如何在STM32F413/423系列器件上同步DFSDM滤波器以及编程脉冲跳频

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STMCU小助手发布时间：2022-7-12 21:55

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文章简介:	如何在STM32F413/423系列器件上同步DFSDM滤波器以及编程脉冲跳频

前言
STM32F413/423系列微控制器在DFSDM（Sigma-Delta调制器的数字滤波器）的顶层实现了专门的机制，可支持以下功能：
• 同步两个DFSDM滤波器
• 脉冲跳频
脉冲跳频是指器件可以动态调整每个麦克风的PDM（脉冲密度调制）延迟，而不必增加任何外部延迟线。使用脉冲跳频功能的音频应用包括波束成形和声源定位。
本应用笔记的目的是描述如何在STM32F413/423系列器件上同步DFSDM滤波器以及如何编程脉冲跳频。
本应用笔记详细描述：
• 如何配置脉冲跳频机制来将音频时钟和数据注入DFSDM输入
• 如何配置TIM3和TIM4定时器来生成请求的脉冲以延迟一个或多个PDM流
• 如何构建一个序列来同步两个DFSDM滤波器
• 如何构建一个序列来生成脉冲
本应用笔记假设读者熟悉STM32 MCU的DFSDM和TIMER，如意法半导体的网站www.st.com提供的STM32F413/423基于ARM®的高级32位MCU参考手册（RM0430）中所述。

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• 用于STM32F4系列产品的STM32CubeF4嵌入式软件

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在DFSDM顶层实现的STM32F413/423系列机制概述
图 1显示了在DFSDM顶层实现的机制可以同步两个DFSDM滤波器和脉冲跳频用例。
如图 1所示，MCHDLY（多通道延迟）模块既是DFSDM滤波器同步的一部分，也是脉冲跳频用例的一部分。对于脉冲跳频用例，TIM3和TIM4定时器也是实现机制的一部分。

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2 DFSDM滤波器同步配置
2.1 DFSDM滤波器同步的一般性描述
STM32F413/423系列器件有两个DFSDM：
• DFSDM1：包括四个通道和两个滤波器
• DFSDM2：包括八个通道和四个滤波器。
每个DFSDM都可以与第一个DFSDM滤波器（DFSDM_FLT0）同步开始转换，但有些情况需要同步DFSDM1和DFSDM2滤波器。
为同步DFSDM1和DFSDM2滤波器，用户必须遵循以下步骤：
1. 使用外部时钟源和DFSDM音频源作为输入时钟
2. 禁用DFSDM2时钟输出（dfsdm2_ckout）
3. 对每个DFSDM进行编程
4. 开始滤波器转换
5. 启用DFSDM2时钟输出（dfsdm2_ckout）
通过执行上述步骤，可以同步开始两个DFSDM滤波器的转换。

