基於炬芯(Actions) ATS3019+Vesper VA1200的TWS骨傳導藍牙耳機方案

我們是如何聽到聲音的呢?一種是通過空氣傳播的方式,聲音震動耳膜觸發聽覺;還有一種骨傳導的方式,通過頭骨將聲音傳至聽覺神經。音樂家貝多芬在失聰後用牙齒咬著一根木棍抵住鋼琴,聲音通過木棍和骨傳導的方式傳至聽覺神經,從而獲得聲音。在日常生活中也會經常體驗到這一傳音方式,比如在吃東西時的咀嚼聲、喝水聲等。近幾年,隨著藍牙耳機的發展,骨傳導技術也被運用到了其中。蘋果AirPods系列、華為FreeBuds 3、漫步者DreamPods為代表的骨傳導通話降噪耳機。通過將使用者發出的聲音通過骨傳的方式收集,實現避免外界聲音干擾,使通話更清晰的效果。

基於炬芯(Actions) ATS3019+Vesper VA1200的TWS骨傳導藍牙耳機方案,這個方案最主要的特點是搭載骨傳導通話降噪技術,實時分離人聲和環境噪音。並且通過骨振動傳導佩戴人的語音信號,結合AI人聲提取,智能識別說話狀態,無論身處怎樣的環境,都能讓你的聲音不帶任何雜音的傳到對方的耳朵里,有效隔絕周圍人聲和環境噪音,大幅度提升通話的清晰度和隱秘性。

ATC3019主控晶片來自Actions炬芯科技,炬芯新一代藍牙耳機晶片ATS301X系列擁有藍牙5.0雙模配置,發射功率最高達10dBm,接收靈敏度-95dBm,有效地提升了音頻連接的穩定性。在常規音頻播放的情況下空載功耗能夠低至5.xmA,同時支持低延時模式,藍牙音頻信號延時低至40ms。

炬芯ATS301X系列部分技術規格


VA1200是世界上第一個壓電MEMS語音加速度計,VA1200可用於拾取佩戴者的通過骨骼傳導自己的聲音。使用VA1200語音加速度計與標準麥克風配合使用, 最終產品可以實現出色的背景音和風噪聲的減少。VA1200具有2.9毫米X 2.76毫米X 0.9毫米的超小尺寸封裝,兼容回流焊,無靈敏度降解。具備防塵和防潮,可以在環境惡劣的環境中運行 。

硬體項目開發方面
原理圖設計總體原則:
1. 原理圖設計需按照方案規格的要求實現各項硬體功能,儘量避免功能模塊相互間的資源衝突。
2. 原理圖設計要求性能達到要求。如穩定性,啟動電壓,功耗, ESDEMI 等。要注意檢查模塊電源開關狀態,選擇的元件標稱及精度、材質,接口保護元件和 EMI 濾波器等。
3. 系統時鐘為 24MHZ,一般選取 CL 8PF 左右(範圍為 810pF), 精度為±10PPM,溫度頻偏±10PPM。 這樣才能保證系統能正常工作。晶體參考廠家選擇見關鍵性物料晶體部分說明。
GPIO8 由於靠近晶體,不能用於 PWM 輸出, 不能用於產生頻繁翻轉的信號輸出,只能用於簡單輸入檢測端或輸出端固定高低電平控制。
4. 如果存在 I/O 復用,接口復用等情況,需注意檢查 I/O 上電狀態,接口時序等,確保功能設計正確實現。

