PDM 麦克风实时回环示例说明

中文 | English

简介

本示例展示了如何在 Titan Board Mini 上使用 RA8P1 的 PDM (Pulse Density Modulation) 接口 读取 PDM 麦克风 数据，并通过 ES8156 音频编解码器 实时播放，实现 麦克风 → 扬声器 的音频回环功能。

主要功能包括：

使用 RA8P1 内置 PDM 接口读取 PDM 麦克风数据
PDM 数据转 PCM 格式（支持 16-bit 和 20-bit 模式）
单声道转双声道音频处理
双缓冲机制实现连续音频流播放
通过 SSI 接口和 ES8156 编解码器输出音频

硬件介绍

1. PDM 麦克风

Titan Board Mini 板载 PDM 麦克风：

参数	说明
类型	MEMS PDM 麦克风
接口	PDM (Pulse Density Modulation)
输出格式	1-bit 密度流
采样率	最高 16kHz（本示例）
声道	单声道

2. RA8P1 PDM 接口

RA8P1 的 PDM 接口功能：

内置 PDM 解调器：硬件实现 PDM → PCM 转换
可编程滤波器：SINC 滤波器、HPF、LPF
多通道支持：支持多路麦克风输入
可配置输出：支持 16-bit 或 20-bit PCM 输出
DMA 支持：支持 DMA 传输，减少 CPU 占用

3. 音频输出

编解码器：ES8156（24-bit DAC，支持 8kHz - 192kHz）
接口：SSI (I2S 协议)
输出：3.5mm 耳机接口 / 板载扬声器

软件架构

1. 数据流程

PDM 麦克风
    ↓ (PDM 信号)
RA8P1 PDM 接口
    ↓ (硬件滤波 + PDM→PCM)
PDM 缓冲区 (int32_t[])
    ↓ (软件转换)
DAC 缓冲区 (int16_t[], 双声道)
    ↓ (I2S 协议)
ES8156 编解码器
    ↓ (模拟音频)
扬声器/耳机

2. 核心组件

PDM 驱动

使用 Renesas FSP 的 PDM 驱动：

/* 打开 PDM 模块 */
R_PDM_Open(&g_pdm0_ctrl, &g_pdm0_cfg);

/* 启动数据采集 */
R_PDM_Start(&g_pdm0_ctrl, buffer, buf_size.bytes, samples);

/* 停止采集 */
R_PDM_Stop(&g_pdm0_ctrl);

/* 关闭 PDM 模块 */
R_PDM_Close(&g_pdm0_ctrl);

数据转换函数

/* PDM 数据转 DAC 数据 */
static void convert_pdm_to_dac(int32_t *pdm_data, uint32_t pdm_samples, int16_t *dac_data)
{
    for (uint32_t i = 0; i < pdm_samples; i++)
    {
        int16_t sample_16;
        if (g_pcm_bits == PCM_20BITS)
        {
            /* 20 位 -> 16 位：右移 4 位 */
            sample_16 = (int16_t)(pdm_data[i] >> 4);
        }
        else
        {
            /* 16 位模式：左移 1 位 */
            sample_16 = (int16_t)(pdm_data[i] << 1);
        }

        /* 单声道转双声道 */
        dac_data[i * 2] = sample_16;      /* 左声道 */
        dac_data[i * 2 + 1] = sample_16;  /* 右声道 */
    }
}

3. 双缓冲机制

为了实现连续音频流，采用双缓冲模式：

时间轴：
    t0      t1      t2      t3      t4
    |-------|-------|-------|-------|
缓冲区0: [录音 ] [播放         ]
缓冲区1:                 [录音 ] [播放         ]

缓冲区 0：录音 → 播放
缓冲区 1：录音 → 播放
两个缓冲区交替工作，实现无缝连续播放

4. 工程结构

Titan_Mini_pdm/
├── src/
│   └── hal_entry.c          # 主程序入口
├── libraries/
│   └── HAL_Drivers/
│       ├── drv_i2s.c        # SSI/I2S 驱动
│       └── ports/
│           └── es8156/      # ES8156 编解码器驱动
└── ra_gen/
    └── hal_data.c           # FSP 配置（PDM、SSI 等）

配置说明

1. PDM 配置

在 ra_gen/hal_data.c 中配置 PDM 参数：

const pdm_cfg_t g_pdm0_cfg =
{
    .unit                              = 0,
    .channel                           = 2,        /* PDM 通道 */
    .pcm_width                         = PDM_PCM_WIDTH_16_BITS_0_14,  /* 16-bit 输出 */
    .pcm_edge                          = PDM_INPUT_DATA_EDGE_RISE,
    .p_extend                          = &g_pdm0_cfg_extend,
    // ...
};

2. 关键参数

参数	值	说明
`PDM_FS_HZ`	16000	输出采样率 16kHz
`PDM_CHANNELS`	1	单声道输入
`PDM_PCM_WIDTH`	16_BITS_0_14	16-bit PCM，有效位 [14:0]
`NUM_BUFFERS`	2	双缓冲模式
`PDM_RECORD_DURATION_SEC`	1	每个缓冲区 1 秒音频

运行效果

运行效果

上电后，绿色 LED 点亮表示系统就绪
蓝色 LED 点亮表示音频回环正在运行
对着麦克风说话，可以在耳机/扬声器中实时听到声音
蓝色 LED 每 50 次循环闪烁一次（心跳指示）

故障排查

1. 没有声音输出

检查耳机/扬声器是否正确连接
检查音量设置（默认 60%）
检查 ES8156 初始化是否成功

2. 声音卡顿

当前使用 1 秒缓冲区，可尝试调整 PDM_RECORD_DURATION_SEC
检查系统负载，减少其他任务

3. 声音失真

检查 pcm_width 配置是否与硬件匹配
调整数据转换函数中的位移参数