Amazon Alexa、Apple Siri 和 Google Home 等語(yǔ)音控制界面依靠始終在線的語(yǔ)音捕獲功能來(lái)檢測(cè)用于啟動(dòng)復(fù)雜語(yǔ)音處理算法的喚醒詞或短語(yǔ)，這些算法通常需要基于云的資源。然而，隨著基于語(yǔ)音的控制轉(zhuǎn)移到電池供電的設(shè)備并增加了其他消費(fèi)設(shè)備（如電視）的待機(jī)功率預(yù)算，這種始終開啟的功能代表了顯著的功耗，并增加了設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。然而，使用一些低功耗設(shè)備，開發(fā)人員可以更輕松地實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音控制接口，而不會(huì)影響功率預(yù)算。

　　本文介紹了開發(fā)人員如何將聲控微機(jī)電系統(tǒng) （MEMS） 麥克風(fēng)與低功耗處理器或編解碼器結(jié)合使用，以創(chuàng)建超低功耗、始終在線的聲控設(shè)計(jì)。以舉例的方式，介紹和描述Vesper Technologies的VM1010 MEMS 麥克風(fēng)和 Ambiq Micro 的 Apollo3 AMA3B1KK 微控制器在本應(yīng)用中的使用。

　　從低功耗到超低功耗麥克風(fēng)

　　設(shè)計(jì)聲控電路本身并不是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。使用麥克風(fēng)和運(yùn)算放大器，工程師可以輕松創(chuàng)建能夠檢測(cè)環(huán)境聲音何時(shí)超過(guò)某個(gè)預(yù)設(shè)閾值的電路（例如，請(qǐng)參閱“使用 LaunchPad 激活開關(guān)聲音”）。在以低功耗為關(guān)鍵要求的設(shè)計(jì)中應(yīng)用這些簡(jiǎn)單的方法進(jìn)行始終在線檢測(cè)時(shí)會(huì)出現(xiàn)挑戰(zhàn)。對(duì)于這些設(shè)備，即使是有源麥克風(fēng)和放大器的相對(duì)適度的電流要求也可能超過(guò)功率預(yù)算，特別是在電池供電設(shè)計(jì)和待機(jī)功率必須符合能源之星指南的消費(fèi)類設(shè)備中。

　　多年來(lái)，設(shè)計(jì)人員一直在低功率電子設(shè)備中利用微型、低功率駐極體電容麥克風(fēng)。例如，Knowles FG 系列等超小型駐極體麥克風(fēng) 在 1.3 伏電源下消耗最多 50 微安 （μA）。

　　MEMS 技術(shù)的出現(xiàn)使制造商能夠創(chuàng)建超低功耗單端輸出麥克風(fēng)，將緩沖放大器和其他支持電路結(jié)合在同一封裝中（圖 1）。

圖 1：制造商已經(jīng)集成了一個(gè) MEMS 傳感器、一個(gè)緩沖放大器和一個(gè)穩(wěn)壓器，以提供一個(gè)生成單端電壓輸出 Vout 的完整麥克風(fēng)。（圖片來(lái)源：Vesper Technologies）

　　結(jié)果是一個(gè)集成的 MEMS 麥克風(fēng)設(shè)備，有助于降低音頻前端設(shè)計(jì)的總體成本、復(fù)雜性和功耗。然而，需要為這些堅(jiān)固、省電的麥克風(fēng)保持全功率，這意味著即使是最節(jié)能的聲控產(chǎn)品也會(huì)不斷消耗電流，并且在長(zhǎng)時(shí)間安靜時(shí)這樣做會(huì)導(dǎo)致效率低下。

　　該問(wèn)題已通過(guò)使用一種特殊的聲控 MEMS 麥克風(fēng)得到解決，例如 Vesper Technologies 的 VM1010。使用這些設(shè)備，開發(fā)人員可以進(jìn)一步降低非活動(dòng)期間的功耗。此外，通過(guò)將此麥克風(fēng)與超低功耗微控制器或編解碼器一起使用，開發(fā)人員可以在對(duì)低功耗有嚴(yán)格要求的產(chǎn)品中設(shè)計(jì)復(fù)雜的始終開啟的聲控語(yǔ)音接口。

　　聲控麥克風(fēng)

　　在其正常的全功率運(yùn)行模式下，VM1010 麥克風(fēng)作為傳統(tǒng)的高性能單端麥克風(fēng)運(yùn)行。它在其模擬輸出引腳 Vout 上提供捕獲的聲音信號(hào)時(shí)消耗 85 μA。在此模式下，麥克風(fēng)將聲音轉(zhuǎn)換為 20 赫茲 （Hz） 至 20 千赫茲 （KHz） 的整個(gè)頻率范圍，在 94 dB 的聲壓級(jí) （SPL） 下靈敏度為 -38 電壓分貝 （dBV）。與一些早期的 MEMS 麥克風(fēng)不同，Vesper VM1010 只需幾毫秒即可從非常高 SPL 的聲音沖擊中恢復(fù)。