2.2 DFSDM滤波器同步的编程序列
要遵循的序列主要取决于MCHDLY模块，如下所示：
1. 禁用DFSDM2时钟输出（dfsdm2_ckout）信号（SYSCFG_MCHDLYCR.BSCKSEL设置为- 0 M27）
2. 启用外部DFSDM输出时钟
3. 配置DFSDM以选择外部CKINx作为输入时钟
4. 配置DFSDM以从相同通道的引脚获取通道数据
5. 输出DFSDM2外部输出时钟（dfsdm2_ckout）至DFSDMx CKOUT焊盘（可选）：
SYSCFG_MCHDLYCR.DFSDM1CKOSEL（M1）和SYSCFG_MCHDLYCR.DFSDM2CKOSEL（M2）设置为1
6. 设置DFSDM2时钟输出（dfsdm2_ckout）路径为CKINx，具体取决于以下使用的DATINx：
a) 配置以下DMx开关
– DFSDM1：SYSCFG_MCHDLYCR. DFSDM1_CK02SEL设置为0以注入DFSDM2时钟输出（dfsdm2_ckout）至CKIN0（DM2）
– DFSDM1：SYSCFG_MCHDLYCR. DFSDM1_CK02SEL设置为1以注入DFSDM2时钟输出（dfsdm2_ckout）至CKIN2（DM2）
– DFSDM1：SYSCFG_MCHDLYCR. DFSDM1_CK13SEL设置为0以注入DFSDM2时钟输出（dfsdm2_ckout）至CKIN1（DM1）
– DFSDM1：SYSCFG_MCHDLYCR. DFSDM1_CK13SEL设置为1以注入DFSDM2时钟输出（dfsdm2_ckout）至CKIN3（DM1）
– DFSDM2：SYSCFG_MCHDLYCR. DFSDM2_CK04SEL设置为0以注入DFSDM2时钟输出（dfsdm2_ckout）至CKIN0（DM6）
– DFSDM2：SYSCFG_MCHDLYCR. DFSDM2_CK04SEL设置为1以注入DFSDM2时钟输出（dfsdm2_ckout）至CKIN4（DM6）
– DFSDM2：SYSCFG_MCHDLYCR. DFSDM2_CK15SEL设置为0以注入DFSDM2时钟输出（dfsdm2_ckout）至CKIN1（DM5）
– DFSDM2：SYSCFG_MCHDLYCR. DFSDM2_CK15SEL设置为1以注入DFSDM2时钟输出（dfsdm2_ckout）至CKIN5（DM5）
– DFSDM2：SYSCFG_MCHDLYCR. DFSDM2_CK26SEL设置为0以注入DFSDM2时钟输出（dfsdm2_ckout）至CKIN2（DM4）
– DFSDM2：SYSCFG_MCHDLYCR. DFSDM2_CK26SEL设置为1以注入DFSDM2时钟输出（dfsdm2_ckout）至CKIN6（DM4）
– DFSDM2：SYSCFG_MCHDLYCR. DFSDM2_CK37SEL设置为0以注入DFSDM2时钟输出（dfsdm2_ckout）至CKIN3（DM3）
– DFSDM2：SYSCFG_MCHDLYCR. DFSDM2_CK37SEL设置为1以注入DFSDM2时钟输出（dfsdm2_ckout）至CKIN7（DM3）
b) 配置以下Mx开关
– DFSDM1：SYSCFG_MCHDLYCR. DFSDM1CFG设置为1以注入DFSDM2时钟输出（dfsdm2_ckout）至CKIN0CKIN1、CKIN2和CKIN3（M3、M4、M5、M6）
– DFSDM2：SYSCFG_MCHDLYCR. DFSDM2CFG设置为1以注入DFSDM2时钟输出（dfsdm2_ckout）至CKIN0CKIN1、CKIN2、CKIN3、CKIN4、CKIN5、CKIN6和CKIN7（M9、M10、M11、M12、M13、M14、M15、M16）
7. 开始转换所有使用的DFSDM1和DFSDM2滤波器
8. 释放DFSDM2时钟输出（dfsdm2_ckout）信号（SYSCFG_MCHDLYCR.BSCKSEL设置为- 1 M27）
请注意，对于DFSDM1，DFSDM2时钟输出（dfsdm2_ckout）可以注入：
• CKIN0或CKIN2
• CKIN1或CKIN3
对于DFSDM2，DFSDM2时钟输出（dfsdm2_ckout）可以注入：
• CKIN0或CKIN4
• CKIN1或CKIN5
• CKIN2或CKIN6
• CKIN3或CKIN7DocID030025 Rev 1 [English Rev 1] 9/23

3 脉冲跳频配置
3.1 脉冲跳频的一般性描述
脉冲跳频的目的在于实现指定输入通道的延迟线等特性。脉冲跳频使输入串行数据流（仅串行流）中指定数量的样品在进入滤波器前被丢弃。该数据丢弃通过跳过指定数量的采样输入时钟脉冲（指定的串行数据样品未被滤波器采样）来执行。
采样时钟由脉冲跳频功能门控，以获得指定数量的时钟脉冲。指定数量的时钟脉冲被跳过时，输入数据的滤波会继续。与未跳过的数据流相比，该操作导致来自滤波器的最终输出样品（及下一个样品）从后面的输入数据计算得出。
由于是从较新的输入样品而不是“未跳过”样品计算得出，因此，最终的样品看起来是向前移动的。最终的“跳过样品”将在稍后转换，因为跳过的输入数据样品必须由随后的输入数据样品替换。
由于两个数据缓冲区都相移了，因此，最终的数据缓冲区特性（跳过和未跳过的输出数据缓冲区比较）就好像未跳过的数据流由于某种原因被延迟了。
时钟跳过的实现基于MCHDLY、TIM3和TIM4模块。MCHDLY模块由MCHDLYCR寄存器控制，所有MCHDLY控制位都如此。
如图 1所示，通过使用MCHDLY模块，DFSDM可用于多达六个数字麦克风的音频应用。数字麦克风（或Sigma-Delta调制器）的时钟由DFSDM2时钟输出（dfsdm2_ckout信号）提供。然后，该时钟输出信号被分配给：
• OR门，以通过时钟屏蔽或门控实现脉冲跳过
• TIM4和TIM3定时器的ETR（外部触发）输入，以定义必须跳过的脉冲数量，并用于同步
• 通过M1和M2多路复用器的DFSDM1_CKOUT和DFSDM2_CKOUT引脚输出，以在DFSDMx引脚上生成输出时钟信号
OR门用于跳过为DFSDM提供的输入串行时钟脉冲，以便在相应的输入通道上产生延迟。该时钟门控由两个定时器控制（TIM4和TIM3）。定时器以单触发模式编程，以产生具有限定长度的屏蔽脉冲，从而门控所需的时钟脉冲数。
图 2显示了在DFSDM2的输入通道3或7（取决于所选择的输入通道）上产生一个DFSDM时钟周期延迟的情况。它还显示了在DFSDM1的输入通道0或2（取决于所选择的输入通道）上产生的两个DFSDM时钟周期另一个延迟。

