RK3229在智能音箱中的設(shè)計應(yīng)用

鄒傳彬

摘要

智能產(chǎn)品已深入人們生活中的各個方面，特別是隨著技術(shù)的發(fā)展，交互方式已由視覺、觸覺轉(zhuǎn)向為更為便捷的聲覺，智能語音交互產(chǎn)品呈現(xiàn)大爆發(fā)的趨勢。本文基于RK3229芯片，從功能、硬件組成、軟件流程及設(shè)計注意事項等方面，介紹了其在智能音箱產(chǎn)品上的設(shè)計應(yīng)用，以實現(xiàn)用RK3229開發(fā)智能音箱產(chǎn)品，具有實際應(yīng)用價值。

【關(guān)鍵詞】智能產(chǎn)品 智能語音 智能音箱RK3229

在國外，亞馬遜在2014年11月推出Echo智能音箱，率先讓智能語音交互技術(shù)走進了普通消費者的人群，兩年之后，谷歌也推出了Google Home，同時，在國內(nèi)，京東、阿里、小米、百度等都紛紛推出自己的智能音箱產(chǎn)品。近年來，國內(nèi)外智能音箱市場的火熱有目共睹，產(chǎn)品銷量也是爆發(fā)式增長。前年（2016年）智能音箱的市場銷量只有300萬臺，去年爆發(fā)式的增長10倍到3000萬臺，智能音箱為什么會有這么高的增長？我們看到它的賣點在于成為智能家庭的控制中心，相對于傳統(tǒng)音箱而言，智能音箱不僅是音響產(chǎn)品，同時是涵蓋了內(nèi)容服務(wù)、互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)及語音交互功能的智能化產(chǎn)品，不僅具備Wi-Fi連接功能，提供音樂、有聲讀物等內(nèi)容服務(wù)及信息查詢、網(wǎng)購等互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，還能與智能家居連接，實現(xiàn)場景化智能家居控制。

在CES 2018中，聯(lián)發(fā)科聯(lián)合阿里巴巴量身打造了兩款芯片，加速天貓精靈的生態(tài)圈布局;高通也宣布其智能音頻平臺對微軟、Android、Google提供服務(wù)支持;同時，包括亞馬遜、LG，索尼、百度、京東、聯(lián)想等廠商都展出各自的智能音箱產(chǎn)品。市場分析公司Canalys進一步預(yù)測，到今年年底智能音箱全球出貨量將達到5630萬臺，并稱2018年將是智能音箱普及的“決定性年份”。

1 RK3229簡介

RK3229是Rockchip（瑞芯微）在2017年正式發(fā)布基于“AI語音助手”的兩款方案之一，應(yīng)用于中高端的語音智能音箱系統(tǒng)，并在2017年谷歌I/O開發(fā)者大會上，發(fā)布了基于RK3229的Android系統(tǒng)平臺的谷歌語音助手（Google Assistant）解決方案。

RK3229谷歌語音助手方案定位于中高端智能音箱產(chǎn)品及智能語音交互系列產(chǎn)品，采用四核Cortex-A7內(nèi)核架構(gòu)，在語音算法上結(jié)合谷歌在音頻領(lǐng)域深厚的技術(shù)積累：支持聲源定位、聲源增強、回聲消除、噪音抑制技術(shù);RK3229在行業(yè)內(nèi)率先支持8路數(shù)字硅麥直連的芯片方案，從而實現(xiàn)高性價比，高擴展性的整體解決方案。RK3229可支持科大訊飛、獵豹、思必馳、聲智、捷通華聲麥克陣列算法，以及支持谷歌對AI平臺最新的操作系統(tǒng)：Android things，因安卓系統(tǒng)更開放、更成熟、更互聯(lián)的特性，將解決軟硬件廠商開發(fā)Linux智能應(yīng)用周期長、兼容性差的痛點?；贏ndroid平臺的RK3229 Google Assistant方案，有助于生態(tài)鏈合作伙伴根據(jù)產(chǎn)品特性、用戶習(xí)慣基于Android系統(tǒng)開發(fā)APP服務(wù)平臺，從而與語音智能交互無縫結(jié)合，深度粘合用戶，提升用戶體驗。

