# Avaota F1 开发日志 - Day 4：模拟麦克风配置

**版本**：v1.0  
**日期**：2025-11-26  
**主机环境**：Windows + Ubuntu 24.04 LTS  
**目标平台**：Avaota F1 (全志 V821 / 32-bit RISC-V)

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## 项目背景

根据 Day 3 的计划，原定配置 PDM 数字麦克风（DMIC）以实现音频采集功能。但在实际开发中发现，开发板使用的是**板载模拟麦克风**，通过芯片内部 Audio Codec 进行音频采集，而非独立的 PDM/DMIC 设备。

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## 第一部分：硬件类型确认

### 1. 文档确认

查阅 [`MIC.md`](file:///d:/CodingProjects/Antigravity/AvaotaF1/MIC.md) 文档后确认：

**硬件配置**：
- **麦克风类型**：模拟麦克风（板载）
- **接口**：通过芯片内部 Audio Codec
- **ALSA 设备名称**：`hw:audiocodec` 或 `hw:0,0`
- **驱动**：`audiocodec` (已内置于内核)

**关键区别**：

| 项目 | 原计划 (PDM/DMIC) | 实际硬件 (模拟麦克风) |
|------|-------------------|----------------------|
| **接口** | PDM 数字信号 | 模拟信号 → ADC |
| **Device Tree** | 需配置 `&dmic` 节点 | 使用 `&codec` 节点 |
| **引脚配置** | 需 pinctrl 设置 | 无需额外引脚配置 |
| **ALSA 设备** | `hw:snddmic` | `hw:audiocodec` |
| **运行时配置** | 即插即用 | 需打开 MIC Switch |

**结论**：配置难度大幅降低，无需修改 Device Tree。

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## 第二部分：Device Tree 验证

### 1. 检查现有配置

查看 [`board.dts`](file:///d:/CodingProjects/Antigravity/AvaotaF1/board.dts) 第 759-797 行：

```dts
&codec {
    tx-hub-en;
    rx-sync-en;
    
    dac-vol    = <63>;      /* DAC 音量 */
    dacl-vol   = <160>;     /* DAC L 音量 */
    adc-vol    = <160>;     /* ✅ ADC 音量（麦克风采集）*/
    lineout-gain = <31>;    /* LINEOUT 增益 */
    mic-gain   = <31>;      /* ✅ 麦克风增益（最大值）*/
    adcdelaytime = <0>;     /* ADC 延迟时间 */
    
    pa-pin-max   = <1>;
    pa-pin-0     = <&pio PC 15 GPIO_ACTIVE_HIGH>;
    pa-pin-level-0 = <1>;
    pa-pin-msleep-0 = <0>;
    
    status = "okay";        /* ✅ 已启用 */
};

&codec_plat {
    status = "okay";
};

&codec_mach {
    status = "okay";
    soundcard-mach,cpu {
        sound-dai = <&codec_plat>;
    };
    soundcard-mach,codec {
        sound-dai = <&codec>;
    };
};
```

**验证结果**：
- ✅ `&codec` 节点已启用（`status = "okay"`）
- ✅ `mic-gain` 已设置为 31（最大值）
- ✅ `adc-vol` 已配置为 160
- ✅ **无需修改 Device Tree**

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## 第三部分：测试脚本开发

### 1. 创建自动化测试脚本

为了简化测试流程，创建了 [`test_mic.sh`](file:///d:/CodingProjects/Antigravity/AvaotaF1/src/test_mic.sh) 脚本：

**功能**：
1. 检查 ALSA 设备
2. 配置麦克风（打开 MIC Switch，设置 Gain）
3. 执行 5 秒录音测试
4. 播放录音验证

**关键命令**：
```bash
# 打开 MIC 开关（必须）
amixer -Dhw:audiocodec cset name="MIC Switch" 1

# 设置 MIC 增益
amixer -Dhw:audiocodec cset name="MIC Gain" 15

# 录音测试
arecord -D hw:audiocodec -f S16_LE -t wav -r 16000 -c 1 -d 5 /tmp/test_mic.wav

# 播放验证（使用 I2S 扬声器）
aplay -D hw:1,0 /tmp/test_mic.wav
```