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3.2 脉冲跳频的编程序列
本节介绍在指定的输入通道上生成脉冲跳频应遵循的序列。
配置MCDLY模块（如果使用的输入通道位于两个不同的DFSDM上，也可以同步DFSDM滤波器）
1. 禁用DFSDM2时钟输出（dfsdm2_ckout）信号（SYSCFG_MCHDLYCR.BSCKSEL设置为- 0 M27）
2. 启用外部DFSDM输出时钟
3. 配置DFSDM以选择外部CKINx作为输入时钟
4. 配置DFSDM以从相同通道的引脚获取通道数据
5. 输出DFSDM2外部输出时钟（dfsdm2_ckout）至DFSDMx CKOUT焊盘：
SYSCFG_MCHDLYCR.DFSDM1CKOSEL（M1）和SYSCFG_MCHDLYCR.DFSDM2CKOSEL（M2）设置为1请注意：在图 1中，MIC1通过可以从DFSDM2或DFSDM1 CKOUT信号提供时钟输出的另一个时钟输出引脚（DFSDM1_CKOUT引脚）接收其串行时钟。此配置仅可用于一个麦克风（MIC1）的低功耗用例，同时禁用DFSDM2_CKOUT并启用DFSDM1_CKOUT（如用于语音检测），并将MIC1重新用于波束成形用例（启用DFSDM2_CKOUT时）。
6. 设置DFSDM2时钟输出（dfsdm2_ckout）路径为CKINx，具体取决于以下使用的DATINx通道：
a) 配置以下DMx开关
– DFSDM1：SYSCFG_MCHDLYCR. DFSDM1_CK02SEL设置为0以注入DFSDM2时钟输出（dfsdm2_ckout）至CKIN0（DM2）
– DFSDM1：SYSCFG_MCHDLYCR. DFSDM1_CK02SEL设置为1以注入DFSDM2时钟输出（dfsdm2_ckout）至CKIN2（DM2）
– DFSDM1：SYSCFG_MCHDLYCR. DFSDM1_CK13SEL设置为0以注入DFSDM2时钟输出（dfsdm2_ckout）至CKIN1（DM1）
– DFSDM1：SYSCFG_MCHDLYCR. DFSDM1_CK13SEL设置为1以注入DFSDM2时钟输出（dfsdm2_ckout）至CKIN3（DM1）
– DFSDM2：SYSCFG_MCHDLYCR. DFSDM2_CK04SEL设置为0以注入DFSDM2时钟输出（dfsdm2_ckout）至CKIN0（DM6）
– DFSDM2：SYSCFG_MCHDLYCR. DFSDM2_CK04SEL设置为1以注入DFSDM2时钟输出（dfsdm2_ckout）至CKIN4（DM6）
– DFSDM2：SYSCFG_MCHDLYCR. DFSDM2_CK15SEL设置为0以注入DFSDM2时钟输出（dfsdm2_ckout）至CKIN1（DM5）
– DFSDM2：SYSCFG_MCHDLYCR. DFSDM2_CK15SEL设置为1以注入DFSDM2时钟输出（dfsdm2_ckout）至CKIN5（DM5）
– DFSDM2：SYSCFG_MCHDLYCR. DFSDM2_CK26SEL设置为0以注入DFSDM2时钟输出（dfsdm2_ckout）至CKIN2（DM4）
– DFSDM2：SYSCFG_MCHDLYCR. DFSDM2_CK26SEL设置为1以注入DFSDM2时钟输出（dfsdm2_ckout）至CKIN6（DM4）
– DFSDM2：SYSCFG_MCHDLYCR. DFSDM2_CK37SEL设置为0以注入DFSDM2时钟输出（dfsdm2_ckout）至CKIN3（DM3）
– DFSDM2：SYSCFG_MCHDLYCR. DFSDM2_CK37SEL设置为1以注入DFSDM2时钟输出（dfsdm2_ckout）至CKIN7（DM3）
b) 配置以下Mx开关
– DFSDM1：SYSCFG_MCHDLYCR. DFSDM1CFG设置为1以注入DFSDM2时钟输出（dfsdm2_ckout）至CKIN0、CKIN1、CKIN2和CKIN3（M3、M4、M5、M6）
– DFSDM2：SYSCFG_MCHDLYCR. DFSDM2CFG设置为1以注入DFSDM2时钟输出（dfsdm2_ckout）至CKIN0、CKIN1、CKIN2、CKIN3、CKIN4、CKIN5、CKIN6和CKIN7（M9、M10、M11、M12、M13、M14、M15、M16）
7. 开始转换所有使用的DFSDM1和DFSDM2滤波器
8. 释放DFSDM2时钟输出（dfsdm2_ckout）信号（SYSCFG_MCHDLYCR.BSCKSEL设置为- 1 M27）

