Komunikace s MEMS mikrofony pomocí FPGA

Abstract

Tato diplomová práce se zabývá komunikací s MEMS mikrofony pomocí programovatelného hradlového pole (FPGA). V jazyce VHDL bylo na FPGA implementováno čtení zvukových dat z mikrofonů s digitálními rozhraními TDM a I²S. Přečtené vzorky z mikrofonů jsou předávány mikrořadiči FX2LP, který je posílá skrze rozhraní USB do počítače. V rámci práce byla navržena vlastní deska plošných spojů v programu KiCAD, jež využívá FPGA Xilinx Spartan-3E. Bitovou konfiguraci FPGA na desce lze zapsat do paměti SPI flash pomocí mikrořadiče FX2LP. K tomuto účelu byl vytvořen vlastní skript v jazyce Python. Navržená deska dovoluje připojit až 16 I²S mikrofonů, ze kterých lze číst data vzorkovacím kmitočtem 48 kHz. V praxi byla deska využita k nahrávání zvuku z kruhového mikrofonního pole s osmi I²S mikrofony, které realizoval Ing. David Vagner, během měření v akustické bezodrazové komoře. Podařilo se také číst najednou až 64 simulovaných TDM mikrofonů při vzorkovací frekvenci 24 kHz.

This diploma thesis focuses on communication with MEMS microphones using a Field Programmable Gate Array (FPGA). Reading of audio data from microphones featuring digital interfaces TDM and I²S was implemented on an FPGA in the VHDL language. The acquired samples from microphones are conveyed to the FX2LP microcontroller, which sends them through the USB interface to a computer. Within this work, a custom printed circuit board was designed in the KiCAD software, which utilizes the Xilinx Spartan-3E FPGA. The bitstream configuration of the FPGA on the board can be programmed into the SPI flash memory using the FX2LP microcontroller. For this purpose, a custom script in the Python language was created. The designed board enables connecting up to 16 I²S microphones, from which data can be read with a sampling frequency of 48 kHz. In practice, the board has been utilized for recording sound from a circular microphone array consisting of eight I²S microphones, which was realized by Ing. David Vagner, during measurements in the acoustic anechoic chamber. Additionally, up to 64 simulated TDM microphones were successfully read simultaneously at a sampling frequency of 24 kHz.