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追趕風潮-DIY一款智能音箱之一:硬件設計篇

2017-11-03
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作者：zhanzr&紹楠
來源：21ic

[導讀]
筆者受限于緊張繁重的工作，一直沒有更新專欄，不過也不是全無成績。通過前幾期的活動與紹楠結(jié)識并合作搞了一個有趣的音頻處理板出來，主控采用STM32F4，歡迎拍磚！

前言

因為搭上了人工智能的車, 近一段時間來智能音箱很火. 最著名的當屬亞馬遜的Echo,國內(nèi)的后起之秀有靈動等等. 類似的還有小米收音機,優(yōu)聽音箱之類. 主要功能都是網(wǎng)絡播放,大多數(shù)帶有麥克風+語音識別. 與AI結(jié)合緊密的就是語音助手了, 比如某些智能音箱能夠聽從用戶這樣的命令: 播放Beatles樂隊的Let it be! 上述例子中小米音箱的麥克風目前沒有在固件支持,但是潮流與趨勢大致如此. 作者本人也與另外一個21ic的網(wǎng)友合作DIY了一款. 此篇講述硬件的設計思路以及詳情. 設計的過程中用到了STM32CubeMX, 感覺很好用, 治理也介紹一下子這個工具如何輔助作者本人的硬件與軟件設計過程, 希望對感興趣的網(wǎng)友一點啟發(fā). 后續(xù)的軟件上的例子另外進行寫作.

功能框圖.jpg

圖功能框圖

考慮到要語音識別和音頻軟解碼的需要, 核心要進行復雜的數(shù)字信號處理. 這樣核心可選DSP, 高頻通用處理器或者FPGA。因為是自己搞DIY, 其實這里也沒有很大的講究。無非是用好的處理器就做復雜點, 反之就搞簡單一點. 考慮到購買容易,價格也較低的因素，選定STM32F4系列。小米收音機我也拆過, 用的是MTK的MT7688KN(MIPS24KEc內(nèi)核). 這種片我們既難買,也不好搞編程, 算是可望不可求吧.

圖小米收音機主板

考慮到有大量數(shù)據(jù)存儲(永久或暫時)的可能，外擴了RAM和Flash，外擴RAM選用SRAM，外擴Flah選擇SD卡和SPI Flash。注:小米音箱上只有SPI Flash沒有SD卡.

顯然有播放音樂的需要，對音質(zhì)還是比較在意，這里并不使用MCU內(nèi)建的DAC，而是選擇外置的I2S DAC。而語音輸入就相對簡單，內(nèi)置ADC加外部MIC即可。通信方面，支持TCP/IP和USB是必不可少。

人機界面本來打算使用12864這樣的液晶屏，后來覺得不是核心功能就能省就省，使用按鈕和LED的組合即可(也考慮到還要做語音指令功能)。這樣外觀也比較好處理，例如這樣擺放在桌面上的感覺(機頂盒)：

圖設想圖之一

但實際效果，可能更像這樣，可以便攜使用(耳放)：

圖設想圖之二

最終選定的主要芯片型號：

型號封裝廠商功能主要規(guī)格

表主要芯片一覽

使用CubeMX輔助硬件設計

這里假定讀者有一定的軟硬件開發(fā)經(jīng)驗，順便講一下子使用工具來輔助STM32的軟硬件設計過程。這要是按以前，有從8051轉(zhuǎn)到AVR，然后從AVR轉(zhuǎn)到富士通，又從富士通轉(zhuǎn)到STM8的切身體會的話，估計得急死人。筆者買過一塊STM32F103的開發(fā)板來自學，用過STD庫后，感覺太方便了。STD庫是極大方面軟件開發(fā)，而STM32CubeMX + HAL庫則是把硬件開發(fā)和軟硬件兼容都考慮進去了。在硬件都是從零開始設計的情況下，我們看看STM32CubeMX，是如何協(xié)助我們更好更快地完成任務。

STM32CubeMX的安裝過程非常簡單，這里就省略了。啟動界面如下：