配置TIM3和TIM4，以便在指定的输入通道上生成脉冲跳频
1. 不需要门控时，连接到DFSDM1 CKIN的OR门上的TIM4输出（OC[2:1]）和连接到DFSDM2 CKIN的OR门上的TIM3输出（OC[4:1]）必须处于非活动模式下的低电平
2. 配置OPM（单脉冲模式）中的定时器。在该模式下，定时器可以启动计数器以响应于ETR输入的上升沿，并产生具有可编程长度的脉冲。该脉冲用于由DFSDM2产生比特流时钟时。
注：定时器使用的时钟参考可以是APB时钟或APB时钟乘以2或4。该频率越高越好。
使用TIM3和TIM4门控dfsdm2_ckout音频时钟时，定时器参考时钟频率必须至少为DFSDM2音频时钟频率的12倍（假设比特流时钟占空比为50%）。
注：由于TIM2 OC1已连接到M27以备份DFSDM2时钟输出（dfsdm2_ckout）信号，因此，其不可使用。
启用DFSDM1和DFSDM2的时钟门控
1. 启用DFSDM1的时钟门控：SYSCFG_MCHDLYCR. MCHDLY1EN设置为1（G1和G2），使TIM4产生的脉冲注入相应的DFSDM1 CKINx
2. 启用DFSDM2的时钟门控：SYSCFG_MCHDLYCR. MCHDLY2EN设置为1（G3、G4、G5和G6），使TIM3产生的脉冲注入相应的DFSDM2 CKINx
必须发出脉冲跳频时，相应OR门的TIM3或TIM4 OC通道上的应用程序产生所需长度的脉冲。
一次只能产生一个脉冲，因此，该应用必须等当前产生的脉冲结束才能发出下一个（如需要）。

3.3 波束成形用例中的脉冲跳频
图 3显示了波束成形用例的完整视图，以及在该用例中脉冲跳频何时适用。
在编程的PCM（脉冲编码调制）采样率设置为16 Khz的情况下，为避免CPU处理，麦克风距离必须设置为21 mm，这相当于两个麦克风之间有1 PCM的延迟。
脉冲跳频功能可以释放两个麦克风之间的距离限制，并虚拟设置两个麦克风之间的一个或多个PCM延迟的距离。
在图 3中，PmodTM板包含五个与DFSDM连接的麦克风。麦克风之间的距离（M1-M2、M1-M3、M1-M4、M1-M5）小于21 mm。
波束成形用例的GUI（图形用户界面）可以让用户选择应用波束成形的方向（四个可能的方向）。前面的操作定义了要使用的两个MIC（例如MIC1和MIC2）。
由于选择的两个麦克风之间的距离小于21 mm，因此，脉冲跳频模块用于虚拟地增加该距离。此操作可以达到21 mm的距离，这相当于运行该用例所需的MIC1和MIC2之间的1 PCM延迟（见图 3）。

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如要计算使用的脉冲跳频周期，必须使用以下公式：
NB_BITSTREAM_CLOCK_PERIOD = (Dpcm-Dm12) / (T x c)
其中：
• Dpcm =相当于1 PCM延迟的两个麦克风之间的预期虚拟距离（PCM采样率设置为 16KHz的距离为21mm）
• Dm12 =两个麦克风之间的实际距离
• T = DFSDM2音频时钟周期（例如0.5.10E-6 s，假设麦克风频率= 2.048 MHz）
• c =声速340 m/s
图 4显示了将两个麦克风的距离设置为1 PCM延迟所需的距离。
例如：
• PCM采样率设置为16 KHz：Dpcm = 21mm（1 PCM延迟）
• Dm12 = 5 mm（M1和M2之间的实际距离）
• PDM（脉冲密度调制）采样率设置为2.048Mhz ==> T = 0.510E-6s
NB_BITSTREAM_CLOCK_PERIOD = (21-5).10E-5 / (340x0,510E-6) = 94
如图 2所示，该数字相当于进行门控（TIM OC脉冲持续时间）的dfsdm时钟周期。

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