引言
微機電系統（MEMS）技術(shù)已在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）行業(yè)得到廣泛應用，可幫助實(shí)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(jìn)行交互的方式。得益于這項創(chuàng )新技術(shù)，并伴隨數字視聽(tīng)通信設備變得越來(lái)越普及和越來(lái)越可靠，人們用在敲擊鍵盤(pán)，移動(dòng)定點(diǎn)設備或操作開(kāi)關(guān)上的時(shí)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(yǔ)音的應用提供更廣泛的可能性，能夠實(shí)現入侵者警報、智能揚聲器、車(chē)內控制系統等設計。隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域成本和上市時(shí)間的壓力不斷增大，現成可用的高質(zhì)量數字技術(shù)對基于語(yǔ)音的設備開(kāi)發(fā)至關(guān)重要。但是，由于市場(chǎng)最近關(guān)注的重點(diǎn)放在多媒體技術(shù)，因此語(yǔ)音技術(shù)已被忽略，導致缺少適用于MEMS麥克風(fēng)的接口器件。
在本文中，我們將看到，隨著(zhù)開(kāi)發(fā)廠(chǎng)商努力尋求利用MEMS麥克風(fēng)技術(shù)帶來(lái)的巨大機遇，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(gè)術(shù)語(yǔ)也涵蓋微制造工藝，涉及在微觀(guān)尺度內實(shí)現機械部件的移動(dòng)。通過(guò)將電氣和機械組件集成到單個(gè)芯片，MEMS技術(shù)可用于生產(chǎn)微型機電傳感器，其尺寸從幾個(gè)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(shí)現大批量生產(chǎn)，從而具有更好的規模經(jīng)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(lián)網(wǎng)領(lǐng)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(jìn)行摻雜以提供導電性，并且在制造過(guò)程中不需要其他材料，傳統上這種技術(shù)是MEMS傳感器中最受歡迎的類(lèi)型。圖1所示為一個(gè)數字MEMS麥克風(fēng)的功能框圖。傳感器元件包含一個(gè)可移動(dòng)的膜片和一個(gè)固定的背板（backplate），它們之間的電容隨著(zhù)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(jìn)制數字信號。
圖1：MEMS麥克風(fēng)功能框圖。
盡管MEMS麥克風(fēng)可提供模擬和數字輸出，但常見(jiàn)的更直接，更方便的是采用數字接口來(lái)設計和實(shí)現解決方案，從而導致數字MEMS麥克風(fēng)在市場(chǎng)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。數字MEMS麥克風(fēng)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(chǎn)生高度過(guò)采樣的單位（single-bit）數據流作為輸出。PDM還具有其它優(yōu)勢，可以使兩個(gè)數字麥克風(fēng)共享同一公共時(shí)鐘和數據線(xiàn)，每個(gè)麥克風(fēng)都配置為在時(shí)鐘信號的不同時(shí)沿產(chǎn)生其輸出。
數字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(zhù)越來(lái)越多的現代智能手機和其他智能設備能夠處理語(yǔ)言和語(yǔ)音指令，對高質(zhì)量，緊湊型聲音技術(shù)（包括麥克風(fēng)）的需求呈現出強勁增長(cháng)態(tài)勢。除智能手機之外，MEMS麥克風(fēng)也用于耳機、筆記本電腦和助聽(tīng)器、以及越來(lái)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(wù)機器人等家用電器。
麥克風(fēng)本身在智能設備中的價(jià)值有限，最終其輸出信號必須經(jīng)過(guò)進(jìn)一步處理才能被系統控制器分析，因此具體應用的開(kāi)發(fā)人員必須選擇合適的接口器件。
下一代語(yǔ)音編解碼器
與麥克風(fēng)的接口長(cháng)期以來(lái)一直由語(yǔ)音編解碼器實(shí)現，但傳統的編解碼器被設計為與駐極體麥克風(fēng)兼容，而不兼容現代數字MEMS麥克風(fēng)。之前的語(yǔ)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轉換為PCM格式以便進(jìn)一步處理。此外，在包括揚聲器和麥克風(fēng)陣列在內的許多應用中，具有更高效率的D類(lèi)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(huà)和平板電腦市場(chǎng)興起的推動(dòng)下，最近業(yè)界關(guān)注的編解碼器開(kāi)發(fā)優(yōu)先考慮多媒體應用，這些器件并非是專(zhuān)門(mén)針對語(yǔ)音應用要求而開(kāi)發(fā)的解決方案。