　　與傳統(tǒng)的 MEMS 麥克風(fēng)不同，VM1010 提供了第二種低功耗的聲音喚醒模式。在這種模式下，VM1010 利用 Vesper ZeroPower 監(jiān)聽(tīng)子系統(tǒng)（圖 2）。這是 Vesper 對(duì)傳統(tǒng) MEMS 麥克風(fēng)架構(gòu)的獨(dú)特?cái)U(kuò)展。

圖 2：Vesper Technologies VM1010 MEMS 麥克風(fēng)擴(kuò)展了傳統(tǒng)的 MEMS 麥克風(fēng)架構(gòu)，具有專門的 ZeroPower Listening 子系統(tǒng)，可監(jiān)控傳感器輸出并在檢測(cè)到的聲音超過(guò)可配置閾值時(shí)在其 Dout 數(shù)字輸出上生成信號(hào)。（圖片來(lái)源：Vesper Technologies）

　　在聲音喚醒模式下，VM1010 僅消耗 10 μA 電流，這通常低于便攜式揚(yáng)聲器、甚至智能手表或健身可穿戴設(shè)備中電池的自放電電流。在這種模式下，設(shè)備以更有限的頻率響應(yīng)運(yùn)行，從 250 Hz 到 6 KHz。使用這個(gè)縮小的范圍，VM1010 可以更可靠地捕捉人聲范圍的主要頻率，同時(shí)減少來(lái)自環(huán)境中不同噪聲源的誤報(bào)。

　　VM1010 在聲音喚醒模式下禁用其 Vout 模擬輸出，但麥克風(fēng)會(huì)繼續(xù)監(jiān)控外部環(huán)境的聲音。當(dāng)聲音發(fā)生時(shí)，MEMS 麥克風(fēng)的壓電元件會(huì)發(fā)生響應(yīng)偏轉(zhuǎn)，從而在內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)小的電壓電平。當(dāng)聲壓將此內(nèi)部電壓電平增加到可配置閾值以上時(shí)，器件的集成比較器電路通過(guò)將 VM1010 Dout 輸出設(shè)置為數(shù)字“高”電平來(lái)做出響應(yīng)。

　　開發(fā)者可以調(diào)整VM1010的喚醒聲音閾值。如果 VM1010 的 GA1 和 GA2 聲音喚醒聲學(xué)閾值引腳處于開路狀態(tài)，則該器件以 89 dB SPL 的最大聲學(xué)閾值運(yùn)行。然而，通過(guò)在 GA1 和 GA2 之間連接一個(gè)電阻器，可以將閾值調(diào)整到最低 65 dB SPL（圖 3）。

圖 3：開發(fā)人員可以通過(guò)在設(shè)備的 GA1 和 GA2 引腳之間放置一個(gè)電阻器來(lái)降低 VM1010 的默認(rèn)聲音檢測(cè)閾值。（圖片來(lái)源：Vesper Technologies）

　　VM1010 麥克風(fēng)能夠在檢測(cè)到高于預(yù)設(shè)閾值的聲音時(shí)發(fā)出信號(hào)，這為在更大設(shè)計(jì)的完整語(yǔ)音處理鏈中降低功耗奠定了基礎(chǔ)。

　　喚醒信號(hào)

　　在使用 VM1010 進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，開發(fā)人員可以將該器件用作傳統(tǒng)的單端模擬麥克風(fēng)，將 VM1010 的 Vout 模擬信號(hào)輸出連接到處理器的內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC）。然而，在典型的節(jié)能設(shè)計(jì)中，開發(fā)人員會(huì)在 VM1010 的數(shù)字引腳和處理器的 GPIO 引腳之間建立兩個(gè)額外的連接（圖 4）。

圖 4：開發(fā)人員可以使用一個(gè)簡(jiǎn)單的接口來(lái)實(shí)現(xiàn) VM1010 MEMS 麥克風(fēng)的聲音喚醒功能，除了麥克風(fēng)的模擬輸出和 MCU 的 ADC 之間的通常模擬連接之外，該接口只需要兩個(gè)額外的數(shù)字連接。（圖片來(lái)源：Digi-Key，來(lái)自 Vesper Technologies 源材料）

　　要使用 VM1010 的聲音喚醒檢測(cè)功能，其 Dout 數(shù)字輸出需要連接到啟用中斷的 GPIO，其模式輸入端口需要連接到單獨(dú)的 GPIO。