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## 第四部分：开发板测试

### 1. ALSA 设备验证

在开发板上检查音频设备：

```bash
root@(none):/# cat /proc/asound/cards
 0 [audiocodec     ]: audiocodec - audiocodec
                      audiocodec
 1 [sndi2s0        ]: sndi2s0 - sndi2s0
                      sndi2s0
```

✅ **结果**：audiocodec (card 0) 和 sndi2s0 (card 1) 都已正常识别。

```bash
root@(none):/# arecord -l
**** List of CAPTURE Hardware Devices ****
card 0: audiocodec [audiocodec], device 0: ...
```

✅ **结果**：audiocodec 录音设备已注册。

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### 2. 麦克风配置测试

执行配置命令：

```bash
# 打开 MIC 开关
root@(none):/# amixer -Dhw:audiocodec cset name="MIC Switch" 1
numid=16,iface=MIXER,name='MIC Switch'
  ; type=BOOLEAN,access=rw------,values=1
  : values=on

# 设置初始增益为 15
root@(none):/# amixer -Dhw:audiocodec cset name="MIC Gain" 15
numid=15,iface=MIXER,name='MIC Gain'
  ; type=INTEGER,access=rw---R--,values=1,min=0,max=31,step=0
  : values=15
```

✅ **结果**：MIC Switch 已打开，增益设置成功。

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### 3. 录音测试（第一次）

```bash
root@(none):/# arecord -D hw:audiocodec -f S16_LE -t wav -r 16000 -c 1 -d 5 /tmp/test.wav
Recording WAVE 'stdin' : Signed 16 bit Little Endian, Rate 16000 Hz, Mono

root@(none):/# ls -lh /tmp/test.wav
-rw-r--r--    1 root     root      160.0K Nov 26 15:32 test.wav

root@(none):/# aplay -D hw:1,0 /tmp/test.wav
Playing WAVE '/tmp/test.wav' : Signed 16 bit Little Endian, Rate 16000 Hz, Mono
```

✅ **结果**：
- 录音成功，文件大小正常（160KB ≈ 5 秒 @ 16kHz）
- 播放时**有声音，听得清**
- **但声音很小**

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### 4. 增益调优

**问题**：MIC Gain 15 时音量较小  
**方案**：逐步增加增益值

#### 测试 1：MIC Gain = 25

```bash
root@(none):/# amixer -Dhw:audiocodec cset name="MIC Gain" 25
root@(none):/# arecord -D hw:audiocodec -f S16_LE -t wav -r 16000 -c 1 -d 5 /tmp/test2.wav
root@(none):/# aplay -D hw:1,0 /tmp/test2.wav
```

✅ **结果**：音量适中，清晰度良好

#### 测试 2：MIC Gain = 31 (最大值)

```bash
root@(none):/# amixer -Dhw:audiocodec cset name="MIC Gain" 31
root@(none):/# arecord -D hw:audiocodec -f S16_LE -t wav -r 16000 -c 1 -d 5 /tmp/test3.wav
root@(none):/# aplay -D hw:1,0 /tmp/test3.wav
```

✅ **结果**：音量最大，但有轻微底噪

**最佳配置**：**MIC Gain = 25**
- 音量适中
- 音质清晰
- 无明显杂音

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## 第五部分：AudioCapture 集成

### 1. 验证设备名称

检查 [`test_audio.cpp`](file:///d:/CodingProjects/Antigravity/AvaotaF1/src/test_audio.cpp) 第 23 行：

```cpp
const char* DEVICE_NAME = "hw:0,0";  // audiocodec 是 card 0
```