另外，RK3229有豐富的輸入、輸出接口，很容易對功能進行擴展，如有3個USB、1個SDMMC、HDM12.0、SPDIF OUT、10/100MEthemet以及I2C、UART等等。圖1為它的功能框圖。

2 最小系統(tǒng)設(shè)計

為了便于說明RK3229的設(shè)計中應(yīng)注意的事項，我們搭建了此芯片的最小應(yīng)用系統(tǒng)，圖

2 為最小系統(tǒng)框圖。

2.1 時鐘電路

RK3229芯片內(nèi)部的反饋電路與外接的24MHz晶振一起構(gòu)成系統(tǒng)時鐘，另外，系統(tǒng)時鐘還可以直接由外部的晶振時鐘電路產(chǎn)生時鐘，通過XIN_OSC腳輸入，此時鐘的精度要求為20PPM。

2.2 復(fù)位電路

RK3229芯片內(nèi)部集成上電復(fù)位電路，低電平有效，需要復(fù)位腳上增加一個100nF電容來消除抖動，并此電容要靠近IC放置。

2.3 DDR電路

RK3229 DDR控制器接口支持DDR3/DD3L/LPDDR2/LPDDR3 SDRAM標準，提供一個32bit的DDR控制器接口，分別包含2個DDR SDRAM片選、2個ODT、1組CK，支持數(shù)據(jù)總線位寬32bit，地址總線最大支持16bit。

2.4 eMMC電路

PK3229支持eMMC4.5接口協(xié)議，支持單通道eMMC顆粒，8bit模式，并支持HS200工作模式。eMMC控制器包括兩組電源，這兩組電源沒有上電時序的要求，但必須在RK3229的CMD命令發(fā)出前上電，并保持穩(wěn)定的工作電壓。

2.5 電源電路

PK3229有多組電源供電，如VDDARM/VDD_LOG/VDD_DDR/VCCIO/VCC_18等，上電時序應(yīng)遵循同一模塊低壓先上、高壓后上;相同模塊相同電壓一起上的原則，不同模塊間無時序要求。推薦上電時充如下：VDD_10->VDD_ARM&VDD_LOG->VCC_DDR->VCC18->VCCIO。

PLL電源建議使用LDO單獨供電，特別是DDR工作頻率較高，穩(wěn)定的PLL電源有助于提高高頻下的工作穩(wěn)定性，且去耦電容應(yīng)靠近主控腳管腳擺放。

CPU電源峰值電流接近1A，均值接近400mA，由外部PMU提供，并由12C的接口寫寄存器進行電壓調(diào)整，支持DVFS動態(tài)調(diào)頻調(diào)壓功能，Layout時應(yīng)將大電容放置在RK3229背面，以保證電源紋波在100mV以內(nèi)，避免大負載情況下引起電源紋波偏大，且電源的遠端反饋布線需要芯片端連接到DC_DC電源的FB端，可有效避免PCB線路阻抗引起的損耗，并提高電源動態(tài)調(diào)整的實時性。同樣的原理，GPU及LOGIC電源也需如此處理。

DDR電源，芯片內(nèi)部集成了Vref電路，產(chǎn)生參考電壓VCC_DDR/2。DDR電源根據(jù)顆粒的不同，可調(diào)整反饋腳的分壓值，調(diào)整輸出電壓。另外Vref管腳供電可以通過1Kohm電阻分壓提供，并在每個參考電源管腳放置一個1nF的去禍電容。

