用于驱动外部数字麦克风的时钟配置

1.引言

DFSDM 全称为 Digital filter for sigma delta modulators。顾名思义，其作用主要是对外部 Σ∆调制的数字信号进行滤波。STM32L462xx 系列支持最多 4 个外部串行通道，2 个数字滤波器，最大可达到 24bit 的 ADC 分辨率。并且支持 SPI 接口和曼切斯特编码 1-wire接口。

2.问题分析

客户使用 STM32L462xx 的 DFSDM 连接数字麦克风，将麦克风的 PDM 信号转化为 PCM 信号，并采集数据。使用的参数为 16KHz 采样，2M 左右的时钟驱动数字麦克风，能够正常读取麦克风数据。了解到他们所使用的数字麦克风可以使用 768K 时钟驱动，从而达到更低功耗的状态，但是客户无法配置出合适的时钟，即使勉强配置到了768K 附近，通过 DFSDM 采集到的数据也是混乱的，完全无法解析。

了解到基本需求后，我们需要对 DFSDM 的时钟有一定了解。从 RM0394 参考手册中可以找到如下内容：

DFSDM 可以提供一个时钟用于驱动外部 sigma delta 调制器，并且时钟来源可以是DFSDM 时钟或者 Audio 时钟，其中 Audio 时钟就是 SAI1 的时钟。

在处理和时钟相关的配置问题时，强烈建议使用 CubeMX 的时钟配置界面进行配置。我们先来看下客户用于驱动外部数字麦克风的时钟配置。

从图中可以看出，DFSDM 的时钟为 36MHz，来自 PCLK2。SAI1 的时钟约为 34.29MHz来自 PLLSAI1P。

这是关于 DFSDM 输出时钟的代码片段，可以看到使用了 AUDIO 的时钟作为输出，并且使用 17 分频，那么最终驱动数字麦克风的时钟为 34.29/17≈2.02MHz。

再来看看滤波器部分参数的设计：

其中，使用了 4 阶 SINC 滤波，过采样参数为 128，那么 2.02MHz/128≈16KHz。也就是说这种配置参数下，可以接近 16KHz 的采样率来对音频数据采样。

客户想要将麦克风驱动时钟重新配置为 768K，但只考虑修改 Divider 和 Oversampling 参数是配置不出来的。

3.问题解决

我们可以反过来推，要想获得 16KHz 采样率，768KHz 的时钟，首先需要满足以下公式：768K/ Oversampling = 16K， 那么 Oversampling=48。Oversampling 这个参数是比较好确定的，而 768K 来自于 CLK_SAI1/Divider， 这两个参数目前无法确定，其中 CLK_SAI1 又来自于 PLLSAI1P，它由 PLLSAI1_N, PLLSAI1_P 两个系数决定。也就是说要想获得 768K 的时钟，需要把这些参数都配置为合适的值。到这一步，实际上没有直接的公式可以求下去了，只能自己测试并调整，建议可以先将 Divider 定好，然后通过 CLK_SAI1/Divider=768K 就可以求出CLK_SAI1 的值，将这个值手动输入到 Cubemx 的时钟配置界面可以自动求出合适的

PLLSAI1_N, PLLSAI1_P 系数，这样可以大大减少调整时间。如果无法求出合适的值，CubeMX也会进行提示，那么只能重新换 Divider 来测试了。

最终调试下来的值如下图所示：

我选择的 Divider=50，那么可以算出CLK_SAI1=50*768K=38.4MHz，输入到上图界面中可以得到 PLLSAI1_N=12, PLLSAI1_P=5。

至此，已经可以正确得到 768KHz 的时钟驱动麦克风了，但是目前仍然无法获取到准确的音频数据。

由于前面修改了 Oversampling，该参数会影响采样值。在参考手册中可以找到下表：

从表中可以看到，之前是 FOSR=128，Sinc4，对应的数值为+/-268435456，但是DFSDM 的数据寄存器只有 24bit，2^23<268435456 的，也就是说需要进行移位，只能以损失精度为代价进行转换。客户代码中有以下配置：

数据需要右移 5 位保存到数据寄存器，那么现在我们的 FOSR 修改为了 48，对应上表可以看到数值是比较小的，不需要移位处理，所以改为：

到这里，我们需要修改的内容就全部结束了。将这些修改内容通知客户，让其进行测试，测试结果也比较满意。

小结

DFSDM 在数字音频应用中比较常见，主要用于将数字麦克风的 PDM 信号转换为PCM 信号，如果没有DFSDM 外设，就只能使用软件库进行转化，效率比较低。当然，也可以用于一些模拟信号的采集，需要外部 Sigma Delta 调制器调制好之后再进行滤波，这样得到的 ADC 精度要比通用的 ADC 精度更高，在要求高精度 ADC 的场合，不失为一种较好的方案。