語音模組重啟及聲音輸出異常淺析

張秀鳳 楊守武 李帥

摘 要：隨著科學技術(shù)的發(fā)展，人們開始追求智能、便捷的家居環(huán)境，傳統(tǒng)家居環(huán)境和控制方式已無法滿足需求。李世國教授在《交互系統(tǒng)設(shè)計——產(chǎn)品設(shè)計的新視角》中提出，交互系統(tǒng)設(shè)計反應了以用戶為中心的設(shè)計理念。傳統(tǒng)家居控制系統(tǒng)中手動控制以及遙控器控制的繁瑣促使語音控制的誕生和快速發(fā)展，而新技術(shù)的產(chǎn)生對產(chǎn)品的可靠性評估也提出了更高的要求。

關(guān)鍵詞：智能家居；語音識別；可靠性

1 語音模組簡介

基于語音識別技術(shù)的語音模組主要包括語音識別芯片和其他外圍電路，開發(fā)者將模塊嵌入到產(chǎn)品內(nèi)以實現(xiàn)人機語音交互目的。

2 相關(guān)背景

應用在金貝高端柜機的語音模組是實現(xiàn)人機交互的重要部件，截止目前共經(jīng)過兩次結(jié)構(gòu)更改，編碼由300 072 000 001變?yōu)?40 147 060 006，再變?yōu)?40 147 060 009。本次更改為模組結(jié)構(gòu)更改，由于語音模組硬件因質(zhì)量問題比較突出和主控芯片停產(chǎn)，重新設(shè)計新平臺以解決目前的質(zhì)量和資源問題。新平臺MCU集成度較老平臺高，可降低模塊整體元器件用量，提高模塊整體可靠性。自切換新模組以來，出現(xiàn)了兩類問題影響用戶體驗：模組重啟以及聲音信號輸出異常。

3 原因分析

3.1 音色變化失效機理分析

1）故障模組在正常通電3 min以上異常即可復現(xiàn)故障，斷電后重新上電故障現(xiàn)象消失，通電一段時間后再次復現(xiàn)故障，如此反復，可正常執(zhí)行指令，功能無異常，僅音色發(fā)生變化；

2）40倍放大鏡下檢查外觀未發(fā)現(xiàn)器件焊接、破損等裝配異常；

3）測量系統(tǒng)供電、整機電流均正常；

4）正常工作狀態(tài)下，芯片DAC輸出波形正常，音色變化時，DAC輸出波形已出現(xiàn)明顯可見噪聲，至此鎖定為主控問題（如圖1）。

5）將不良模組配置Logic電壓，降頻試驗；

①VDD_LOG@0.95 V，CLK_12S_FRAC_IN=1.2G， 播放4 h音色變化（原不良模組默認配置）

②VDD_LOG@0.975 V，CLK_12S_FRAC_IN=1.2G， 播報72 h音色無變化（抬高電壓）

③VDD_LOG@0.95 V，CLK_12S_FRAC_IN=600M， 播報72 h音色無變化（降頻）

結(jié)論：芯片存在“正太分布”，IC內(nèi)部有“自適應”電壓機制，屬于AP型行業(yè)內(nèi)做法，對于分布在一般性能的IC，VDD_LOG電壓適配在1.05 V，對于分布在高性能的IC，VDD_LOG電壓適配在0.95 V，在12S_IN 時時鐘頻率在1.2 GHz狀態(tài)下，電壓margin不足導致音頻信號失真。

3.2 不定時重啟失效機理分析

使用串口調(diào)試工具對模塊內(nèi)部程序進行讀取未發(fā)現(xiàn)異常，說明程序并未被篡改。

1）故障模組在通電后可正常執(zhí)行指令，功能無異常，最短復現(xiàn)時間為5 min，沒有喚醒指令的出現(xiàn)重啟現(xiàn)象，重啟時模組的指示燈熄滅，1 s后自動上電，重新播放歡迎詞，模組可正常被喚醒并執(zhí)行指令；

2）40倍放大鏡下檢查外觀未發(fā)現(xiàn)器件焊接、破損等裝配異常；

3）測量系統(tǒng)供電、整機電流均正常，重啟時電壓、電流瞬間歸零，重啟后恢復正常；

4）上電測試PMU電壓及系統(tǒng)供電電壓正常，串口抓重啟現(xiàn)象發(fā)生時的系統(tǒng)運行狀態(tài)LOG信息，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)生錯誤導致重啟；

5）更換故障品上的DDR芯片，通電一段時間仍會出現(xiàn)重啟現(xiàn)象，將故障品換下的DDR芯片換在合格品上，通電36h未復現(xiàn)故障，排除DDR內(nèi)存問題；

6）更換故障品上的MCU主控芯片，通電36 h未出現(xiàn)重啟現(xiàn)象，將故障品換下的MCU主控芯片換在合格品上，通電2 min復現(xiàn)故障，鎖定故障位置為MCU主控芯片；

7）讀取MCU主控芯片內(nèi)程序，發(fā)現(xiàn)模組子程序調(diào)取錯誤，對MCU主控芯片內(nèi)程序擦除重新燒錄，通電36 h未出現(xiàn)重啟現(xiàn)象。

