基于炬芯(Actions) ATS3019+Vesper VA1200的TWS骨傳導(dǎo)藍(lán)牙耳機(jī)方案

我們是如何聽(tīng)到聲音的呢？一種是通過(guò)空氣傳播的方式，聲音震動(dòng)耳膜觸發(fā)聽(tīng)覺(jué)；還有一種骨傳導(dǎo)的方式，通過(guò)頭骨將聲音傳至聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)。音樂(lè)家貝多芬在失聰后用牙齒咬著一根木棍抵住鋼琴，聲音通過(guò)木棍和骨傳導(dǎo)的方式傳至聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)，從而獲得聲音。在日常生活中也會(huì)經(jīng)常體驗(yàn)到這一傳音方式，比如在吃東西時(shí)的咀嚼聲、喝水聲等。近幾年，隨著藍(lán)牙耳機(jī)的發(fā)展，骨傳導(dǎo)技術(shù)也被運(yùn)用到了其中。蘋(píng)果AirPods系列、華為FreeBuds 3、漫步者DreamPods為代表的骨傳導(dǎo)通話降噪耳機(jī)。通過(guò)將使用者發(fā)出的聲音通過(guò)骨傳的方式收集，實(shí)現(xiàn)避免外界聲音干擾，使通話更清晰的效果。

基于炬芯(Actions) ATS3019+Vesper VA1200的TWS骨傳導(dǎo)藍(lán)牙耳機(jī)方案，這個(gè)方案最主要的特點(diǎn)是搭載骨傳導(dǎo)通話降噪技術(shù)，實(shí)時(shí)分離人聲和環(huán)境噪音。并且通過(guò)骨振動(dòng)傳導(dǎo)佩戴人的語(yǔ)音信號(hào)，結(jié)合AI人聲提取，智能識(shí)別說(shuō)話狀態(tài)，無(wú)論身處怎樣的環(huán)境，都能讓你的聲音不帶任何雜音的傳到對(duì)方的耳朵里，有效隔絕周?chē)寺暫铜h(huán)境噪音，大幅度提升通話的清晰度和隱秘性。

ATC3019主控芯片來(lái)自Actions炬芯科技，炬芯新一代藍(lán)牙耳機(jī)芯片ATS301X系列擁有藍(lán)牙5.0雙模配置，發(fā)射功率最高達(dá)10dBm，接收靈敏度-95dBm，有效地提升了音頻連接的穩(wěn)定性。在常規(guī)音頻播放的情況下空載功耗能夠低至5.xmA，同時(shí)支持低延時(shí)模式，藍(lán)牙音頻信號(hào)延時(shí)低至40ms。

炬芯ATS301X系列部分技術(shù)規(guī)格

VA1200是世界上第一個(gè)壓電MEMS語(yǔ)音加速度計(jì)，VA1200可用于拾取佩戴者的通過(guò)骨骼傳導(dǎo)自己的聲音。使用VA1200語(yǔ)音加速度計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)麥克風(fēng)配合使用， 最終產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)出色的背景音和風(fēng)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(wú)靈敏度降解。具備防塵和防潮，可以在環(huán)境惡劣的環(huán)境中運(yùn)行 。

硬件項(xiàng)目開(kāi)發(fā)方面

原理圖設(shè)計(jì)總體原則：

1． 原理圖設(shè)計(jì)需按照方案規(guī)格的要求實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)硬件功能，盡量避免功能模塊相互間的資源沖突。

2． 原理圖設(shè)計(jì)要求性能達(dá)到要求。如穩(wěn)定性，啟動(dòng)電壓，功耗， ESD， EMI 等。要注意檢查模塊電源開(kāi)關(guān)狀態(tài)，選擇的元件標(biāo)稱(chēng)及精度、材質(zhì)，接口保護(hù)元件和 EMI 濾波器等。

3． 系統(tǒng)時(shí)鐘為 24MHZ，一般選取 CL 為 8PF 左右（范圍為 8～10pF）， 精度為±10PPM，溫度頻偏±10PPM。 這樣才能保證系統(tǒng)能正常工作。晶體參考廠家選擇見(jiàn)關(guān)鍵性物料晶體部分說(shuō)明。
GPIO8 由于靠近晶體，不能用于 PWM 輸出， 不能用于產(chǎn)生頻繁翻轉(zhuǎn)的信號(hào)輸出，只能用于簡(jiǎn)單輸入檢測(cè)端或輸出端固定高低電平控制。

4． 如果存在 I/O 復(fù)用，接口復(fù)用等情況，需注意檢查 I/O 上電狀態(tài)，接口時(shí)序等，確保功能設(shè)計(jì)正確實(shí)現(xiàn)。

PCB 設(shè)計(jì)總體說(shuō)明：

1． PCB 設(shè)計(jì)推薦四層板。地線的銅箔盡量大且完整，使用地線將高速信號(hào)包住，或者通過(guò)地線將敏感信號(hào)和干擾源隔離開(kāi)。

