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CI-B02GS0XJ模块数据手册

模块介绍

概述

本模块是针对低成本离线语音应用方案开发的一款通用、便携、低功耗高性能的语音识别模块,型号为:CI-B02GS0XJ,型号包括为:板载8MB Flash的CI-B02GS01J和板载4MB Flash的CI-B02GS06J,各个型号管脚完全兼容,主芯片为CI1102,可以实现200条以下的离线命令词识别。板载8MB Flash的模组比4MB Flash的模组多了更多的存储容量,可以放更多的播报音文件和更大的固件。

模块框图

图1 模块框图

该模块具有以下特点:

模块体积小巧,长宽为30mm×40mm,工作电压为4.5V-5.5V,板载一颗8MB NorFlash和功放,带一路麦克风、一路喇叭和一路5V电源及UART的接口,模块插入麦克风和喇叭直接供电即可使用,也可以直接通过接插件将UART连接到产品主控板,由产品主控板的5V电源进行供电,UART通信或GPIO控制,无需焊接。模块包含2个3.5mm螺丝孔,方便固定及安装。

  • 模块主芯片支持离线神经网络计算,支持单麦克风降噪增强,单麦克风回声消除,360度全方位拾音,可抑制环境噪音,保证嘈杂环境中语音识别的准确性。使用本模块进行离线语音识别不依赖网络,时延小,性能高,可实现97%以上的高识别率,10米超远距离识别,响应时间最快达到0.2S。
  • 模块可以应用到有能耗等级要求的产品和电池类产品中,运行功耗≤150mW。
  • 高可靠性,模块选材均选用工业级器件,通过了包括双85高温高湿测试在内的多项可靠性实验,可应用在对可靠性要求极高的家电产品中。
表1 模块选型表

板载Flash容量 本地命令词200条以内
8MB Flash CI-B02GS01J
4MB Flash CI-B02GS06J

模块主芯片介绍

CI1102是一颗专用于语音处理的人工智能芯片,可广泛应用于家电、家居、照明、音箱、玩具、穿戴设备、汽车等产品领域,实现语音交互及控制。CI1102系列芯片内置自主研发的脑神经网络处理器BNPU,支持本地大词汇量语音识别和声纹识别,和内置的CPU核结合可以做各类智能语音方案应用。

想了解CI1102芯片更多的详细信息,请点击以下链接:

CI1102芯片数据手册

模块应用场景

该模块可用作语音识别前端+客户硬件主控板方案组合使用,也可以作为灯具、玩具等方案的单芯片主控模块。应用时需外接麦克风和喇叭,并通过外部接入的5V电源进行供电。

模块作为语音识别前端应用示意图

图2 模块作为语音识别前端应用示意图

CI-B02GS0XJ模块支持200条以内的离线语音识别命令词,可以用来做电风扇、取暖桌、晾衣机、小家电、玩具、照明等对命令词要求较少的产品。

模块可应用的产品

图3 模块可应用的产品

模块规格

模块实物图

模块实物和芯片对应位置图

模块实物和芯片对应位置图

图4 模块实物和芯片对应位置图

模块实物如图4所示,语音识别模块为单面贴装,主要IC包括语音识别芯片CI1102、8MB NorFlash、功放等。声音从单麦克风输入,经语音IC识别后送给功放驱动喇叭播放声音,功放最大驱动功率为1.5W@8Ω和2W@4Ω。模块内部通过一路Codec实现了回声消除,正常运行下回声有效抑制的信噪比最大范围为-10dB到-15dB。

模块尺寸图

模块尺寸图

模块尺寸图

图5 模块尺寸图

如图5所示,模块形状为长方形,尺寸为30±0.3mm×40±0.15mm,PCB板厚为1.6±0.2mm,模块高度为7.6±0.4mm,用户可根据此尺寸设计结构。

模块硬件接口定义

模块引脚图

图6 模块引脚图

本模块有以下功能接口:

  1. 双线单麦克风接口,采用2.0mm间距母口,为保障好的语音识别效果,建议采用灵敏度为-32±3dB,信噪比≥65dB的麦克风,请点击☞参考麦克风器件 了解更多信息;
  2. 双线单喇叭接口,采用2.5mm间距母口,为保障好的语音播报效果,建议采用带腔体的喇叭,请点击☞参考喇叭器件 了解更多信息;
  3. 四线供电和UART接口,采用2.5mm间距母口,引脚顺序请参考图6。该接口中的UART引脚除了做串口通讯功能外,也可以配置为GPIO口。

模块全部对外引脚的功能描述如表2所示:

表2 模块引脚对照表

管脚号 管脚名称 I/O类型 IO驱动能力 IO上电默认状态 功能定义
1 5V P - - 5V电源
2 GND P - - 地信号
3 UART_TX IO,T+U 4mA IN,T+U 1.UART0_TX
2.GPIO[0]
4 UART_RX IO,T+U 4mA IN,T+U 1.UART0_RX
2.GPIO[1]
5 AGND P - - 模拟地信号
6 MICL+ - - - 麦克风正极
7 SKPL- - - - 喇叭输出
8 SKPL+ - - - 喇叭输出

上表中的一些符号的说明如下:

I input

O output

IO bidirectional

P power or ground

T+D tristate plus pull-down

T+U tristate plus pull-up

OUT power-on defaults to output mode

IN power-on defaults to input mode

模块电气特性参数

表3 模块引脚对照表

参数 条件 最小值 典型值 最大值 单位 备注
模块供电电压 / 4.5 5 5.5 V NOTE1
模块播音状态电流(正常音量) 4欧3W喇叭 / 70 / mA NOTE2
模块工作电流 / / 40 / mA NOTE3
安静环境下监听状态电流 5V供电 / 29 / mA /
芯片IO接口电压 / 3 3.3 3.6 V /
模块UART接口电压 / 4.5 5 5.5 V /

NOTE1:5V为模块典型供电电压,输入超过5.5V电压会损坏模块。

NOTE2:模块播音状态下最大电流能达到250mA,按照两倍余量原则上需要为模块提供一组驱动能力为500mA的电源供电。

NOTE3:典型值测试时为静音状态。最大值测试时为识别并播音状态。

模块温湿度参数

CI-B02GS0XJ的温湿度参数如表4所示。

表4 温湿度参数表

参数 最小值 典型值 最大值 单位 备注
模块工作环境温度 -20 25 85 °C /
模块存储环境温度 -20 25 100 °C /
模块存储湿度 0% / 5% RH /

模块应用

模块上电及启动

使用该模块时,接上喇叭和麦克风,应将5V电源通过电源座子输入到模块,模块通电后会启动,上电正常喇叭会播报提示音频,此时UART口会有打印信息出现,用户可以将该UART口用USB串口调试助手等工具接到电脑上,在电脑中的串口调试软件中看到打印信息后表明模块启动成功,如图3-1所示。注意模块的UART接口为5V电平高速串口,与5V电平的系统对接不再需要进行电平转换。

输入模块的5V电源会经过模块上的LDO和DCDC芯片降压为3.3V和1.2V,供主芯片使用。模块上的功放芯片采用5V电源供电。5V供电需保证500mA的额定供电电流,要求电源稳定,纹波在30mV以内。

模块启动后的一个参考打印信息

图7 模块启动后的一个参考打印信息

模块默认命令词

如果为用户量产模块,一般出厂前会烧录用户指定的命令词条固件。如果客户未指定,模块会自带默认固件,该固件带默认命令词,供用户测试使用,其命令词如下图所示:

模块默认命令词

图8 模块默认命令词

模块默认串口通讯协议

本模块默认的固件中支持串口通讯协议,用于和上位机的通讯使用。该串口协议可扩展,有以下特点:

  • 完整传输包,包含:头尾,长度,校验,消息类型,消息序列号。
  • 支持变长命令,方便扩展。
  • 消息类型(命令,通知,回复)。
  • 命令消息,可配置,回复ACK。通知消息无ACK。
  • 消息格式将与bootloader升级的相同,通过header来与bootloader协议区分。
  • 默认波特率使用9600。
  • 注意:模块只预留UART0接口,UART0接口默认为打印输出接口。如需UART0作为上述串口协议接口,必须修改代码,修改方式可参照☞CI110X芯片SDK 的串口协议部分文档实现。
  • 支持的命令:查询协议版本号,查询系统版本号,设置音量(音量分级在user_config.h中定义),播放本地播报音,复位命令等,具体协议格式如下图所示:

串口协议格式

图9 串口协议格式

举例说明1:

A5 FC 07 00 A0 91 18 01 55 E0 01 00 00 1B 9B 02 FB解析如下,

A5 FC:head

07 00:有效数据为7byte

A0 :这是命令词信息

91 :命令号码为0x91(本次数据内容为命令词数据)

18 :包序号,本串口第0x08次外发数据,该数值不断累加

01 55 E0 01 00 00:当前命令词的唯一数据

1B :命令词阈值

9B 02:累加和

FB:结尾数据

备注:如果应用中仅关注命令词和阈值,则只关注蓝色部分的7个有效数据就可以了。

举例说明2:

A5 FC 02 00 A3 9A 17 00 B1 05 02 FB 解析如下:

A5 FC :head

02 00:有效数据2byte

A3 :当前为通知数据

9A :命令号码为0X9A(本次数据内容为语音模块内容改变)

17 :本串口第0x07次外发数据,该数值不断累加

00 B1:有效数据。(本数据表示进入唤醒状态)

05 02:累加和

FB:结尾数据

备注:改数据为通知数据,用户根据情况选择使用该信息。

更多的内容解析数据可以可参照☞CI110X芯片SDK 中的串口协议部分。下图为一个协议数据参考截图:

串口协议数据参考截图

图10 串口协议数据参考截图

软件开发

如果模块自带的默认固件无法满足用户需求,用户可以自行进行软件开发,修改该模块的命令词、播报音、串口通讯协议以及其他功能。

软件开发流程主要包含以下几个步骤:

  • SDK开发包资料下载
  • 模型制作(语言模型+声学模型)
  • 语音合成
  • 命令词信息表与音频文件关联
  • 固件打包

详细开发流程请点击☞CI110X芯片SDK 了解。

固件烧录

烧录前准备工作

用户要烧录模块前,需要准备以下物品:

  • 待烧录的模块
  • USB转串口工具
  • 固件烧录工具(pack_update_tool.exe)
  • 固件信息(*.bin格式的文件)
  • 2.0mm间距麦克风
  • 2.5mm间距喇叭
  • 杜邦线若干

固件烧录需准备的物品

图11 固件烧录需准备的物品

硬件连接并烧录

以上图的USB转串口工具为例,在烧录前需要先将USB转串口的电源、地、串口收发引脚分别和模块对应的引脚连接起来,(注意USB转串口的RXD和TXD分别对应模块的UART0_TX和UART0_RX),连接方式如下图所示,接着,短接模块的PG_EN和旁边的引脚(模块的背面有相关的丝印,可根据丝印提示查找相关的位置)。模块烧录的接线图、以及模块背面的丝印图如下图所示。

模块和USB转串口工具连接及模块背面丝印图

图12 模块和USB转串口工具连接及模块背面丝印图

打开固件烧录工具(该工具可以在SDK开发包中CI110X_SDK\tools目录找到PACK_UPDATE_TOOL.exe),根据芯片选择对应的型号,点击固件升级按钮,选择制作好的固件文件,并找到对应的电脑分配给USB转串口工具的串口端口号。准备工作就绪后,通过瞬间上电时短接PG_EN和旁边的引脚(拉高PG_EN管脚的电平)进入编程模式,此时可下载固件。如果遇到USB转串口工具在电脑上无法识别,请在电脑装上相应的驱动。

固件烧录工具示意图

图13 固件烧录工具示意图

烧录后功能测试

固件烧录成功后,建议对模块进行功能测试,以验证烧录固件是否成功。功能测试时给待测模块插上麦克风以及喇叭,通电观察是否能正常上电播报,同时用唤醒词和命令词测试是否能正常唤醒和识别,如果均能正常工作,则模块功能正常,烧录成功;否则,烧录失败,需进一步探其原因。