　　使用這個(gè)簡(jiǎn)單的接口，開發(fā)人員可以通過(guò)限制處于完全活動(dòng)狀態(tài)的時(shí)間來(lái)顯著降低整體系統(tǒng)功耗。要將 VM1010 切換到其低功耗聲音喚醒模式，處理器 GPIO 用于將模式引腳設(shè)置為高電平。通常，切換到聲音喚醒模式與處理器中向低功率睡眠狀態(tài)的轉(zhuǎn)換一起執(zhí)行。

　　當(dāng) VM1010 檢測(cè)到聲音并將 Dout 設(shè)置為高電平時(shí)，產(chǎn)生的信號(hào)轉(zhuǎn)換將處理器從其睡眠狀態(tài)中喚醒。作為返回活動(dòng)模式的一部分，連接到模式引腳的 GPIO 設(shè)置為低電平，導(dǎo)致 VM1010 在 200 μs 內(nèi)返回到其全功率模式 - 恰好在捕獲輸入音頻波形所需的時(shí)間內(nèi)。在處理接收到的音頻后，處理器可以將 VM1010 返回到聲音喚醒模式并返回低功耗睡眠狀態(tài)，直到 VM1010 發(fā)出下一個(gè)喚醒信號(hào)。

　　在設(shè)計(jì)用于檢測(cè)喚醒詞的系統(tǒng)中，開發(fā)人員可以通過(guò)處理器執(zhí)行的一系列測(cè)試來(lái)簡(jiǎn)單地?cái)U(kuò)展這個(gè)聲音喚醒序列。在 VM1010 檢測(cè)到聲音并使用其 Dout 信號(hào)喚醒處理器后，處理器首先測(cè)試語(yǔ)音活動(dòng)的跡象。在這里，處理器可能會(huì)執(zhí)行代碼來(lái)尋找諸如聲音的頻率范圍和持續(xù)時(shí)間之類的指標(biāo)。如果這些指示符提示語(yǔ)音信號(hào)，則處理器將使用檢測(cè)喚醒詞所需的更重要的處理序列。

　　在檢測(cè)到喚醒詞后，處理器將通過(guò)低功耗藍(lán)牙 （BLE） 或其他無(wú)線接口與移動(dòng)主機(jī)通信來(lái)啟動(dòng)高級(jí)語(yǔ)音處理序列，以利用云資源進(jìn)行完整的語(yǔ)音識(shí)別。隨著該序列的每個(gè)階段完成（或由于某種原因失敗），開發(fā)人員可以通過(guò)將 VM1010 返回到聲音喚醒模式并將處理器置于低功耗睡眠狀態(tài)來(lái)優(yōu)化功耗（圖 5）。

圖 5：開發(fā)人員可以通過(guò)在喚醒詞檢測(cè)序列中的每個(gè)操作階段之后將 VM1010 MEMS 麥克風(fēng)和處理器返回到低功耗狀態(tài)來(lái)降低喚醒詞檢測(cè)設(shè)計(jì)中的功耗。（圖片來(lái)源：Vesper Technologies）

　　降低系統(tǒng)功耗

　　盡管聲音喚醒功能可以在較長(zhǎng)的安靜期間降低系統(tǒng)功耗，但總體系統(tǒng)功耗通常取決于處理器的節(jié)能特性。具有集成連接選項(xiàng)的超低功耗處理器的出現(xiàn)為開發(fā)人員提供了高效的解決方案。例如，Ambiq Micro Apollo3 AMA3B1KK 微控制器在主動(dòng)模式下的功耗僅為 6 μA/兆赫 （MHz），同時(shí)在 3.3 伏電源軌下從閃存或隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 （RAM） 執(zhí)行。

　　使用 Apollo3，開發(fā)人員可以輕松實(shí)現(xiàn)前面描述的那種節(jié)能序列。例如，在使用 Apollo3 GPIO 將 VM1010 設(shè)置為聲音喚醒模式后，開發(fā)人員可以發(fā)出等待中斷 （WFI） 指令，使微控制器進(jìn)入深度睡眠模式。在深度睡眠模式下，微控制器在保留 384 千字節(jié) （Kbytes） 靜態(tài) RAM 的情況下僅消耗 3 μA 電流，或者在沒(méi)有靜態(tài) RAM 保留的情況下（全部采用 1.8 伏電源）消耗電流小于 1 μA。無(wú)線電操作通常是無(wú)線設(shè)計(jì)中的主要功耗來(lái)源，使用 Apollo3 的集成無(wú)線電子系統(tǒng)接收 （Rx） 和發(fā)送 （Tx） 僅需大約 3 毫安 （mA）。

　　同樣重要的是，集成在 Apollo3 等高級(jí)微控制器中的大量功能有助于簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、減小封裝尺寸并縮短材料清單。例如，除了集成無(wú)線電子系統(tǒng)外，Apollo3 微控制器還包括一個(gè)高度集成的電源管理單元 （PMU），其中包含多個(gè)低壓差 （LDO） 穩(wěn)壓器和降壓轉(zhuǎn)換器。

