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# Avaota F1 开发日志 - Day 4：模拟麦克风配置
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**版本**：v1.0
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**日期**：2025-11-26
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**主机环境**：Windows + Ubuntu 24.04 LTS
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**目标平台**：Avaota F1 (全志 V821 / 32-bit RISC-V)
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## 项目背景
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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
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### 1. 文档确认
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查阅 [`MIC.md`](file:///d:/CodingProjects/Antigravity/AvaotaF1/MIC.md) 文档后确认：
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**硬件配置**：
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- **麦克风类型**：模拟麦克风（板载）
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- **接口**：通过芯片内部 Audio Codec
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- **ALSA 设备名称**：`hw:audiocodec` 或 `hw:0,0`
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- **驱动**：`audiocodec` (已内置于内核)
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**关键区别**：
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| 项目 | 原计划 (PDM/DMIC) | 实际硬件 (模拟麦克风) |
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|------|-------------------|----------------------|
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| **接口** | PDM 数字信号 | 模拟信号 → ADC |
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| **Device Tree** | 需配置 `&dmic` 节点 | 使用 `&codec` 节点 |
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| **引脚配置** | 需 pinctrl 设置 | 无需额外引脚配置 |
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| **ALSA 设备** | `hw:snddmic` | `hw:audiocodec` |
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| **运行时配置** | 即插即用 | 需打开 MIC Switch |
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**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
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### 1. 检查现有配置
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查看 [`board.dts`](file:///d:/CodingProjects/Antigravity/AvaotaF1/board.dts) 第 759-797 行：
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```dts
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&codec {
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tx-hub-en;
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rx-sync-en;
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dac-vol = <63>; /* DAC 音量 */
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dacl-vol = <160>; /* DAC L 音量 */
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adc-vol = <160>; /* ✅ ADC 音量（麦克风采集）*/
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lineout-gain = <31>; /* LINEOUT 增益 */
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mic-gain = <31>; /* ✅ 麦克风增益（最大值）*/
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adcdelaytime = <0>; /* ADC 延迟时间 */
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pa-pin-max = <1>;
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pa-pin-0 = <&pio PC 15 GPIO_ACTIVE_HIGH>;
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pa-pin-level-0 = <1>;
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pa-pin-msleep-0 = <0>;
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status = "okay"; /* ✅ 已启用 */
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};
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&codec_plat {
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status = "okay";
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};
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&codec_mach {
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status = "okay";
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soundcard-mach,cpu {
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sound-dai = <&codec_plat>;
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};
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soundcard-mach,codec {
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sound-dai = <&codec>;
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};
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};
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```
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**验证结果**：
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- ✅ `&codec` 节点已启用（`status = "okay"`）
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- ✅ `mic-gain` 已设置为 31（最大值）
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- ✅ `adc-vol` 已配置为 160
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- ✅ **无需修改 Device Tree**
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## 第三部分：测试脚本开发
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### 1. 创建自动化测试脚本
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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：
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**功能**：
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1. 检查 ALSA 设备
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2. 配置麦克风（打开 MIC Switch，设置 Gain）
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3. 执行 5 秒录音测试
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4. 播放录音验证
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**关键命令**：
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```bash
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# 打开 MIC 开关（必须）
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amixer -Dhw:audiocodec cset name="MIC Switch" 1
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# 设置 MIC 增益
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amixer -Dhw:audiocodec cset name="MIC Gain" 15
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# 录音测试
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arecord -D hw:audiocodec -f S16_LE -t wav -r 16000 -c 1 -d 5 /tmp/test_mic.wav
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# 播放验证（使用 I2S 扬声器）
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aplay -D hw:1,0 /tmp/test_mic.wav
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```
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## 第四部分：开发板测试
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### 1. ALSA 设备验证
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在开发板上检查音频设备：
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```bash
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root@(none):/# cat /proc/asound/cards
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0 [audiocodec ]: audiocodec - audiocodec
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audiocodec
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1 [sndi2s0 ]: sndi2s0 - sndi2s0
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sndi2s0
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```
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✅ **结果**：audiocodec (card 0) 和 sndi2s0 (card 1) 都已正常识别。
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```bash
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root@(none):/# arecord -l
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**** List of CAPTURE Hardware Devices ****
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card 0: audiocodec [audiocodec], device 0: ...