使用中可能出现的问题和解决方法

本章节列举了一些模块使用中可能遇到的问题和对应的解决方法。

  • 模块不能烧录并更新固件。

出现上述问题后,请检查以下操作点:

1
2
3
1. 模块上电前是否已拉高PG_EN管脚(按上文3.5.2节描述和旁边的管脚短接);
2. 串口管脚是否接对,TX和RX是否有接反,电脑端USB转串口工具驱动是否正常,PC端烧录工具是否选择了正确的串口号;
3. 如以上两点检查无误后,模块还不能烧录,需要使用万用表测量模块供电电压5V、3.3V、1.2V是否正确,用示波器测量晶体是否起振,频率是否为12.288Mhz。各个硬件测量点参考下图。如果发现有电压或晶体出问题,考虑为模块硬件故障,请更换模块或针对模块硬件进行维修。如上述检查均无问题,请联系我司技术支持人员获取帮助。

模块测试点分布图

图14 模块测试点分布图
  • 模块烧录完成,上电后无播报。

出现上述问题后,请检查以下操作点:

1
2
1. 确认烧录固件是否与板子匹配;
2. 确认喇叭正确接好,供电正常;

采用示波器测量主芯片的语音输出测试点。无输出需检查请固件是否正确,有输出需检查模块上的功放器件是否焊接出现异常,如果功放有异常可更换后再测试。测量点如下图。如上述检查均无问题,请联系我司技术支持人员获取帮助。

模块语音输出测量点

图15 模块语音输出测量点
  • 模块烧录完成,上电后有播报但是不识别命令词:

    1. 检查麦克风和插口的连接是否完好;
    2. 检查麦克风正负极方向是否与模块板上标示一致,没有插反;
    3. 使用万用表测量主芯片对应的MICBIAS管脚是否为2.8V左右电压,使用示波器测量麦克风输入管脚是否有输入语音波形(示波器每格电压调整为100mv档位),若信号正常需考虑固件是否正确,若信号异常需观察板子硬件是否有物理损伤。测量点如下图。如上述检查均无问题,请联系我司技术支持人员获取帮助。

模块麦克风信号测试点

图16 模块麦克风信号测试点

其它应用注意事项

因为CI1102芯片ESD等级较高并且模块设计为方便用户扩展,所以模块上只在麦克风位置设计ESD器件,对与ESD很高要求的产品可以再添加ESD器件。建议用户在检验、焊接生产过程中佩戴防静电手环或防静电手套、指套。在对应底板连接器位置请预留 ESD 防护器件,保障产品的质量可靠性。

使用时注意麦克风、喇叭、电源串口不能接错,注意防止背面测试点短路。

注意本模块串口是5V供电,请使用5V电平的串口进行通讯。用户可采用USB转串口工具对开发的软件进行调试,调试时需在SDK软件中相应位置加上串口打印命令,编译后生成固件并烧录,就可以进行调试验证。

生产指南、存储和包装订购信息

生产指南

该模块因采用带端子一体接口,生产简单方便,将麦克风、喇叭、电源通讯端子三个配件插入各自对应端子即可使用。板子设计为防呆接口,三个端子之间不存在误插可能。插入操作过程请佩戴静电手套和静电手环,用合适力度确保连接器插入到位。在开工组装之前在打开真空静电包装袋。

存储条件

模块有真空包装,因此对存储条件要求不高,可储存在 < 40℃/90%RH 的非冷凝大气环境中。模块的潮湿敏感度等级MSL为3级,真空袋开封或者漏气后,请按照3级潮湿敏感度等级管控。

包装订购信息

表5 模块批量订购及包装信息

产品型号 包装方式 每个托盘装模块数量 每包装模块数量 每箱装模块数量
CI-B02GS01J
CI-B02GS06J
托盘+静电袋+纸箱 40pcs 10个托盘共400pcs 3袋共1200pcs

采购和技术支持

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