✅ **兼容性**：
- `hw:0,0` 正确指向 audiocodec
- 也可以使用 `hw:audiocodec`（更明确）

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### 2. 集成方案

在主程序 [`main.cpp`](file:///d:/CodingProjects/Antigravity/AvaotaF1/src/main.cpp) 的 `audio_capture_thread()` 中：

```cpp
void audio_capture_thread() {
    LOG_INFO("Starting audio capture thread...");
    
    // 1. 配置麦克风（打开 MIC 开关和增益）
    system("amixer -Dhw:audiocodec cset name='MIC Switch' 1");
    system("amixer -Dhw:audiocodec cset name='MIC Gain' 25");
    
    // 2. 初始化音频采集
    AudioCapture mic("hw:audiocodec", 16000, 1);
    if (!mic.init()) {
        LOG_ERROR("Failed to initialize microphone");
        return;
    }
    
    // 3. 连接 WebSocket 服务器
    WSClient ws_aud(SERVER_HOST, SERVER_PORT, "/ws_audio");
    if (!ws_aud.connect()) {
        LOG_ERROR("Failed to connect to audio WebSocket");
        return;
    }
    
    // 4. 音频采集循环
    int16_t buffer[320];  // 20ms @ 16kHz
    while (g_running) {
        snd_pcm_sframes_t frames = mic.read(buffer, 320);
        if (frames > 0) {
            // 发送音频数据到服务器
            ws_aud.send_binary((uint8_t*)buffer, frames * 2);
        }
    }
    
    LOG_INFO("Audio capture thread stopped");
}
```

**关键点**：
- 使用 `system()` 调用 `amixer` 配置（简单直接）
- 或者可以使用 ALSA Mixer API（更优雅）

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## 第六部分：技术总结

### 1. 关键发现

**硬件差异**：
- 原计划：PDM 数字麦克风（DMIC）
- 实际硬件：模拟麦克风（Audio Codec ADC）

**配置方式**：
- Device Tree：✅ 已完整配置，无需修改
- 运行时：需通过 `amixer` 打开 MIC Switch

### 2. 配置要点

| 配置项 | 说明 | 推荐值 |
|--------|------|--------|
| **MIC Switch** | 麦克风开关 (必须打开) | `1` (on) |
| **MIC Gain** | 麦克风增益 (0-31) | `25` |
| **ADC Volume** | ADC 音量 (0-255) | `160` (默认) |

### 3. 音频参数

- **采样率**：16000 Hz (16kHz)
- **位深度**：16-bit signed PCM (S16_LE)
- **声道数**：1 (Mono)
- **ALSA 设备**：`hw:audiocodec` 或 `hw:0,0`

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## 第七部分：问题与解决

### 问题 1：音量太小

**现象**：MIC Gain 15 时录音音量偏小  
**原因**：初始增益设置过低  
**解决**：增加 MIC Gain 到 25

### 问题 2：增益过高有杂音

**现象**：MIC Gain 31 时有轻微底噪  
**原因**：增益过高放大了底噪  
**解决**：降低到 25，平衡音量和音质

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## 🏆 Day 4 成果

### 核心成就

1. ✅ **确认硬件类型**：模拟麦克风（非 PDM/DMIC）
2. ✅ **验证 Device Tree**：audiocodec 已完整配置
3. ✅ **创建测试脚本**：[`test_mic.sh`](file:///d:/CodingProjects/Antigravity/AvaotaF1/src/test_mic.sh)
4. ✅ **完成硬件测试**：录音功能正常
5. ✅ **调优增益参数**：MIC Gain = 25 (最佳)
6. ✅ **集成方案设计**：AudioCapture 集成代码

### 技术文档

- [MIC.md](file:///d:/CodingProjects/Antigravity/NaviGlass/NaviGlassClient/MIC.md) - 官方麦克风使用文档
- [board.dts](file:///d:/CodingProjects/Antigravity/NaviGlass/NaviGlassClient/board.dts) - Device Tree 配置
- [test_mic.sh](file:///d:/CodingProjects/Antigravity/NaviGlass/NaviGlassClient/src/test_mic.sh) - 自动化测试脚本
- [Microphone_Configuration_Complete.md](file:///d:/CodingProjects/Antigravity/NaviGlass/Docs/Microphone_Configuration_Complete.md) - 完整配置报告

### 测试结果

| 测试项 | 状态 | 备注 |
|--------|------|------|
| ALSA 设备识别 | ✅ 通过 | audiocodec (card 0) |
| MIC Switch 配置 | ✅ 通过 | amixer 控制正常 |
| 录音功能 | ✅ 通过 | 5 秒录音成功 |
| 音质测试 | ✅ 通过 | 清晰、无明显杂音 |
| 增益调优 | ✅ 完成 | MIC Gain = 25 最佳 |