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```
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✅ **结果**：audiocodec 录音设备已注册。
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### 2. 麦克风配置测试
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执行配置命令：
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```bash
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# 打开 MIC 开关
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root@(none):/# amixer -Dhw:audiocodec cset name="MIC Switch" 1
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numid=16,iface=MIXER,name='MIC Switch'
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; type=BOOLEAN,access=rw------,values=1
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: values=on
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# 设置初始增益为 15
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root@(none):/# amixer -Dhw:audiocodec cset name="MIC Gain" 15
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numid=15,iface=MIXER,name='MIC Gain'
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||
; type=INTEGER,access=rw---R--,values=1,min=0,max=31,step=0
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: values=15
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```
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✅ **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）
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```bash
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root@(none):/# arecord -D hw:audiocodec -f S16_LE -t wav -r 16000 -c 1 -d 5 /tmp/test.wav
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Recording WAVE 'stdin' : Signed 16 bit Little Endian, Rate 16000 Hz, Mono
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root@(none):/# ls -lh /tmp/test.wav
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-rw-r--r-- 1 root root 160.0K Nov 26 15:32 test.wav
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root@(none):/# aplay -D hw:1,0 /tmp/test.wav
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||
Playing WAVE '/tmp/test.wav' : Signed 16 bit Little Endian, Rate 16000 Hz, Mono
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```
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✅ **结果**：
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- 录音成功，文件大小正常（160KB ≈ 5 秒 @ 16kHz）
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- 播放时**有声音，听得清**
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- **但声音很小**
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### 4. 增益调优
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**问题**：MIC Gain 15 时音量较小
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**方案**：逐步增加增益值
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#### 测试 1：MIC Gain = 25
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```bash
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root@(none):/# amixer -Dhw:audiocodec cset name="MIC Gain" 25
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root@(none):/# arecord -D hw:audiocodec -f S16_LE -t wav -r 16000 -c 1 -d 5 /tmp/test2.wav
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||
root@(none):/# aplay -D hw:1,0 /tmp/test2.wav
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```
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✅ **结果**：音量适中，清晰度良好
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#### 测试 2：MIC Gain = 31 (最大值)
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```bash
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root@(none):/# amixer -Dhw:audiocodec cset name="MIC Gain" 31
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root@(none):/# arecord -D hw:audiocodec -f S16_LE -t wav -r 16000 -c 1 -d 5 /tmp/test3.wav
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||
root@(none):/# aplay -D hw:1,0 /tmp/test3.wav
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```
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✅ **结果**：音量最大，但有轻微底噪
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**最佳配置**：**MIC Gain = 25**
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- 音量适中
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- 音质清晰
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- 无明显杂音
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## 第五部分：AudioCapture 集成
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### 1. 验证设备名称
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检查 [`test_audio.cpp`](file:///d:/CodingProjects/Antigravity/AvaotaF1/src/test_audio.cpp) 第 23 行：
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```cpp
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const char* DEVICE_NAME = "hw:0,0"; // audiocodec 是 card 0
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```
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✅ **兼容性**：
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- `hw:0,0` 正确指向 audiocodec
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- 也可以使用 `hw:audiocodec`（更明确）
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### 2. 集成方案
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在主程序 [`main.cpp`](file:///d:/CodingProjects/Antigravity/AvaotaF1/src/main.cpp) 的 `audio_capture_thread()` 中：
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```cpp
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void audio_capture_thread() {
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LOG_INFO("Starting audio capture thread...");
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// 1. 配置麦克风（打开 MIC 开关和增益）
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system("amixer -Dhw:audiocodec cset name='MIC Switch' 1");
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system("amixer -Dhw:audiocodec cset name='MIC Gain' 25");
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// 2. 初始化音频采集
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AudioCapture mic("hw:audiocodec", 16000, 1);
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if (!mic.init()) {
