工程師筆記|DFSDM時(shí)鐘配置問題

1.引言

DFSDM 全稱為 Digital filter for sigma delta modulators。顧名思義，其作用主要是對外部 Σ?調(diào)制的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波。STM32L462xx 系列支持最多 4 個(gè)外部串行通道，2 個(gè)數(shù)字濾波器，最大可達(dá)到 24bit 的 ADC 分辨率。并且支持 SPI 接口和曼切斯特編碼 1-wire接口。

2.問題分析

客戶使用 STM32L462xx 的 DFSDM 連接數(shù)字麥克風(fēng)，將麥克風(fēng)的 PDM 信號(hào)轉(zhuǎn)化為 PCM 信號(hào)，并采集數(shù)據(jù)。使用的參數(shù)為 16KHz 采樣，2M 左右的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)數(shù)字麥克風(fēng)，能夠正常讀取麥克風(fēng)數(shù)據(jù)。了解到他們所使用的數(shù)字麥克風(fēng)可以使用 768K 時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，從而達(dá)到更低功耗的狀態(tài)，但是客戶無法配置出合適的時(shí)鐘，即使勉強(qiáng)配置到了768K 附近，通過 DFSDM 采集到的數(shù)據(jù)也是混亂的，完全無法解析。

了解到基本需求后，我們需要對 DFSDM 的時(shí)鐘有一定了解。從 RM0394 參考手冊中可以找到如下內(nèi)容：

DFSDM 可以提供一個(gè)時(shí)鐘用于驅(qū)動(dòng)外部 sigma delta 調(diào)制器，并且時(shí)鐘來源可以是DFSDM 時(shí)鐘或者 Audio 時(shí)鐘，其中 Audio 時(shí)鐘就是 SAI1 的時(shí)鐘。

在處理和時(shí)鐘相關(guān)的配置問題時(shí)，強(qiáng)烈建議使用 CubeMX 的時(shí)鐘配置界面進(jìn)行配置。我們先來看下客戶用于驅(qū)動(dòng)外部數(shù)字麥克風(fēng)的時(shí)鐘配置。

從圖中可以看出，DFSDM 的時(shí)鐘為 36MHz，來自 PCLK2。SAI1 的時(shí)鐘約為 34.29MHz來自 PLLSAI1P。

這是關(guān)于 DFSDM 輸出時(shí)鐘的代碼片段，可以看到使用了 AUDIO 的時(shí)鐘作為輸出，并且使用 17 分頻，那么最終驅(qū)動(dòng)數(shù)字麥克風(fēng)的時(shí)鐘為 34.29/17≈2.02MHz。

再來看看濾波器部分參數(shù)的設(shè)計(jì)：

其中，使用了 4 階 SINC 濾波，過采樣參數(shù)為 128，那么 2.02MHz/128≈16KHz。也就是說這種配置參數(shù)下，可以接近 16KHz 的采樣率來對音頻數(shù)據(jù)采樣。

客戶想要將麥克風(fēng)驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘重新配置為 768K，但只考慮修改 Divider 和 Oversampling 參數(shù)是配置不出來的。

3.問題解決

我們可以反過來推，要想獲得 16KHz 采樣率，768KHz 的時(shí)鐘，首先需要滿足以下公式：768K/ Oversampling = 16K， 那么 Oversampling=48。Oversampling 這個(gè)參數(shù)是比較好確定的，而 768K 來自于 CLK_SAI1/Divider， 這兩個(gè)參數(shù)目前無法確定，其中 CLK_SAI1 又來自于 PLLSAI1P，它由 PLLSAI1_N, PLLSAI1_P 兩個(gè)系數(shù)決定。也就是說要想獲得 768K 的時(shí)鐘，需要把這些參數(shù)都配置為合適的值。到這一步，實(shí)際上沒有直接的公式可以求下去了，只能自己測試并調(diào)整，建議可以先將 Divider 定好，然后通過 CLK_SAI1/Divider=768K 就可以求出CLK_SAI1 的值，將這個(gè)值手動(dòng)輸入到 Cubemx 的時(shí)鐘配置界面可以自動(dòng)求出合適的

PLLSAI1_N, PLLSAI1_P 系數(shù)，這樣可以大大減少調(diào)整時(shí)間。如果無法求出合適的值，CubeMX也會(huì)進(jìn)行提示，那么只能重新?lián)Q Divider 來測試了。

最終調(diào)試下來的值如下圖所示：

我選擇的 Divider=50，那么可以算出CLK_SAI1=50*768K=38.4MHz，輸入到上圖界面中可以得到 PLLSAI1_N=12, PLLSAI1_P=5。

至此，已經(jīng)可以正確得到 768KHz 的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)麥克風(fēng)了，但是目前仍然無法獲取到準(zhǔn)確的音頻數(shù)據(jù)。

由于前面修改了 Oversampling，該參數(shù)會(huì)影響采樣值。在參考手冊中可以找到下表：

從表中可以看到，之前是 FOSR=128，Sinc4，對應(yīng)的數(shù)值為+/-268435456，但是DFSDM 的數(shù)據(jù)寄存器只有 24bit，2^23<268435456 的，也就是說需要進(jìn)行移位，只能以損失精度為代價(jià)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。客戶代碼中有以下配置：

數(shù)據(jù)需要右移 5 位保存到數(shù)據(jù)寄存器，那么現(xiàn)在我們的 FOSR 修改為了 48，對應(yīng)上表可以看到數(shù)值是比較小的，不需要移位處理，所以改為：

到這里，我們需要修改的內(nèi)容就全部結(jié)束了。將這些修改內(nèi)容通知客戶，讓其進(jìn)行測試，測試結(jié)果也比較滿意。

DFSDM 在數(shù)字音頻應(yīng)用中比較常見，主要用于將數(shù)字麥克風(fēng)的 PDM 信號(hào)轉(zhuǎn)換為PCM 信號(hào)，如果沒有DFSDM 外設(shè)，就只能使用軟件庫進(jìn)行轉(zhuǎn)化，效率比較低。當(dāng)然，也可以用于一些模擬信號(hào)的采集，需要外部 Sigma Delta 調(diào)制器調(diào)制好之后再進(jìn)行濾波，這樣得到的 ADC 精度要比通用的 ADC 精度更高，在要求高精度 ADC 的場合，不失為一種較好的方案。