### 配置完成度

**音频系统**：
- ✅ 音频播放（I2S + MAX98357A）- Day 3 完成
- ✅ 音频采集（模拟麦克风 + audiocodec）- Day 4 完成
- ⏳ 端到端集成（WebSocket + HTTP）- 待完成

**整体进度**：约 **60%** (+10%)

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## 下一步计划

### 短期目标（Day 5）

1. **音频系统集成**
   - 集成 MIC 配置到主程序
   - WebSocket 音频上传测试
   - HTTP TTS 下载播放测试
   - 完整语音对话闭环验证

2. **或进入摄像头开发**（取决于优先级）
   - GC2083 摄像头配置
   - MPP 库集成
   - JPEG 硬件编码

### 中期目标（Day 6-7）

3. **摄像头系统**
   - ISP 参数加载
   - 视频流采集
   - WebSocket 图像上传

4. **IMU 系统**
   - MPU6050 I2C 配置
   - 数据读取和校准
   - UDP 上报

5. **系统完整集成**
   - 多线程协同
   - 性能优化
   - 稳定性测试

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## 经验总结

### 收获

1. **硬件确认的重要性**
   - 开发前必须确认实际硬件类型
   - 文档（MIC.md）比猜测更可靠

2. **Device Tree 的灵活性**
   - 如果驱动已配置，无需重复造轮子
   - 运行时配置（amixer）比编译时更灵活

3. **逐步调优的必要性**
   - 增益参数需要实测调优
   - 音量和音质需要平衡

### 启示

- **模拟麦克风 vs PDM**：模拟方案配置更简单，但抗干扰能力较弱
- **运行时配置**：MIC Switch 默认关闭，需要程序主动打开
- **增益设置**：过高会放大噪声，过低影响音量，需要找到平衡点


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## 第八部分：IMU 传感器配置

### 1. 硬件选型

**传感器型号**：ICM-42688-P
- 6 轴 IMU（3 轴加速度计 + 3 轴陀螺仪）
- 支持 I2C 和 SPI 双接口
- 高精度、低功耗
- TDK InvenSense 出品

### 2. 接口选择：I2C vs SPI

#### I2C 尝试（失败）

**初始方案**：
- 使用 GPIO 模拟 I2C（PD3/PD2）
- 原因：硬件 I2C 引脚配置复杂

**遇到的问题**：
1. Device Tree 配置困难
   - PD1/PD2 支持 TWI0，但 PD1 被其他功能占用
   - PL2/PL3 不支持 TWI0 功能
2. 设备响应地址但拒绝寄存器访问
   - `Write addr (0xD0): ACK` - 地址响应正常
   - `Write reg (0x75): NACK` - 寄存器访问失败
3. 可能原因：
   - 需要特殊的初始化序列
   - 寄存器 Bank 切换问题
   - I2C 时序要求严格

#### SPI 方案（成功）✅

**优势**：
- 协议简单，无 ACK/NACK 握手
- 时序可靠，主设备完全控制
- 高速传输（可达 MHz 级）
- ICM-42688 官方推荐接口

**实现方式**：GPIO 模拟 SPI

### 3. 硬件连接（SPI 模式）

```
ICM-42688 模块    →    Avaota F1
--------------         ---------
VCC               →    3.3V
GND               →    GND
SCL/SCLK          →    PD3 (GPIO 99)
SDA/MOSI          →    PD2 (GPIO 98)
AD0/MISO          →    PD4 (GPIO 100)
CS                →    PD5 (GPIO 101)
INT1/INT2         →    悬空（未使用）
```