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LOG_ERROR("Failed to initialize microphone");
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return;
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}
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// 3. 连接 WebSocket 服务器
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WSClient ws_aud(SERVER_HOST, SERVER_PORT, "/ws_audio");
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if (!ws_aud.connect()) {
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LOG_ERROR("Failed to connect to audio WebSocket");
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return;
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}
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// 4. 音频采集循环
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int16_t buffer[320]; // 20ms @ 16kHz
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while (g_running) {
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snd_pcm_sframes_t frames = mic.read(buffer, 320);
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if (frames > 0) {
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||
// 发送音频数据到服务器
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||
ws_aud.send_binary((uint8_t*)buffer, frames * 2);
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||
}
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}
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||
LOG_INFO("Audio capture thread stopped");
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}
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```
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**关键点**：
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- 使用 `system()` 调用 `amixer` 配置（简单直接）
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- 或者可以使用 ALSA Mixer API（更优雅）
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## 第六部分：技术总结
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### 1. 关键发现
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**硬件差异**：
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- 原计划：PDM 数字麦克风（DMIC）
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- 实际硬件：模拟麦克风（Audio Codec ADC）
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**配置方式**：
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- Device Tree：✅ 已完整配置，无需修改
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- 运行时：需通过 `amixer` 打开 MIC Switch
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### 2. 配置要点
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| 配置项 | 说明 | 推荐值 |
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|--------|------|--------|
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| **MIC Switch** | 麦克风开关 (必须打开) | `1` (on) |
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| **MIC Gain** | 麦克风增益 (0-31) | `25` |
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| **ADC Volume** | ADC 音量 (0-255) | `160` (默认) |
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### 3. 音频参数
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- **采样率**：16000 Hz (16kHz)
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- **位深度**：16-bit signed PCM (S16_LE)
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- **声道数**：1 (Mono)
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- **ALSA 设备**：`hw:audiocodec` 或 `hw:0,0`
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## 第七部分：问题与解决
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### 问题 1：音量太小
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**现象**：MIC Gain 15 时录音音量偏小
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**原因**：初始增益设置过低
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**解决**：增加 MIC Gain 到 25
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### 问题 2：增益过高有杂音
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**现象**：MIC Gain 31 时有轻微底噪
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**原因**：增益过高放大了底噪
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**解决**：降低到 25，平衡音量和音质
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## 🏆 Day 4 成果
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### 核心成就
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1. ✅ **确认硬件类型**：模拟麦克风（非 PDM/DMIC）
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2. ✅ **验证 Device Tree**：audiocodec 已完整配置
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3. ✅ **创建测试脚本**：[`test_mic.sh`](file:///d:/CodingProjects/Antigravity/AvaotaF1/src/test_mic.sh)
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4. ✅ **完成硬件测试**：录音功能正常
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5. ✅ **调优增益参数**：MIC Gain = 25 (最佳)
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6. ✅ **集成方案设计**：AudioCapture 集成代码
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### 技术文档
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- [MIC.md](file:///d:/CodingProjects/Antigravity/NaviGlass/NaviGlassClient/MIC.md) - 官方麦克风使用文档
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- [board.dts](file:///d:/CodingProjects/Antigravity/NaviGlass/NaviGlassClient/board.dts) - Device Tree 配置
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- [test_mic.sh](file:///d:/CodingProjects/Antigravity/NaviGlass/NaviGlassClient/src/test_mic.sh) - 自动化测试脚本
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- [Microphone_Configuration_Complete.md](file:///d:/CodingProjects/Antigravity/NaviGlass/Docs/Microphone_Configuration_Complete.md) - 完整配置报告
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### 测试结果
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| 测试项 | 状态 | 备注 |
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|--------|------|------|
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| ALSA 设备识别 | ✅ 通过 | audiocodec (card 0) |
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| MIC Switch 配置 | ✅ 通过 | amixer 控制正常 |
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| 录音功能 | ✅ 通过 | 5 秒录音成功 |
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| 音质测试 | ✅ 通过 | 清晰、无明显杂音 |
