基于炬芯(Actions) ATS3019+Vesper VA1200的TWS骨传导蓝牙耳机方案

我们是如何听到声音的呢?一种是通过空气传播的方式,声音震动耳膜触发听觉;还有一种骨传导的方式,通过头骨将声音传至听觉神经。音乐家贝多芬在失聪后用牙齿咬着一根木棍抵住钢琴,声音通过木棍和骨传导的方式传至听觉神经,从而获得声音。在日常生活中也会经常体验到这一传音方式,比如在吃东西时的咀嚼声、喝水声等。近几年,随着蓝牙耳机的发展,骨传导技术也被运用到了其中。苹果AirPods系列、华为FreeBuds 3、漫步者DreamPods为代表的骨传导通话降噪耳机。通过将使用者发出的声音通过骨传的方式收集,实现避免外界声音干扰,使通话更清晰的效果。

基于炬芯(Actions) ATS3019+Vesper VA1200的TWS骨传导蓝牙耳机方案,这个方案最主要的特点是搭载骨传导通话降噪技术,实时分离人声和环境噪音。并且通过骨振动传导佩戴人的语音信号,结合AI人声提取,智能识别说话状态,无论身处怎样的环境,都能让你的声音不带任何杂音的传到对方的耳朵里,有效隔绝周围人声和环境噪音,大幅度提升通话的清晰度和隐秘性。

ATC3019主控芯片来自Actions炬芯科技,炬芯新一代蓝牙耳机芯片ATS301X系列拥有蓝牙5.0双模配置,发射功率最高达10dBm,接收灵敏度-95dBm,有效地提升了音频连接的稳定性。在常规音频播放的情况下空载功耗能够低至5.xmA,同时支持低延时模式,蓝牙音频信号延时低至40ms。

炬芯ATS301X系列部分技术规格


VA1200是世界上第一个压电MEMS语音加速度计,VA1200可用于拾取佩戴者的通过骨骼传导自己的声音。使用VA1200语音加速度计与标准麦克风配合使用, 最终产品可以实现出色的背景音和风噪声的减少。VA1200具有2.9毫米X 2.76毫米X 0.9毫米的超小尺寸封装,兼容回流焊,无灵敏度降解。具备防尘和防潮,可以在环境恶劣的环境中运行 。

硬件项目开发方面
原理图设计总体原则:
1. 原理图设计需按照方案规格的要求实现各项硬件功能,尽量避免功能模块相互间的资源冲突。
2. 原理图设计要求性能达到要求。如稳定性,启动电压,功耗, ESDEMI 等。要注意检查模块电源开关状态,选择的元件标称及精度、材质,接口保护元件和 EMI 滤波器等。
3. 系统时钟为 24MHZ,一般选取 CL 8PF 左右(范围为 810pF), 精度为±10PPM,温度频偏±10PPM。 这样才能保证系统能正常工作。晶体参考厂家选择见关键性物料晶体部分说明。
GPIO8 由于靠近晶体,不能用于 PWM 输出, 不能用于产生频繁翻转的信号输出,只能用于简单输入检测端或输出端固定高低电平控制。
4. 如果存在 I/O 复用,接口复用等情况,需注意检查 I/O 上电状态,接口时序等,确保功能设计正确实现。

PCB 设计总体说明:
1PCB 设计推荐四层板。地线的铜箔尽量大且完整,使用地线将高速信号包住,或者通过地线将敏感信号和干扰源隔离开。
2PCB 不做分地处理。
3. 元件布局尽量将敏感元件放在 PCB 中间,如主控,晶体等。布局优先顺序按照主控、RF 电路、晶振、 PMU 滤波电容。 还有音频的连接点要尽可能远离天线。 喇叭及其接线焊盘需要尽量远离天线
4ATS301X 上的 EPAD,需要均匀多打地孔
5IO 口的控制线、时钟线和数字信号走线,一般走 56mil,模拟的音频线一般走 6~8mil。对于电源走线,可根据电流的大小来决定,一般会在 1020 mil 之间。
6. 整个 PCB 的地平面要完整、连通。如器件过多或板子面积小,尽量保证有器件底下就是地, 整并多打地孔。 ESD 器件到电池地有一块完整连通的地平面。 注:所有 PCB 走线, 最好能设计成微带线。
7. 晶体放置尽可能不要太靠近 IC(最好有 3mm 的间距) 和天线(越远越好), 就是不要靠近 TRX 网络(IC 32pin) 放置。晶体要靠近 IC 放置。但是,其接地点要远离 IC 端。 并且,必须远离天线。