### 4. 软件实现

**驱动文件**：[`icm42688_spi.cpp`](file:///d:/CodingProjects/Antigravity/AvaotaF1/src/imu/icm42688_spi.cpp)

**关键特性**：
- GPIO 模拟 SPI（Mode 0: CPOL=0, CPHA=0）
- 速度约 500kHz（可调）
- 完整的寄存器读写功能
- 6 轴数据读取（加速度、陀螺仪、温度）

**SPI 时序实现**：
```cpp
static uint8_t spi_transfer_byte(uint8_t tx_byte) {
    uint8_t rx_byte = 0;
    for (int i = 7; i >= 0; i--) {
        // 设置 MOSI
        if (tx_byte & (1 << i)) mosi_high();
        else mosi_low();
        
        sclk_high();  // 上升沿：从设备采样
        if (miso_read()) rx_byte |= (1 << i);
        sclk_low();   // 下降沿：从设备准备下一位
    }
    return rx_byte;
}
```

**读取寄存器**：
```cpp
uint8_t ICM42688::read_register(uint8_t reg) {
    cs_select();
    spi_transfer_byte(reg | 0x80);  // 读操作：地址最高位为 1
    uint8_t value = spi_transfer_byte(0x00);  // Dummy 字节
    cs_deselect();
    return value;
}
```

### 5. 测试结果

**成功识别**：
```
[INFO] ICM42688 detected, WHO_AM_I = 0x47
[INFO] ICM42688 initialized successfully
```

**数据采集**（静止状态）：
```
[Sample 1]
  Accel: X= -2.52  Y= -9.40  Z= 1.37 m/s²
  Gyro:  X= -0.06  Y=  0.00  Z= -0.18 °/s
  Temp:  19.33 °C
```

**数据分析**：
- ✅ **加速度计**：总加速度 ≈ 9.8 m/s²（重力加速度）
- ✅ **陀螺仪**：接近 0°/s（静止状态）
- ✅ **温度**：19.3°C（室温）
- ✅ **数据稳定**：10 次采样波动极小

### 6. 配置参数

| 参数 | 配置值 | 说明 |
|------|--------|------|
| 加速度计量程 | ±16g | `AFS_16G` |
| 陀螺仪量程 | ±2000°/s | `GFS_2000DPS` |
| 输出数据率 | 1kHz | `ODR_1KHZ` |
| SPI 时钟 | ~500kHz | GPIO 模拟 |

### 7. 技术要点

**为什么加速度计静止也有数值？**

传感器测量的是**加速度**，包括：
- 运动加速度（移动时产生）
- 重力加速度（始终存在，约 9.8 m/s²）

静止状态下：
- 运动加速度 = 0
- 重力加速度 ≠ 0（分解在 X/Y/Z 三轴）
- 总加速度 = √(X² + Y² + Z²) ≈ 9.8 m/s²

**陀螺仪数据理解**：
- ✅ 静止时：0°/s±噪声
- ✅ 旋转时：几十到几百°/s

### 8. 集成方案

**在主程序中**：
```cpp
void imu_thread() {
    LOG_INFO("Starting IMU thread...");
    
    ICM42688 imu("/dev/spidev0.0", 0);  // SPI 模式
    if (!imu.init()) {
        LOG_ERROR("Failed to initialize IMU");
        return;
    }
    
    // UDP 发送器
    UDPSender udp(SERVER_HOST, UDP_PORT);
    
    while (g_running) {
        if (imu.read_sensor()) {
            // 构造 IMU 数据包
            ImuData data = {
                .ax = imu.get_accel_x(),
                .ay = imu.get_accel_y(),
                .az = imu.get_accel_z(),
                .gx = imu.get_gyro_x(),
                .gy = imu.get_gyro_y(),
                .gz = imu.get_gyro_z(),
                .temp = imu.get_temperature()
            };
            
            // UDP 发送
            udp.send((uint8_t*)&data, sizeof(data));
        }
        usleep(10000);  // 100Hz
    }
}
```

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## 🏆 Day 4 成果（更新）

### 核心成就

1. ✅ **确认硬件类型**：模拟麦克风（非 PDM/DMIC）
2. ✅ **验证 Device Tree**：audiocodec 已完整配置
3. ✅ **创建测试脚本**：[`test_mic.sh`](file:///d:/CodingProjects/Antigravity/AvaotaF1/src/test_mic.sh)
4. ✅ **完成硬件测试**：录音功能正常
5. ✅ **调优增益参数**：MIC Gain = 25 (最佳)
6. ✅ **集成方案设计**：AudioCapture 集成代码
7. ✅ **IMU 配置完成**：ICM-42688 SPI 模式成功
8. ✅ **6 轴数据采集**：加速度、陀螺仪、温度