　　使用這些集成功能，開發(fā)人員通常可以使用 Vesper VM1010 MEMS 麥克風(fēng)、Ambiq Micro Apollo3 微控制器和一組最少的外部無(wú)源組件來(lái)創(chuàng)建完整的設(shè)計(jì)。事實(shí)上，開發(fā)人員可以在 LDO 模式下使用 Apollo3 的集成 PMU，甚至可以消除降壓轉(zhuǎn)換器所需的外部電容器和電感器。

　　Apollo3 的集成 14 位 ADC 子系統(tǒng)進(jìn)一步提高了設(shè)計(jì)效率和功耗優(yōu)化。例如，可以通過(guò)將 ADC 子系統(tǒng)置于不同的低功耗模式來(lái)降低 ADC 功耗。例如，在 ADC 的低功耗模式 1 中，ADC 控制器關(guān)閉其時(shí)鐘和緩沖器，同時(shí)保留 ADC 校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。在此模式下運(yùn)行時(shí)，Apollo3 ADC 需要不到 70 μs 的時(shí)間來(lái)啟動(dòng)來(lái)自 VM1010 麥克風(fēng)等模擬源的信號(hào)轉(zhuǎn)換。值得注意的是，ADC可以在這種模式下完成轉(zhuǎn)換，而處理器內(nèi)核仍處于深度睡眠狀態(tài)。

　　如前所述，喚醒字的識(shí)別通常需要一個(gè)完全活動(dòng)的處理器。因此，有必要將微控制器從深度睡眠模式轉(zhuǎn)換為運(yùn)行模式。對(duì)于這種過(guò)渡，Apollo3 的集成 PMU 與設(shè)備的喚醒中斷控制器一起工作，以恢復(fù)電源和系統(tǒng)狀態(tài)。

　　深度睡眠的喚醒時(shí)間僅為 15 μs。結(jié)合將 VM1010 轉(zhuǎn)換到全功率模式所需的 200 μs，轉(zhuǎn)換到活動(dòng)模式的總時(shí)間仍在使用 VM1010 麥克風(fēng)捕獲音頻輸入信號(hào)所需的時(shí)間內(nèi)。

　　增強(qiáng)的音頻設(shè)計(jì)

　　對(duì)于具有更復(fù)雜音頻處理要求的應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員可以將 VM1010 與 Vesper VM3000等數(shù)字 MEMS 麥克風(fēng)結(jié)合使用。該器件使用集成 ADC 生成捕獲信號(hào)的脈沖密度調(diào)制 （PDM） 表示（圖 6）。

圖 6：Vesper 的 VM3000 MEMS 麥克風(fēng)集成了一個(gè) ADC，以提供時(shí)鐘啟用的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出流。（圖片來(lái)源：Vesper Technologies）

　　使用 VM3000 的時(shí)鐘輸出，開發(fā)人員可以在一條數(shù)據(jù)線上多路復(fù)用一對(duì)這樣的麥克風(fēng)，以更輕松地實(shí)現(xiàn)用于提高語(yǔ)音拾取靈敏度的波束成形陣列。在安靜期間，開發(fā)人員可以通過(guò)關(guān)閉 VM3000 的時(shí)鐘來(lái)節(jié)省電力，從而將設(shè)備置于電流消耗降至 2.5 μA 的睡眠模式。

　　增強(qiáng)的音頻設(shè)計(jì)將擴(kuò)展包含 VM1010 和處理器的基本設(shè)計(jì)。使用處理器 GPIO，開發(fā)人員可以組合使用 VM1010 和 VM3000 麥克風(fēng)，前者用于喚醒系統(tǒng)，后者陣列用于錄音。

　　啟動(dòng)聲控設(shè)計(jì)

　　要開始試驗(yàn)聲控設(shè)計(jì)，開發(fā)人員可以使用 Vesper 和 Ambiq Micro 的評(píng)估板。Vesper S-VM1010-C和S-VM3000-C MEMS 全向麥克風(fēng)音頻評(píng)估板分別引出了 VM1010 和 VM3000 的引腳。要對(duì)基于 VM1010 聲音喚醒功能的音頻處理設(shè)計(jì)進(jìn)行原型設(shè)計(jì)，可以使用CW Industries的CWR-170-10-0000等卡邊緣連接器，通過(guò) Ambiq Micro AMA3BEVB Apollo3 為 MEMS 麥克風(fēng)評(píng)估板提供面包板評(píng)估板。

　　結(jié)論

　　永遠(yuǎn)在線的語(yǔ)音界面為使用語(yǔ)音控制產(chǎn)品或與基于云的服務(wù)交互提供了便利。將專用 MEMS 麥克風(fēng)與超低功耗處理器結(jié)合使用，開發(fā)人員可以實(shí)現(xiàn)始終在線功能，同時(shí)滿足功耗要求。