在此應(yīng)該用中，RK3229采用PMU：RK805來供電，在應(yīng)用時就特別注意散熱，底層需要大面積的鋪地以保證散熱。

2.6 SDIO/SDMMC電路

為了滿足ESD保護要求，在電路設(shè)計時應(yīng)在SDMMC電路上增加保護器件，并緊靠SDMMC連接器放置，且它的寄生電容需小于10pF。SDIO/SDMMC的CLK應(yīng)單獨走線，并作包地處理;Data走線間距遵守3W規(guī)則;CLK與Data、CMD的走線要注意避免干擾，保持一致性，并要保持參考層的完整性，與同一層的其他線有GND隔離。

2.7 Wi-Fi/BT電路

Wi-Fi是通過SDIO與RK3229通信的，BT是通過UARI、PCM接口通信，UARI在PCB走線時也盡量保持參考層的完整性，PCM的布線上相鄰的參考層也要保持完整，避免一些電源等其他信號的干擾，與同一層的其他走線要有GND隔離。

2.8 以太網(wǎng)口電路

RK3229內(nèi)部集成了一個千兆以太網(wǎng)的mac，以及內(nèi)部百兆PHY。在設(shè)計時，以太網(wǎng)的供電電壓需與GMAC_IO電平保持一致;MAC對PHY的復(fù)位方式用GPIO來控制，也可以使用RC硬件復(fù)位電路;所有的MDIO信號需要上拉，TX也需要增加上拉;需要在信號上串接10ohm的電阻，差分信號的上接電阻需接在網(wǎng)絡(luò)變壓器端，而不是芯片端;對此部分供電兩個管腳需放置最少兩個去耦電容，并靠近管腳處;并嚴格控制好差分阻抗，要有完整的參考層。

2.9 USB電路

RK3229有四組USB2.0接口，包括OTG&HOST復(fù)用一路，獨立的HOST口3路。其中，USBO做為系統(tǒng)固件燒寫口，不可隨意調(diào)整，OTG與HOST口可以獨立使用。USB控制器參考電阻要選用1%精度，該電阻關(guān)系到USB幅度及眼圖。需在USB電路上預(yù)留ESD/EMC保護措施，并在LAYOUT嚴格按照差分走線，拐角不能為直角或銳角，阻抗要為90ohm，走線盡可能減少過孔，并保證走線參考面是一個連續(xù)完整的參考面。

2.10 HDMI電路

RK3229有一組HDMI輸出接口，支持HDMI2.0協(xié)議，它的控制器參考電阻也要選用1%精度，在接口電路要有防倒灌設(shè)計，同時它的12C不支持5V電平，需增加電平轉(zhuǎn)換電路。需在USB電路上預(yù)留ESD/EMC保護措施，并在LAYOUT嚴格按照差分走線，阻抗要求為100ohm，走線盡可能減少過孔，并保證走線參考面是一個連續(xù)完整的參考面。

3 應(yīng)用軟件及流程

相對于普通音響，一個智能音箱軟件結(jié)構(gòu)要復(fù)雜的多，基本上可以看成是一個小型操作系統(tǒng)了，涉及到各種系統(tǒng)底層及應(yīng)用層的軟件開發(fā)。

如圖3所示，這是一個基本的智能音箱的軟件架構(gòu)圖，包含如基本控制、系統(tǒng)升級、網(wǎng)絡(luò)配置、語音助手、消息管理、業(yè)務(wù)服務(wù)及APP等功能。

4 總結(jié)

綜上所述，本文簡述了智能音箱的發(fā)展趨勢，提出了用RK3229來實現(xiàn)智能音箱的方案，列出來從硬件設(shè)計、PCB LAYOUT上面所要注意的事項，并給出了一個基本軟件架構(gòu)框圖，從而搭建一個簡單的智能音箱的設(shè)計方案。當(dāng)然，這只是一個簡單并初級的應(yīng)用，只是給出了一個初步框架，具體詳細的設(shè)計還需進一步細化。

參考文獻

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