### 技术文档

- [MIC.md](file:///d:/CodingProjects/Antigravity/AvaotaF1/MIC.md) - 官方麦克风使用文档
- [board.dts](file:///d:/CodingProjects/Antigravity/AvaotaF1/board.dts) - Device Tree 配置
- [test_mic.sh](file:///d:/CodingProjects/Antigravity/AvaotaF1/src/test_mic.sh) - 麦克风测试脚本
- [icm42688_spi.cpp](file:///d:/CodingProjects/Antigravity/AvaotaF1/src/imu/icm42688_spi.cpp) - IMU SPI 驱动
- [test_imu.cpp](file:///d:/CodingProjects/Antigravity/AvaotaF1/src/test_imu.cpp) - IMU 测试程序

### 测试结果

| 测试项 | 状态 | 备注 |
|--------|------|------|
| ALSA 设备识别 | ✅ 通过 | audiocodec (card 0) |
| MIC Switch 配置 | ✅ 通过 | amixer 控制正常 |
| 录音功能 | ✅ 通过 | 5 秒录音成功 |
| 音质测试 | ✅ 通过 | 清晰、无明显杂音 |
| 增益调优 | ✅ 完成 | MIC Gain = 25 最佳 |
| **IMU 识别** | ✅ 通过 | WHO_AM_I = 0x47 |
| **IMU 数据读取** | ✅ 通过 | 6 轴数据正常 |
| **SPI 通信** | ✅ 通过 | GPIO 模拟稳定 |

### 配置完成度

**传感器系统**：
- ✅ 音频播放（I2S + MAX98357A）- Day 3 完成
- ✅ 音频采集（模拟麦克风 + audiocodec）- Day 4 完成
- ✅ IMU 传感器（ICM-42688 SPI）- Day 4 完成
- ⏳ 摄像头（GC2083 MIPI）- 待完成
- ⏳ 端到端集成（WebSocket + HTTP + UDP）- 待完成

**整体进度**：约 **70%** (+10%)

---

## 下一步计划

### 短期目标（Day 5）

1. **音频系统集成**
   - 集成 MIC 配置到主程序
   - WebSocket 音频上传测试
   - HTTP TTS 下载播放测试
   - 完整语音对话闭环验证

2. **IMU 系统集成**
   - 集成到主程序多线程
   - UDP 数据上报
   - 姿态解算（可选）

### 中期目标（Day 6-7）

3. **摄像头系统**
   - GC2083 配置
   - MPP 库集成
   - JPEG 硬件编码
   - WebSocket 图像上传

4. **系统完整集成**
   - 多线程协同
   - 性能优化
   - 稳定性测试

---

## 经验总结

### 收获

1. **硬件确认的重要性**
   - 开发前必须确认实际硬件类型
   - 文档（MIC.md）比猜测更可靠

2. **Device Tree 的灵活性**
   - 如果驱动已配置，无需重复造轮子
   - 运行时配置（amixer）比编译时更灵活

3. **逐步调优的必要性**
   - 增益参数需要实测调优
   - 音量和音质需要平衡

4. **接口选型的技巧**
   - I2C：简单但对时序要求高，易受干扰
   - SPI：引脚多但可靠性高，速度快
   - 遇到 I2C 问题时，尝试 SPI 是明智选择

5. **GPIO 模拟的实用性**
   - 绕过复杂的 Device Tree 配置
   - 完全用户空间实现，调试方便
   - 性能对 IMU 等低速设备完全够用

### 启示

- **模拟麦克风 vs PDM**：模拟方案配置更简单，但抗干扰能力较弱
- **运行时配置**：MIC Switch 默认关闭，需要程序主动打开
- **增益设置**：过高会放大噪声，过低影响音量，需要找到平衡点
- **SPI vs I2C**：高性能场景优先选择 SPI
- **传感器数据理解**：加速度计测量重力+运动，静止时仍有读数

---

**模拟麦克风 + IMU 传感器配置完成！** 🎉