其他电源方面、蓝牙部分、音频部分、按键 Key、电池检测、测试点注意规范、ESD、EMI相关电路图设计及其原理说明和PCB 设计说明参考下面博文阅读:
炬芯(Actions)TWS ATS301X 之硬件设计指南(上)
炬芯(Actions)TWS ATS301X 之硬件设计指南(中)
炬芯(Actions)TWS ATS301X 之硬件设计指南(下)
炬芯(Actions)TWS ATS301X 之认证测试操作指南
炬芯(Actions)TWS ATS301X 之自动化测试操作指南
炬芯(Actions)TWS ATS301X 之ATT工具使用说明

在方案开发过程中,发现蓝牙耦合问题,会影响骨传导传播信号,通过增加15pF射频噪声滤波器,增加400欧姆差动设计,有助于解决射频噪声问题。



项目软件开发方面
客户工程师拿到软件发布包之后,可以按照如下流程开发自己的耳机产品。 对于配置项,下面只是简单描述,如果需要详细了解,可以联系相关FAE。 此外,开发的时候可以不限于这些配置, 还可以根据方案需求的不同,修改应用层的代码, 进行更深入的配置和开发,下面介绍一下主要的简单版开发流程。

1、购买下载器件
我们支持两种升级方式,分别是串口升级和无线升级,如果是串口升级,则需要准备串口线,可以使用网购的串口线, 但是为了提高生产效率,串口速度最高会提到 3M bps,所以需要 选择质量更好的串口线。如果是无线升级,则需要购买支持 SPP 服务的 Dongle,或者使用支持无线蓝牙的笔记本。
2、安装配置工具
在发布包的 Tools 目录下,打开 CONFIG 目录,双击 setup.exe 即可安装。 配置工具主要有三个区,如下图所示,其中“配置项显示区”包含了所有的配置项,点击某个配置项,就会在“配置区”显示这个配置项的内容并可以进行配置和编辑,工具栏区主要包含一些常规的操作,比如“打开固件”、“保存固件”、“导入配置”、“导出配置”、“下载固件”、“串口选择”、“OTA 使能”、“蓝牙列表搜索界面”等等。

其中,针对工具栏区的每个图标的作用,解释如下:

图标 1:打开固件、图标 2:保存固件、图标 3:导入配置 bin 文件、图标 4:导出配置 bin 文件、图标 5:下载固件、图标 6: 选择串口、图标 7:使能 OTA 下载功能、图标 8:蓝牙设备搜索列表(使能 OTA 之后才有效)、图标 9:启动蓝牙设备搜索(使能 OTA 之后才有效)、图标 10:获取固件版本号(使能 OTA 之后才有效)。
3、 打开标准固件
打开配置工具后,会提示选择固件,然后选择发布包的 Firmware 目录下 US301A.FW。 或者打开 Firmware 目录下的 user 开发包编译链接生成的固件亦可。
4、配置固件功能
在配置工具左侧栏有很多配置项,开发者可以针对自己产品的需求对固件功能进行配置,基于标案的功能上,一般需要配置版本信息,蓝牙名称和地址, 按键及其功能映射, LED,充电参数,语音和提示音等,配置好之后可以直接下载。
5、 调试声音效果
点击左侧栏“音效调节”,客户调节蓝牙音乐音效、蓝牙通话输出音效、蓝牙通话 MIC 音效,由于用料不同,不同耳机的喇叭音色也不一样,客户可以通过 EQ 等参数的调节,让声音变得更好听。
音效调节界面