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| 增益调优 | ✅ 完成 | MIC Gain = 25 最佳 |
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### 配置完成度
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**音频系统**：
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- ✅ 音频播放（I2S + MAX98357A）- Day 3 完成
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- ✅ 音频采集（模拟麦克风 + audiocodec）- Day 4 完成
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- ⏳ 端到端集成（WebSocket + HTTP）- 待完成
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**整体进度**：约 **60%** (+10%)
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## 下一步计划
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### 短期目标（Day 5）
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1. **音频系统集成**
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- 集成 MIC 配置到主程序
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- WebSocket 音频上传测试
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- HTTP TTS 下载播放测试
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- 完整语音对话闭环验证
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2. **或进入摄像头开发**（取决于优先级）
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- GC2083 摄像头配置
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- MPP 库集成
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- JPEG 硬件编码
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### 中期目标（Day 6-7）
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3. **摄像头系统**
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- ISP 参数加载
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- 视频流采集
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- WebSocket 图像上传
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4. **IMU 系统**
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- MPU6050 I2C 配置
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- 数据读取和校准
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- UDP 上报
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5. **系统完整集成**
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- 多线程协同
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- 性能优化
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- 稳定性测试
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## 经验总结
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### 收获
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1. **硬件确认的重要性**
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- 开发前必须确认实际硬件类型
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- 文档（MIC.md）比猜测更可靠
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2. **Device Tree 的灵活性**
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- 如果驱动已配置，无需重复造轮子
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- 运行时配置（amixer）比编译时更灵活
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||
3. **逐步调优的必要性**
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||
- 增益参数需要实测调优
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||
- 音量和音质需要平衡
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||
### 启示
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- **模拟麦克风 vs PDM**：模拟方案配置更简单，但抗干扰能力较弱
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- **运行时配置**：MIC Switch 默认关闭，需要程序主动打开
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- **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
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### 1. 硬件选型
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**传感器型号**：ICM-42688-P
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- 6 轴 IMU（3 轴加速度计 + 3 轴陀螺仪）
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- 支持 I2C 和 SPI 双接口
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- 高精度、低功耗
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- TDK InvenSense 出品
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### 2. 接口选择：I2C vs SPI
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#### I2C 尝试（失败）
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**初始方案**：
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- 使用 GPIO 模拟 I2C（PD3/PD2）
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- 原因：硬件 I2C 引脚配置复杂
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**遇到的问题**：
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1. Device Tree 配置困难
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- PD1/PD2 支持 TWI0，但 PD1 被其他功能占用
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- PL2/PL3 不支持 TWI0 功能
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2. 设备响应地址但拒绝寄存器访问
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||
- `Write addr (0xD0): ACK` - 地址响应正常
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||
- `Write reg (0x75): NACK` - 寄存器访问失败
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||
3. 可能原因：
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- 需要特殊的初始化序列
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- 寄存器 Bank 切换问题
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||
- I2C 时序要求严格
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#### SPI 方案（成功）✅
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**优势**：
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- 协议简单，无 ACK/NACK 握手
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- 时序可靠，主设备完全控制
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- 高速传输（可达 MHz 级）
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||
- ICM-42688 官方推荐接口
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||
**实现方式**：GPIO 模拟 SPI
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||
### 3. 硬件连接（SPI 模式）
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```
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ICM-42688 模块 → Avaota F1
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-------------- ---------
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||
VCC → 3.3V
|
||
GND → GND
|
||
SCL/SCLK → PD3 (GPIO 99)
|
||
SDA/MOSI → PD2 (GPIO 98)
|
||
AD0/MISO → PD4 (GPIO 100)
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||
CS → PD5 (GPIO 101)
|
||
INT1/INT2 → 悬空（未使用）
|
||
```