2． PCB 不做分地處理。

3． 元件布局盡量將敏感元件放在 PCB 中間，如主控，晶體等。布局優(yōu)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(diǎn)要盡可能遠(yuǎn)離天線。 喇叭及其接線焊盤(pán)需要盡量遠(yuǎn)離天線

4． ATS301X 上的 EPAD，需要均勻多打地孔

5． IO 口的控制線、時(shí)鐘線和數(shù)字信號(hào)走線，一般走 5～6mil，模擬的音頻線一般走 6~8mil。對(duì)于電源走線，可根據(jù)電流的大小來(lái)決定，一般會(huì)在 10～20 mil 之間。

6． 整個(gè) PCB 的地平面要完整、連通。如器件過(guò)多或板子面積小，盡量保證有器件底下就是地， 整并多打地孔。 ESD 器件到電池地有一塊完整連通的地平面。 注：所有 PCB 走線， 最好能設(shè)計(jì)成微帶線。

7． 晶體放置盡可能不要太靠近 IC（最好有 3mm 的間距） 和天線（越遠(yuǎn)越好）， 就是不要靠近 TRX 網(wǎng)絡(luò)（IC 32pin） 放置。晶體要靠近 IC 放置。但是，其接地點(diǎn)要遠(yuǎn)離 IC 端。 并且，必須遠(yuǎn)離天線。

在方案開(kāi)發(fā)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)藍(lán)牙耦合問(wèn)題，會(huì)影響骨傳導(dǎo)傳播信號(hào)，通過(guò)增加15pF射頻噪聲濾波器，增加400歐姆差動(dòng)設(shè)計(jì)，有助于解決射頻噪聲問(wèn)題。

項(xiàng)目軟件開(kāi)發(fā)方面

客戶(hù)工程師拿到軟件發(fā)布包之后，可以按照如下流程開(kāi)發(fā)自己的耳機(jī)產(chǎn)品。 對(duì)于配置項(xiàng)，下面只是簡(jiǎn)單描述，如果需要詳細(xì)了解，可以聯(lián)系相關(guān)FAE。 此外，開(kāi)發(fā)的時(shí)候可以不限于這些配置， 還可以根據(jù)方案需求的不同，修改應(yīng)用層的代碼， 進(jìn)行更深入的配置和開(kāi)發(fā)，下面介紹一下主要的簡(jiǎn)單版開(kāi)發(fā)流程。

1、購(gòu)買(mǎi)下載器件

我們支持兩種升級(jí)方式，分別是串口升級(jí)和無(wú)線升級(jí)，如果是串口升級(jí)，則需要準(zhǔn)備串口線，可以使用網(wǎng)購(gòu)的串口線， 但是為了提高生產(chǎn)效率，串口速度最高會(huì)提到 3M bps，所以需要 選擇質(zhì)量更好的串口線。如果是無(wú)線升級(jí)，則需要購(gòu)買(mǎi)支持 SPP 服務(wù)的 Dongle，或者使用支持無(wú)線藍(lán)牙的筆記本。

2、安裝配置工具

在發(fā)布包的 Tools 目錄下，打開(kāi) CONFIG 目錄，雙擊 setup.exe 即可安裝。 配置工具主要有三個(gè)區(qū)，如下圖所示，其中“配置項(xiàng)顯示區(qū)”包含了所有的配置項(xiàng)，點(diǎn)擊某個(gè)配置項(xiàng)，就會(huì)在“配置區(qū)”顯示這個(gè)配置項(xiàng)的內(nèi)容并可以進(jìn)行配置和編輯，工具欄區(qū)主要包含一些常規(guī)的操作，比如“打開(kāi)固件”、“保存固件”、“導(dǎo)入配置”、“導(dǎo)出配置”、“下載固件”、“串口選擇”、“OTA 使能”、“藍(lán)牙列表搜索界面”等等。

其中，針對(duì)工具欄區(qū)的每個(gè)圖標(biāo)的作用，解釋如下：

圖標(biāo) 1：打開(kāi)固件、圖標(biāo) 2：保存固件、圖標(biāo) 3：導(dǎo)入配置 bin 文件、圖標(biāo) 4：導(dǎo)出配置 bin 文件、圖標(biāo) 5：下載固件、圖標(biāo) 6： 選擇串口、圖標(biāo) 7：使能 OTA 下載功能、圖標(biāo) 8：藍(lán)牙設(shè)備搜索列表（使能 OTA 之后才有效）、圖標(biāo) 9：?jiǎn)?dòng)藍(lán)牙設(shè)備搜索（使能 OTA 之后才有效）、圖標(biāo) 10：獲取固件版本號(hào)（使能 OTA 之后才有效）。

