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^3 /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^3, децимация 50	до 62.5 кГц, без умножителей, аккумуляторы 18 бит
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	76 дБ
подавление сворачиваемых полос	92 дБ

Спад CIC в полосе не компенсируется отдельным звеном: он задан прямо в желаемой АЧХ при расчёте ФНЧ, поэтому смена порядка CIC требует только перезапуска генератора коэффициентов.

Порядок 3, а не 4, выбран не из соображений АЧХ — характеристики с ним даже лучше — а по ограничению кристалла, см. ниже.

Коэффициенты и разрядности лежат в src/fir_coefs_pkg.vhd, файл генерируется:

py -3 tools/gen_fir_coefs.py

Шкала

Постоянная '1' на выводе данных микрофона даёт полную шкалу 24 бит (код 8 388 596). 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	Контакт J1
clk_50m	тактовый генератор платы, 50 МГц	E2	—
UART_TX	на внешний мост, ПЛИС -> ПК	G5	22
LED	индикация	E8	17
MIC_CLK	тактирование микрофона, 3.125 МГц	J11	33
MIC_DAT	однобитный поток PDM	J10	35
MIC_SEL	вывод SELECT микрофона	K7	34

UART идёт на внешний мост, посаженный на гребёнку: встроенный BL616 ограничен по скорости. Его цепи, если понадобятся, — C3 (FPGA_UART_TX, контакт 21) и B3 (FPGA_UART_RX, контакт 19).

Микрофон сидит в банке 7, а VCCIO банков 6/7 на этой плате подаётся снаружи через контакты 29 и 31 гребёнки — без 3.3 В на них выводы микрофона не работают. Питание самого 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.

Два ограничения кристалла, добытые на железе

Оба проявляются одинаково: синтез и трассировка проходят без замечаний, тайминг чистый, симуляция верная, а в кристалле тракт молча отдаёт нули.

Разрядность аккумуляторов CIC не выше 18 бит. Проверено перебором на плате с приёмом по UART: 26, 24 и 20 бит — тракт мёртв, 18, 16 и 10 бит — работает. Отсюда порядок 3: требуется ORDER*log2(DECIM)+1, для 3 и 50 это ровно 18, для 4 было бы 24. На аккумулятор ФНЧ (40 бит) ограничение не распространяется — он проверен на железе и считает верно.

Сброс по включению ставить нельзя. Добавление счётчика, держащего rst_n в нуле первые 256 тактов, убивает тракт целиком. С константой '1' всё работает. Проверено прошивкой в обе стороны.

Сборка

Выводы clk (E2) и LED (E8) на этом корпусе сидят на двойных функциях (SSPI/CPU и READY), поэтому в свойствах проекта их надо разрешить как обычные выводы, иначе размещение падает с PR2017. В IDE это флажки CPU, SSPI и READY, в gw_sh -- set_option -use_cpu_as_gpio 1 -use_sspi_as_gpio 1 -use_ready_as_gpio 1.

Занято на GW5A-25: 649 LUT/ALU (3%), 461 регистр (2%), 4 BSRAM (8%), 1 DSP (4%). Тайминг сходится с запасом, но полагаться на него как на признак исправности нельзя — см. раздел про ограничения кристалла выше.

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^3, 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)

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

py -3 tools/uart_capture.py --list

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

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.