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||
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||
### 4. 软件实现
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||
|
||
**驱动文件**：[`icm42688_spi.cpp`](file:///d:/CodingProjects/Antigravity/AvaotaF1/src/imu/icm42688_spi.cpp)
|
||
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||
**关键特性**：
|
||
- GPIO 模拟 SPI（Mode 0: CPOL=0, CPHA=0）
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||
- 速度约 500kHz（可调）
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||
- 完整的寄存器读写功能
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||
- 6 轴数据读取（加速度、陀螺仪、温度）
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||
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||
**SPI 时序实现**：
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```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;
|
||
}
|
||
```
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||
|
||
**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）：
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[Sample 1]
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Accel: X= -2.52 Y= -9.40 Z= 1.37 m/s²
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Gyro: X= -0.06 Y= 0.00 Z= -0.18 °/s
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Temp: 19.33 °C
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**数据分析**：
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- ✅ **加速度计**：总加速度 ≈ 9.8 m/s²（重力加速度）
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- ✅ **陀螺仪**：接近 0°/s（静止状态）
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- ✅ **温度**：19.3°C（室温）
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- ✅ **数据稳定**：10 次采样波动极小
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### 6. 配置参数
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| 参数 | 配置值 | 说明 |
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|------|--------|------|
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| 加速度计量程 | ±16g | `AFS_16G` |
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| 陀螺仪量程 | ±2000°/s | `GFS_2000DPS` |
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| 输出数据率 | 1kHz | `ODR_1KHZ` |
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| SPI 时钟 | ~500kHz | GPIO 模拟 |
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### 7. 技术要点
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**为什么加速度计静止也有数值？**
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传感器测量的是**加速度**，包括：
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- 运动加速度（移动时产生）
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- 重力加速度（始终存在，约 9.8 m/s²）
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静止状态下：
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- 运动加速度 = 0
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- 重力加速度 ≠ 0（分解在 X/Y/Z 三轴）
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- 总加速度 = √(X² + Y² + Z²) ≈ 9.8 m/s²
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**陀螺仪数据理解**：
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- ✅ 静止时：0°/s±噪声
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- ✅ 旋转时：几十到几百°/s
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### 8. 集成方案
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**在主程序中**：
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```cpp
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void imu_thread() {
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LOG_INFO("Starting IMU thread...");
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ICM42688 imu("/dev/spidev0.0", 0); // SPI 模式
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if (!imu.init()) {
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LOG_ERROR("Failed to initialize IMU");
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return;
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}
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// UDP 发送器
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UDPSender udp(SERVER_HOST, UDP_PORT);
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while (g_running) {
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if (imu.read_sensor()) {
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// 构造 IMU 数据包
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ImuData data = {
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.ax = imu.get_accel_x(),
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.ay = imu.get_accel_y(),
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.az = imu.get_accel_z(),
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.gx = imu.get_gyro_x(),
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.gy = imu.get_gyro_y(),
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.gz = imu.get_gyro_z(),
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.temp = imu.get_temperature()
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};
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// UDP 发送
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udp.send((uint8_t*)&data, sizeof(data));
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}
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usleep(10000); // 100Hz
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}
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}
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```
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## 🏆 Day 4 成果（更新）
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### 核心成就
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1. ✅ **确认硬件类型**：模拟麦克风（非 PDM/DMIC）
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2. ✅ **验证 Device Tree**：audiocodec 已完整配置
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3. ✅ **创建测试脚本**：[`test_mic.sh`](file:///d:/CodingProjects/Antigravity/AvaotaF1/src/test_mic.sh)
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4. ✅ **完成硬件测试**：录音功能正常
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5. ✅ **调优增益参数**：MIC Gain = 25 (最佳)