PCB 設計總體說明:
1PCB 設計推薦四層板。地線的銅箔儘量大且完整,使用地線將高速信號包住,或者通過地線將敏感信號和干擾源隔離開。
2PCB 不做分地處理。
3. 元件布局儘量將敏感元件放在 PCB 中間,如主控,晶體等。布局優先順序按照主控、RF 電路、晶振、 PMU 濾波電容。 還有音頻的連接點要儘可能遠離天線。 喇叭及其接線焊盤需要儘量遠離天線
4ATS301X 上的 EPAD,需要均勻多打地孔
5IO 口的控制線、時鐘線和數字信號走線,一般走 56mil,模擬的音頻線一般走 6~8mil。對於電源走線,可根據電流的大小來決定,一般會在 1020 mil 之間。
6. 整個 PCB 的地平面要完整、連通。如器件過多或板子面積小,儘量保證有器件底下就是地, 整並多打地孔。 ESD 器件到電池地有一塊完整連通的地平面。 註:所有 PCB 走線, 最好能設計成微帶線。
7. 晶體放置儘可能不要太靠近 IC(最好有 3mm 的間距) 和天線(越遠越好), 就是不要靠近 TRX 網絡(IC 32pin) 放置。晶體要靠近 IC 放置。但是,其接地點要遠離 IC 端。 並且,必須遠離天線。

其他電源方面、藍牙部分、音頻部分、按鍵 Key、電池檢測、測試點注意規範、ESD、EMI相關電路圖設計及其原理說明和PCB 設計說明參考下面博文閱讀:
炬芯(Actions)TWS ATS301X 之硬體設計指南(上)
炬芯(Actions)TWS ATS301X 之硬體設計指南(中)
炬芯(Actions)TWS ATS301X 之硬體設計指南(下)
炬芯(Actions)TWS ATS301X 之認證測試操作指南
炬芯(Actions)TWS ATS301X 之自動化測試操作指南
炬芯(Actions)TWS ATS301X 之ATT工具使用說明

在方案開發過程中,發現藍牙耦合問題,會影響骨傳導傳播信號,通過增加15pF射頻噪聲濾波器,增加400歐姆差動設計,有助於解決射頻噪聲問題。



項目軟體開發方面
客戶工程師拿到軟體發布包之後,可以按照如下流程開發自己的耳機產品。 對於配置項,下面只是簡單描述,如果需要詳細了解,可以聯繫相關FAE。 此外,開發的時候可以不限於這些配置, 還可以根據方案需求的不同,修改應用層的代碼, 進行更深入的配置和開發,下面介紹一下主要的簡單版開發流程。

1、購買下載器件
我們支持兩種升級方式,分別是串口升級和無線升級,如果是串口升級,則需要準備串口線,可以使用網購的串口線, 但是為了提高生產效率,串口速度最高會提到 3M bps,所以需要 選擇質量更好的串口線。如果是無線升級,則需要購買支持 SPP 服務的 Dongle,或者使用支持無線藍牙的筆記本。
2、安裝配置工具
在發布包的 Tools 目錄下,打開 CONFIG 目錄,雙擊 setup.exe 即可安裝。 配置工具主要有三個區,如下圖所示,其中“配置項顯示區”包含了所有的配置項,點擊某個配置項,就會在“配置區”顯示這個配置項的內容並可以進行配置和編輯,工具欄區主要包含一些常規的操作,比如“打開固件”、“保存固件”、“導入配置”、“導出配置”、“下載固件”、“串口選擇”、“OTA 使能”、“藍牙列表搜索界面”等等。

其中,針對工具欄區的每個圖標的作用,解釋如下:

圖標 1:打開固件、圖標 2:保存固件、圖標 3:導入配置 bin 文件、圖標 4:導出配置 bin 文件、圖標 5:下載固件、圖標 6: 選擇串口、圖標 7:使能 OTA 下載功能、圖標 8:藍牙設備搜索列表(使能 OTA 之後才有效)、圖標 9:啟動藍牙設備搜索(使能 OTA 之後才有效)、圖標 10:獲取固件版本號(使能 OTA 之後才有效)。
3、 打開標準固件
打開配置工具後,會提示選擇固件,然後選擇發布包的 Firmware 目錄下 US301A.FW。 或者打開 Firmware 目錄下的 user 開發包編譯鏈接生成的固件亦可。
4、配置固件功能
在配置工具左側欄有很多配置項,開發者可以針對自己產品的需求對固件功能進行配置,基於標案的功能上,一般需要配置版本信息,藍牙名稱和地址, 按鍵及其功能映射, LED,充電參數,語音和提示音等,配置好之後可以直接下載。
5、 調試聲音效果
點擊左側欄“音效調節”,客戶調節藍牙音樂音效、藍牙通話輸出音效、藍牙通話 MIC 音效,由於用料不同,不同耳機的喇叭音色也不一樣,客戶可以通過 EQ 等參數的調節,讓聲音變得更好聽。
音效調節界面

