diff --git a/README.md b/README.md new file mode 100644 index 0000000..a9ccf03 --- /dev/null +++ b/README.md @@ -0,0 +1,143 @@ +# Цифровой микрофон SPH9855 на Tang Primer 25K + +Прошивка принимает поток PDM с микрофона SPH9855LM4H-C, приводит его к +**24 бит / 12 500 Гц** и отдаёт отсчёты кадрами по UART. + +MIC_CLK 3.125 МГц -> CIC sinc^4 /50 -> 62.5 кГц -> ФНЧ /5 -> **12 500 Гц** -> +кадры по 50 отсчётов -> UART 921600. + +## Тактирование и частоты + +| Параметр | Значение | Обоснование | +|:--|:--|:--| +| Системный клок | 50 МГц (E2) | генератор платы | +| MIC_CLK | 3.125 МГц = 50/16 | Normal mode микрофона 1.1...4.8 МГц | +| CIC | sinc^4, децимация 50 | до 62.5 кГц, без умножителей | +| ФНЧ | 221 отвод, децимация 5 | до 12 500 Гц | +| Выходная ЧД | 12 500 Гц | | +| UART | 921600, 8N1 | 157 байт на кадр, 250 кадров/с, 39.25 кБ/с (43% канала) | + +Делитель 16 выбран не произвольно: чтобы обойтись без PLL, частота PDM должна +быть 50 МГц / N, а чтобы децимация до 12 500 Гц была целой, N обязан делить +4000. Из подходящих делителей 16 даёт самую высокую частоту в пределах +Normal mode, то есть наибольшее передискретизирование (250). + +## Дециматор + +Двухступенчатый, потому что одного CIC мало: его нули стоят на кратных 12.5 кГц, +и в рабочей полосе он подавил бы сворачиваемые участки только на ~24 дБ. Поэтому +CIC снимает поток до 62.5 кГц, а всю избирательность даёт ФНЧ. + +| Показатель | Значение | +|:--|:--| +| неравномерность полосы 0...5000 Гц | 0.032 дБ | +| подавление от 6250 Гц | 72 дБ | +| подавление сворачиваемых полос | 77 дБ | + +Спад CIC в полосе (до 0.36 дБ на краю) не компенсируется отдельным звеном: +он задан прямо в желаемой АЧХ при расчёте ФНЧ. + +Коэффициенты и разрядности лежат в `src/fir_coefs_pkg.vhd`, файл генерируется: + +```bash +py -3 tools/gen_fir_coefs.py +``` + +## Шкала + +Постоянная `'1'` на выводе данных микрофона даёт полную шкалу 24 бит +(код 8 388 567). Отсюда шкала выхода — dBFS, ровно та, в которой микрофон +специфицирован. Вольт в тракте нет, `V_REF` в приёмных скриптах не нужен. + +## Формат кадра UART + +| Поле | Байт | Описание | +|:--|--:|:--| +| SYNC | 2 | `A5 5A` | +| FRAME_CNT | 2 | uint16 BE, инкремент на кадр | +| STATUS | 1 | бит0 — переполнение FIFO, бит1 — насыщение дециматора | +| DATA | 150 | 50 отсчётов x 24 бита, MSB first | +| CRC16 | 2 | CCITT, poly 0x1021, init 0xFFFF, по FRAME_CNT..DATA | + +SYNC в CRC не входит: он нужен приёмнику для ресинхронизации до того, как тот +начнёт что-либо считать. + +## Распиновка + +| Цепь | Назначение | Пин ПЛИС | +|:--|:--|:--:| +| clk_50m | тактовый генератор платы | E2 | +| uart_tx | UART на внешний мост, ПЛИС -> ПК | G5 | +| led0 | светодиод | E8 | +| MIC_CLK | тактирование микрофона, 3.125 МГц | при разводке | +| MIC_DAT | однобитный поток PDM | при разводке | +| MIC_SEL | вывод SELECT микрофона | при разводке | + +Выводы микрофона в `src/DigMic.cst` закомментированы, номера подставляются