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6. ✅ **集成方案设计**：AudioCapture 集成代码
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7. ✅ **IMU 配置完成**：ICM-42688 SPI 模式成功
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8. ✅ **6 轴数据采集**：加速度、陀螺仪、温度
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### 技术文档
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- [MIC.md](file:///d:/CodingProjects/Antigravity/AvaotaF1/MIC.md) - 官方麦克风使用文档
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- [board.dts](file:///d:/CodingProjects/Antigravity/AvaotaF1/board.dts) - Device Tree 配置
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- [test_mic.sh](file:///d:/CodingProjects/Antigravity/AvaotaF1/src/test_mic.sh) - 麦克风测试脚本
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- [icm42688_spi.cpp](file:///d:/CodingProjects/Antigravity/AvaotaF1/src/imu/icm42688_spi.cpp) - IMU SPI 驱动
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- [test_imu.cpp](file:///d:/CodingProjects/Antigravity/AvaotaF1/src/test_imu.cpp) - IMU 测试程序
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### 测试结果
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| 测试项 | 状态 | 备注 |
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|--------|------|------|
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| ALSA 设备识别 | ✅ 通过 | audiocodec (card 0) |
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| MIC Switch 配置 | ✅ 通过 | amixer 控制正常 |
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| 录音功能 | ✅ 通过 | 5 秒录音成功 |
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| 音质测试 | ✅ 通过 | 清晰、无明显杂音 |
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| 增益调优 | ✅ 完成 | MIC Gain = 25 最佳 |
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| **IMU 识别** | ✅ 通过 | WHO_AM_I = 0x47 |
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| **IMU 数据读取** | ✅ 通过 | 6 轴数据正常 |
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| **SPI 通信** | ✅ 通过 | GPIO 模拟稳定 |
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### 配置完成度
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**传感器系统**：
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- ✅ 音频播放（I2S + MAX98357A）- Day 3 完成
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- ✅ 音频采集（模拟麦克风 + audiocodec）- Day 4 完成
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- ✅ IMU 传感器（ICM-42688 SPI）- Day 4 完成
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- ⏳ 摄像头（GC2083 MIPI）- 待完成
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- ⏳ 端到端集成（WebSocket + HTTP + UDP）- 待完成
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**整体进度**：约 **70%** (+10%)
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## 下一步计划
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### 短期目标（Day 5）
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1. **音频系统集成**
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- 集成 MIC 配置到主程序
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- WebSocket 音频上传测试
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- HTTP TTS 下载播放测试
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- 完整语音对话闭环验证
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2. **IMU 系统集成**
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- 集成到主程序多线程
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- UDP 数据上报
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- 姿态解算（可选）
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### 中期目标（Day 6-7）
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3. **摄像头系统**
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- GC2083 配置
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- MPP 库集成
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- JPEG 硬件编码
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- WebSocket 图像上传
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4. **系统完整集成**
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- 多线程协同
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- 性能优化
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- 稳定性测试
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## 经验总结
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### 收获
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1. **硬件确认的重要性**
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- 开发前必须确认实际硬件类型
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- 文档（MIC.md）比猜测更可靠
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2. **Device Tree 的灵活性**
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- 如果驱动已配置，无需重复造轮子
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- 运行时配置（amixer）比编译时更灵活
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3. **逐步调优的必要性**
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- 增益参数需要实测调优
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- 音量和音质需要平衡
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4. **接口选型的技巧**
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- I2C：简单但对时序要求高，易受干扰
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- SPI：引脚多但可靠性高，速度快
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- 遇到 I2C 问题时，尝试 SPI 是明智选择
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5. **GPIO 模拟的实用性**
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- 绕过复杂的 Device Tree 配置
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- 完全用户空间实现，调试方便
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- 性能对 IMU 等低速设备完全够用
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### 启示
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- **模拟麦克风 vs PDM**：模拟方案配置更简单，但抗干扰能力较弱
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- **运行时配置**：MIC Switch 默认关闭，需要程序主动打开
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- **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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- **SPI vs I2C**：高性能场景优先选择 SPI
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- **传感器数据理解**：加速度计测量重力+运动，静止时仍有读数
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**模拟麦克风 + IMU 传感器配置完成！** 🎉
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