通話調節界面

6、燒錄固件測試
配置好之後可以進行固件升級,升級方式可以使用串口升級或者 Dongle 升級,具體的操作可以參考“串口升級和無線升級” 這個章節的介紹。 燒錄完成之後可以進行簡單功能測試,確保固件升級成功,測試內容可以包括藍牙名稱、藍牙播歌和通話、低功耗、音效和降噪等。

如果客戶方案需求不同,需要修改應用層的代碼, 進行更深入的配置和開發,需要安裝cygwin 平台來編譯SDK,可以參考下面方案鏈接的軟體開發環境搭建部分:
基於炬芯(Actions) ATS2819的TWS藍牙音箱方案

如果是第一次使用 sdk,則在 cygwin 中 cd 到 user 目錄執行 make clean;make 即可進行編譯鏈接,如果不是第一次使用 sdk,則 cd 到 user 目錄執行 make 即可。執行命令之後會同時在 \user\fwpkg 目錄下生成固件,固件的名稱為 US301A.FW。參考下面博文:
炬芯(Actions)TWS ATS301X 之應用代碼開發指南

►場景應用圖

►產品實體圖

►展示板照片

►方案方塊圖

►VesperTWS示例算法框圖

►TWS音頻輸入系統框圖

►核心技術優勢

ATS3019晶片優勢: 1.通過配置工具進行方案開發,無需寫代碼(定製化功能可以自行修改代碼); 2.支持藍牙 5.0 協議棧、 HFP V1.7, A2DP V1.3, AVRCP V1.6, HID V1.0 等 Profile; 3.BLE 廣播及其相關功能、雙手機連接和 TWS 組隊、 TWS 場景藍牙無主從設計、 TWS 雙耳播歌(sbc)、 TWS 雙耳通話(cvsd)、 HID 拍照控制等應用場景; 4.播報來電號碼和來電鈴聲、三方通話、末號回撥、 通話靜音、 SIRI 等功能;通話 PLC、 AEC、 AGC、 ANS、 CNG 等算法調節; 5.支持電量上報和音量同步、播歌通話等場景的音效調節, 14 段 PEQ、限幅和預衰減; VA1200晶片優勢: 1. 提供出色的背景音、風噪的抑制; 2. 小尺寸 – 2.9mm x 2.76 mm x 0.9mm; 3. 單端模擬輸出 ; 4. 用於用戶語音拾取的高頻帶寬; 5.針對TWS耳機很好的兼容性:非常合適的尺寸、功率、性能和成本。 整體方案優勢: 具備良好性價比的主控平台以及骨聲紋通話降噪技術,使整體方案具備良好性價比並且通話質量優於市面大部分耳機方案。

►方案規格

一、ATS3019 晶片規格: 1. QFN32 封裝, 4*4*0.75mm, Pitch 0.4mm; 2. 32 bit RISC, 主頻 200Mhz; 3. 支持 V5.0,兼容藍牙 V4.2/V4.0 LE/V3.0/V2.1 +EDR Systems; 4. 內置 ROM、 8Mbits SPI Flash 以及 216K bytes RAM; 5. 通信接口: SPI*2, UART*2, I2C*2; 6. 音頻輸出: 16bit 雙聲道立體聲, 18 mW PA,可選差分或單端輸出, I2S TX;音頻輸入:支持雙 MIC 和 AUX; 7. PIN 資源: 9 路 GPIO, 5 路 PWM, 4 路 LRADC;集成電源管理,支持鋰電池和 DC5V 供電, 10ma~300ma 充電電流可選。 二、VA1200晶片規格: 1. 尺寸: 2.90 X 2.75 X 0.9 mm; 2. 電流消耗: 150uA; 3. 帶寬: 2.4 kHz; 4. 共振頻率 : 3 kHz; 5. 所有軸機械穩定性都是10kgee。

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