結(jié)論：主控程序燒錄未防錯，錯誤子程序被正常燒錄在主控芯片內(nèi)，系統(tǒng)運行時發(fā)生錯誤致使模組重啟復位。

4 后續(xù)整改措施

4.1 限制VDD_LOG的最低電壓為1.05 V

VDD-LOG電壓由PMU供給RK3229，包括內(nèi)部CODEC。更改I2C數(shù)據(jù)可以修改輸出電壓值。故障樣機VDD-LOG=0.95 V，I2S-FRAC-IN=1.2 GHz，揚聲器在一定時間后出現(xiàn)沙沙聲。抬高VDD-LOG電壓值，由0.95 V抬高到0.975 V，可解決音色變化問題，gpu dvfs可以vdd_logic最低電壓限制在1.05 V，遂將電壓設(shè)置在1.05 V留足安全余量設(shè)置（如圖2）。

4.2 將CLK_12S_FRAC_IN的時鐘源由1.2 GHz切換

到600 MHz

1.2 GHz分頻是：gpll_clk：1200m→i2s-frac：1200m →i2s_clk，導致i2s-frac頻率太高。由于PLL輸出到分頻單元的芯片設(shè)置為1.2 GHz時處于超頻狀態(tài)，因此提升VDD_LOG電壓到1.05 V，使1.2 GHz能夠工作。當降低為600 MHz時，由于頻率降低，在0.95 V可以正常工作（如圖3）。

4.3 更換主控芯片品牌，保證音頻信號無干擾

SGM4890輸出接地有2個開關(guān)，在上電時無法保證開關(guān)閉合，導致有電流流過揚聲器，影響音頻信號輸出，LM器件的開關(guān)強制接地，確保音頻信號不受干擾（如圖4和圖5）。

4.4 避錯設(shè)計

不定時重啟的失效機理為軟件子程序調(diào)取燒錄錯誤，在燒錄時沒有設(shè)計避錯，糾正措施為設(shè)置燒錄工具防錯機制，每一個固件版本對應唯一的版本號和MD5碼值，燒錄工具讀取固件時，必須輸入正確的MD5碼值，否則無法導入固件，同時工具會顯示版本號。

5 整改效果

5.1 環(huán)境試驗

試驗條件：在溫度40±3 ℃，濕度93%±3%的條件下通電8 h，結(jié)束后在常溫下恢復2 h；樣品不上電，在-35 ℃環(huán)境中放置1 h，取出后立刻放在40 ℃、濕度為93%的環(huán)境中帶電運行3 h，試驗5個循環(huán)，在室溫下恢復2 h；按技術(shù)圖紙規(guī)定在上限溫度環(huán)境下帶電放置96 h，每4 h查看一次運作是否正常。在常溫下恢復最少2 h；按技術(shù)圖紙規(guī)定在下限溫度環(huán)境下放置96 h，在低溫下通電2 h；在溫度為85 ℃，相對濕度為85%的環(huán)境中，模塊帶電放置96 h；

測試結(jié)果：模組外觀無異常，語音功能正常，各項參數(shù)測試符合圖紙要求。

5.2 模組應用測試

試驗條件：系統(tǒng)啟動跑flash_stress_test，在固定的塊，BAC分區(qū)反復讀寫，常溫狀態(tài)運行7 d；自動化重復錄音、播報3 d，連接PC檢查錄音質(zhì)量；系統(tǒng)啟動自發(fā)自收，波特率設(shè)置為1.5 MHz，數(shù)據(jù)位8位，停止位1位，無奇偶驗證，硬件連接客戶產(chǎn)品，常溫測試7 d；常溫下運行語音應用7 d，每天檢查1次系統(tǒng)狀態(tài)； 85 ℃下運行語音應用7 d，每天檢查一次系統(tǒng)；重啟間隔5 min，試驗3 d，每天檢查1次系統(tǒng)狀態(tài)。

測試結(jié)果：Flash可正常拷貝負載，觀察LED狀態(tài)，測試成功快速閃爍；音頻文件格式正確，錄音正常，播放正常，音質(zhì)不失真；使用UART腳本測試，響應時間小于1 s，無卡頓，查詢log信息無重啟記錄。

5.3 模組穩(wěn)定性測試

試驗條件1：7臺在線、7臺離線，頻繁壓力測試，累計測試一周；藍牙推送音樂，IOS和Android各連續(xù)播放60 h；播放在線音樂、電臺各48 h。

試驗條件2：OTA壓力測試30次，OTA時分布各種場景下的交互，過程不斷電，檢查userdata可用空間是否異常變化；頻繁禁止、恢復語音功能50次；頻繁進入推出廠測50次；手機播放藍牙設(shè)備，手機關(guān)閉藍牙與語音關(guān)閉藍牙各50次。

測試結(jié)果：CPU可正常負載，模組可正常交互，無卡頓，模組指示燈1個常亮，1個閃爍，查詢log信息無重啟記錄。

參考文獻：

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