при +разводке. Банк 3.3 В, питание микрофона 1.65...3.6 В. + +`MIC_SEL` прошивка держит в `'0'`: микрофон выставляет бит по спаду MIC_CLK, +выборка идёт в середине низкой фазы. Если вывод SELECT посажен на питание +платой, поменять `SEL_HIGH` в `Top.vhd` на `'1'` — точка выборки переедет сама. + +## Состав + +| Файл | Назначение | +|:--|:--| +| `src/Top.vhd` | верхний уровень: только экземпляры и связи | +| `src/pdm_rx.vhd` | тактирование микрофона и выборка бита в нужной фазе | +| `src/cic_decim.vhd` | CIC sinc^4, децимация 50 | +| `src/fir_decim.vhd` | ФНЧ с децимацией 5, последовательная свёртка | +| `src/fir_coefs_pkg.vhd` | коэффициенты ФНЧ, генерируется | +| `src/fifo_top.vhd` | буфер отсчётов, заглушка под IP-ядро Gowin | +| `src/Packets_creator.vhd` | сборка кадра с CRC-16 | +| `src/UART.vhd` | передатчик | +| `src/led_status.vhd` | индикация частотой мигания | +| `src/DigMic.cst` | привязка выводов | +| `tb/pdm_mic_model.vhd` | поведенческая модель PDM-микрофона | +| `tb/tb_top.vhd` | сквозной тест: модель -> ПЛИС -> UART -> разбор кадра | +| `tools/gen_fir_coefs.py` | расчёт коэффициентов ФНЧ | +| `tools/uart_capture.py` | приём кадров, запись `.raw` и `.bin` | +| `tools/uart_live.py` | живой просмотр: осциллограмма, спектр, счётчики | + +## Симуляция (GHDL) + +```bash +mkdir -p build && ghdl -a --std=08 --workdir=build src/fifo_top.vhd src/UART.vhd src/led_status.vhd src/pdm_rx.vhd src/cic_decim.vhd src/fir_coefs_pkg.vhd src/fir_decim.vhd src/Packets_creator.vhd src/Top.vhd tb/pdm_mic_model.vhd tb/tb_top.vhd && ghdl -e --std=08 --workdir=build -o build/tb_top tb_top && build/tb_top --stop-time=400ms +``` + +Модель прогоняет четыре режима. Три из них дают точно вычислимый ответ: +постоянные `'1'` и `'0'` — плюс и минус полная шкала, чередование `1010` — +ровно ноль (эта частота попадает в нуль АЧХ CIC). Четвёртый — синус, у него +проверяется размах. Тракт настраивается около 10 мс, поэтому в каждом режиме +кадры читаются до первого сошедшегося. + +## Запись с железа + +```bash +py -3 tools/uart_capture.py --list +``` + +```bash +py -3 tools/uart_capture.py --port COM5 --seconds 10 --out test1 +``` + +Получаются `test1.raw` (весь поток как пришёл, для отладки канала), +`test1.bin` (только отсчёты, читается `read_24bit_bin()`) и `test1.log`. +Кадр с несошедшейся CRC отбрасывается, пропуск по FRAME_CNT добивается нулями, +чтобы не сдвинулась ось времени. + +## Живой просмотр + +```bash +py -3 tools/uart_live.py --port COM10 +``` + +Осциллограмма в долях шкалы, спектр в dBFS и счётчики кадров в реальном +времени. Управление кнопками внизу окна, те же действия — клавишами `r`, `a`, +`d`, `s`, `f`, выход `q`. + +Запись встроена в просмотр по необходимости: COM-порт держит один процесс, и +запустить `uart_capture.py` на том же порту параллельно нельзя. Разбор кадров у +обоих инструментов общий (`FrameParser` в `uart_capture.py`), так что просмотр +и запись не могут разойтись.