因而，這種情況導致出現了最新語(yǔ)音編解碼器市場(chǎng)的空白，可能使應用開(kāi)發(fā)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(jīng)意識到市場(chǎng)對下一代語(yǔ)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(yǔ)音編解碼器的一個(gè)典型示例是CML Microcircuits的CMX655D，如圖2所示。CMX655D是一款超低功耗語(yǔ)音編解碼器，它支持最新的MEMS麥克風(fēng)技術(shù)，專(zhuān)為始終在線(xiàn)的數字語(yǔ)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(tīng)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(huà)（300Hz～3.4kHz）和高清語(yǔ)音（50Hz～7kHz）的常用帶寬，以及50Hz～20kHz的全音頻模式。
此外，通過(guò)與兩個(gè)麥克風(fēng)同時(shí)連接，并在整個(gè)設備上保持相同的兩條路徑相位匹配，該器件還能夠實(shí)現外部噪聲消除。CMX655D封裝還包括一個(gè)集成式高效D類(lèi)揚聲器驅動(dòng)器，可提供高達1W的輸出。包括通用DSP在內的其他同類(lèi)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(yǔ)音編解碼器簡(jiǎn)化功能框圖。
通過(guò)選擇諸如CM655D之類(lèi)的語(yǔ)音編解碼器，開(kāi)發(fā)人員能夠簡(jiǎn)化硬件設計任務(wù)，并可將功能齊全的MEMS麥克風(fēng)系統輕松集成到特定應用。盡管器件的選擇對于降低開(kāi)發(fā)成本和縮短上市時(shí)間至關(guān)重要，但這并不是選擇解決方案時(shí)要考慮的唯一因素。在嘗試集成任何器件時(shí)，開(kāi)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(chǎng)，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)濟性。
開(kāi)源開(kāi)發(fā)工具包
許多制造商都在提供定制的硬件和軟件開(kāi)發(fā)套件來(lái)支持其設備，但是，由于縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間和降低成本在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域極其重要，因此開(kāi)發(fā)人員越來(lái)越多地選擇開(kāi)源方案。在這種情況下，諸如Raspberry Pi（RPi）之類(lèi)的系統已經(jīng)不再局限于開(kāi)發(fā)愛(ài)好者和教育領(lǐng)域，進(jìn)而成為專(zhuān)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基礎架構（見(jiàn)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(shí)現快速開(kāi)發(fā)、測試和原型制作，從而幫助設計團隊更快地進(jìn)入概念驗證階段。最重要的是，與使用定制開(kāi)發(fā)板和專(zhuān)有軟件的方案相比，這種方法可大大降低成本，并且為將來(lái)的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)奠定堅實(shí)基礎。
圖3：CML Microcircuits的EV6550DHAT可添加板。
隨著(zhù)CMX655D的發(fā)布，CML Microcircuits已選擇遵循這種開(kāi)源技術(shù)途徑。通過(guò)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社區可以輕松使用該新器件。此外，由于認識到開(kāi)發(fā)人員不可能花很多時(shí)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(dòng)程序。這種低級別驅動(dòng)程序可使開(kāi)發(fā)環(huán)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(gè)抽象級別，從而極大地簡(jiǎn)化涉及聲音的應用開(kāi)發(fā)。
結論
MEMS技術(shù)正在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域得到廣泛應用，可以針對各種應用場(chǎng)景實(shí)現批量生產(chǎn)的低成本傳感器。數字MEMS麥克風(fēng)是MEMS技術(shù)的一個(gè)典型示例，采用數字MEMS麥克風(fēng)技術(shù)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(lǐng)域實(shí)現高質(zhì)量音頻應用。
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(guò)使這些器件支持RPi和ALSA等開(kāi)源開(kāi)發(fā)工具軟件框架，CML Microcircuits等創(chuàng )新制造商正在幫助客戶(hù)降低開(kāi)發(fā)成本，加快產(chǎn)品上市速度。
（作者：CML Microcircuits無(wú)線(xiàn)語(yǔ)音和數據產(chǎn)品經(jīng)理David Brooke） |