3、 打開(kāi)標(biāo)準(zhǔn)固件

打開(kāi)配置工具后，會(huì)提示選擇固件，然后選擇發(fā)布包的 Firmware 目錄下 US301A.FW。 或者打開(kāi) Firmware 目錄下的 user 開(kāi)發(fā)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(cè)欄有很多配置項(xiàng)，開(kāi)發(fā)者可以針對(duì)自己產(chǎn)品的需求對(duì)固件功能進(jìn)行配置，基于標(biāo)案的功能上，一般需要配置版本信息，藍(lán)牙名稱(chēng)和地址， 按鍵及其功能映射， LED，充電參數(shù)，語(yǔ)音和提示音等，配置好之后可以直接下載。

5、 調(diào)試聲音效果

點(diǎn)擊左側(cè)欄“音效調(diào)節(jié)”，客戶(hù)調(diào)節(jié)藍(lán)牙音樂(lè)音效、藍(lán)牙通話輸出音效、藍(lán)牙通話 MIC 音效，由于用料不同，不同耳機(jī)的喇叭音色也不一樣，客戶(hù)可以通過(guò) EQ 等參數(shù)的調(diào)節(jié)，讓聲音變得更好聽(tīng)。

音效調(diào)節(jié)界面

通話調(diào)節(jié)界面

6、燒錄固件測(cè)試

配置好之后可以進(jìn)行固件升級(jí)，升級(jí)方式可以使用串口升級(jí)或者 Dongle 升級(jí)，具體的操作可以參考“串口升級(jí)和無(wú)線升級(jí)” 這個(gè)章節(jié)的介紹。 燒錄完成之后可以進(jìn)行簡(jiǎn)單功能測(cè)試，確保固件升級(jí)成功，測(cè)試內(nèi)容可以包括藍(lán)牙名稱(chēng)、藍(lán)牙播歌和通話、低功耗、音效和降噪等。

如果客戶(hù)方案需求不同，需要修改應(yīng)用層的代碼， 進(jìn)行更深入的配置和開(kāi)發(fā)，需要安裝cygwin 平臺(tái)來(lái)編譯SDK，可以參考下面方案鏈接的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境搭建部分：

基于炬芯(Actions) ATS2819的TWS藍(lán)牙音箱方案

如果是第一次使用 sdk，則在 cygwin 中 cd 到 user 目錄執(zhí)行 make clean;make 即可進(jìn)行編譯鏈接，如果不是第一次使用 sdk，則 cd 到 user 目錄執(zhí)行 make 即可。執(zhí)行命令之后會(huì)同時(shí)在 userfwpkg 目錄下生成固件，固件的名稱(chēng)為 US301A.FW。參考下面博文：

炬芯（Actions）TWS ATS301X 之應(yīng)用代碼開(kāi)發(fā)指南

? 場(chǎng)景應(yīng)用圖

? 產(chǎn)品實(shí)體圖

? 展示版照片

? 方案方塊圖

? VesperTWS示例算法框圖

? TWS音頻輸入系統(tǒng)框圖

? 核心技術(shù)優(yōu)勢(shì)

ATS3019芯片優(yōu)勢(shì)：

1.通過(guò)配置工具進(jìn)行方案開(kāi)發(fā)，無(wú)需寫(xiě)代碼（定制化功能可以自行修改代碼）；

 2.支持藍(lán)牙 5.0 協(xié)議棧、 HFP V1.7， A2DP V1.3， AVRCP V1.6， HID V1.0 等 Profile；

3.BLE 廣播及其相關(guān)功能、雙手機(jī)連接和 TWS 組隊(duì)、 TWS 場(chǎng)景藍(lán)牙無(wú)主從設(shè)計(jì)、 TWS 雙耳播歌（sbc）、 TWS 雙耳通話（cvsd）、 HID 拍照控制等應(yīng)用場(chǎng)景；

4.播報(bào)來(lái)電號(hào)碼和來(lái)電鈴聲、三方通話、末號(hào)回?fù)堋?通話靜音、 SIRI 等功能；通話 PLC、 AEC、 AGC、 ANS、 CNG 等算法調(diào)節(jié)；

 5.支持電量上報(bào)和音量同步、播歌通話等場(chǎng)景的音效調(diào)節(jié)， 14 段 PEQ、限幅和預(yù)衰減；

VA1200芯片優(yōu)勢(shì)：

1. 提供出色的背景音、風(fēng)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. 用于用戶(hù)語(yǔ)音拾取的高頻帶寬；

5.針對(duì)TWS耳機(jī)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(yōu)勢(shì)： 具備良好性?xún)r(jià)比的主控平臺(tái)以及骨聲紋通話降噪技術(shù)，使整體方案具備良好性?xún)r(jià)比并且通話質(zhì)量?jī)?yōu)于市面大部分耳機(jī)方案。

? 方案規(guī)格

一、ATS3019 芯片規(guī)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(lán)牙 V4.2/V4.0 LE/V3.0/V2.1 +EDR Systems；

4. 內(nèi)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芯片規(guī)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(jī)械穩(wěn)定性都是10kgee。