還具有其它優(yōu)勢，可以使兩個數(shù)字麥克風(fēng)共享同一公共時鐘和數(shù)據(jù)線，每個麥克風(fēng)都配置為在時鐘信號的不同時沿產(chǎn)生其輸出。

 

數(shù)字MEMS麥克風(fēng)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(xiàn)代智能手機(jī)和其他智能設(shè)備能夠處理語言和語音指令，對高質(zhì)量，緊湊型聲音技術(shù)（包括麥克風(fēng)）的需求呈現(xiàn)出強(qiáng)勁增長態(tài)勢。除智能手機(jī)之外，MEMS麥克風(fēng)也用于耳機(jī)、筆記本電腦和助聽器、以及越來越多的IoT設(shè)備等設(shè)計，如可穿戴設(shè)備、遠(yuǎn)程控制設(shè)備以及冰箱、空調(diào)和服務(wù)機(jī)器人等家用電器。

 

麥克風(fēng)本身在智能設(shè)備中的價值有限，最終其輸出信號必須經(jīng)過進(jìn)一步處理才能被系統(tǒng)控制器分析，因此具體應(yīng)用的開發(fā)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(fēng)的接口長期以來一直由語音編解碼器實(shí)現(xiàn)，但傳統(tǒng)的編解碼器被設(shè)計為與駐極體麥克風(fēng)兼容，而不兼容現(xiàn)代數(shù)字MEMS麥克風(fēng)。之前的語音編解碼器缺少與MEMS麥克風(fēng)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(zhuǎn)換為PCM格式以便進(jìn)一步處理。此外，在包括揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)陣列在內(nèi)的許多應(yīng)用中，具有更高效率的D類放大器已成為任何MEMS麥克風(fēng)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(yè)界關(guān)注的編解碼器開發(fā)優(yōu)先考慮多媒體應(yīng)用，這些器件并非是專門針對語音應(yīng)用要求而開發(fā)的解決方案。因而，這種情況導(dǎo)致出現(xiàn)了最新語音編解碼器市場的空白，可能使應(yīng)用開發(fā)人員必須在現(xiàn)有器件基礎(chǔ)上添加額外的電路。

 

幸運(yùn)的是，一些元器件制造商已經(jīng)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(shè)備適應(yīng)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(fēng)技術(shù)，專為始終在線的數(shù)字語音應(yīng)用而設(shè)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(shè)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(fēng)同時連接，并在整個設(shè)備上保持相同的兩條路徑相位匹配，該器件還能夠?qū)崿F(xiàn)外部噪聲消除。CMX655D封裝還包括一個集成式高效D類揚(yáng)聲器驅(qū)動器，可提供高達(dá)1W的輸出。包括通用DSP在內(nèi)的其他同類器件通常不提供該項(xiàng)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(fā)人員能夠簡化硬件設(shè)計任務(wù)，并可將功能齊全的MEMS麥克風(fēng)系統(tǒng)輕松集成到特定應(yīng)用。盡管器件的選擇對于降低開發(fā)成本和縮短上市時間至關(guān)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(fā)環(huán)境是非常關(guān)鍵的因素，尤其在競爭激烈的物聯(lián)網(wǎng)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(jīng)濟(jì)性。

 

開源開發(fā)工具包

 

許多制造商都在提供定制的硬件和軟件開發(fā)套件來支持其設(shè)備，但是，由于縮短開發(fā)時間和降低成本在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域極其重要，因此開發(fā)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(tǒng)已經(jīng)不再局限于開發(fā)愛好者和教育領(lǐng)域，進(jìn)而成為專業(yè)工程師的實(shí)用工具。

 

2014年發(fā)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(chǔ)架構(gòu)（見圖3所示）。這項(xiàng)強(qiáng)大的功能，再加上RPi基于Linux的操作系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)快速開發(fā)、測試和原型制作，從而幫助設(shè)計團(tuán)隊(duì)更快地進(jìn)入概念驗(yàn)證階段。最重要的是，與使用定制開發(fā)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(jìn)一步開發(fā)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

 

圖3：CML Microcircuits的EV6550DHAT可添加板。

 

隨著CMX655D的發(fā)布，CML Microcircuits已選擇遵循這種開源技術(shù)途徑。通過為HAT格式的CMX655D編解碼器解決方案創(chuàng)建EV6550DHAT評估板，CML Microcircuits能夠使Raspberry Pi社區(qū)可以輕松使用該新器件。此外，由于認(rèn)識到開發(fā)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(yīng)用，CML Microcircuits還為CMX655D-RPi配置提供了Linux驅(qū)動程序。這種低級別驅(qū)動程序可使開發(fā)環(huán)境適合于任何音頻應(yīng)用，并遵循標(biāo)準(zhǔn)高級Linux聲音體系架構(gòu)（ALSA）接口。ALSA體系架構(gòu)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(yīng)用開發(fā)。

 

結(jié)論

 

MEMS技術(shù)正在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，可以針對各種應(yīng)用場景實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)的低成本傳感器。數(shù)字MEMS麥克風(fēng)是MEMS技術(shù)的一個典型示例，采用數(shù)字MEMS麥克風(fēng)技術(shù)能夠完成全新的人機(jī)交互，從而可以在智能手機(jī)、智能揚(yáng)聲器、可穿戴設(shè)備等許多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量音頻應(yīng)用。

 

新一代編解碼器支持MEMS麥克風(fēng)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(fā)工具軟件框架，CML Microcircuits等創(chuàng)新制造商正在幫助客戶降低開發(fā)成本，加快產(chǎn)品上市速度。