通话调节界面

6、烧录固件测试
配置好之后可以进行固件升级,升级方式可以使用串口升级或者 Dongle 升级,具体的操作可以参考“串口升级和无线升级” 这个章节的介绍。 烧录完成之后可以进行简单功能测试,确保固件升级成功,测试内容可以包括蓝牙名称、蓝牙播歌和通话、低功耗、音效和降噪等。

如果客户方案需求不同,需要修改应用层的代码, 进行更深入的配置和开发,需要安装cygwin 平台来编译SDK,可以参考下面方案链接的软件开发环境搭建部分:
基于炬芯(Actions) ATS2819的TWS蓝牙音箱方案

如果是第一次使用 sdk,则在 cygwin 中 cd 到 user 目录执行 make clean;make 即可进行编译链接,如果不是第一次使用 sdk,则 cd 到 user 目录执行 make 即可。执行命令之后会同时在 \user\fwpkg 目录下生成固件,固件的名称为 US301A.FW。参考下面博文:
炬芯(Actions)TWS ATS301X 之应用代码开发指南

场景应用图

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产品实体图

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展示版照片

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方案方块图

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VesperTWS示例算法框图

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TWS音频输入系统框图

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核心技术优势

ATS3019芯片优势: 1.通过配置工具进行方案开发,无需写代码(定制化功能可以自行修改代码); 2.支持蓝牙 5.0 协议栈、 HFP V1.7, A2DP V1.3, AVRCP V1.6, HID V1.0 等 Profile; 3.BLE 广播及其相关功能、双手机连接和 TWS 组队、 TWS 场景蓝牙无主从设计、 TWS 双耳播歌(sbc)、 TWS 双耳通话(cvsd)、 HID 拍照控制等应用场景; 4.播报来电号码和来电铃声、三方通话、末号回拨、 通话静音、 SIRI 等功能;通话 PLC、 AEC、 AGC、 ANS、 CNG 等算法调节; 5.支持电量上报和音量同步、播歌通话等场景的音效调节, 14 段 PEQ、限幅和预衰减; VA1200芯片优势: 1. 提供出色的背景音、风噪的抑制; 2. 小尺寸 – 2.9mm x 2.76 mm x 0.9mm; 3. 单端模拟输出 ; 4. 用于用户语音拾取的高频带宽; 5.针对TWS耳机很好的兼容性:非常合适的尺寸、功率、性能和成本。 整体方案优势: 具备良好性价比的主控平台以及骨声纹通话降噪技术,使整体方案具备良好性价比并且通话质量优于市面大部分耳机方案。

方案规格

一、ATS3019 芯片规格: 1. QFN32 封装, 4*4*0.75mm, Pitch 0.4mm; 2. 32 bit RISC, 主频 200Mhz; 3. 支持 V5.0,兼容蓝牙 V4.2/V4.0 LE/V3.0/V2.1 +EDR Systems; 4. 内置 ROM、 8Mbits SPI Flash 以及 216K bytes RAM; 5. 通信接口: SPI*2, UART*2, I2C*2; 6. 音频输出: 16bit 双声道立体声, 18 mW PA,可选差分或单端输出, I2S TX;音频输入:支持双 MIC 和 AUX; 7. PIN 资源: 9 路 GPIO, 5 路 PWM, 4 路 LRADC;集成电源管理,支持锂电池和 DC5V 供电, 10ma~300ma 充电电流可选。 二、VA1200芯片规格: 1. 尺寸: 2.90 X 2.75 X 0.9 mm; 2. 电流消耗: 150uA; 3. 带宽: 2.4 kHz; 4. 共振频率 : 3 kHz; 5. 所有轴机械稳定性都是10kgee。

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