语音模组重启及声音输出异常浅析

张秀凤 杨守武 李帅

摘 要：随着科学技术的发展，人们开始追求智能、便捷的家居环境，传统家居环境和控制方式已无法满足需求。李世国教授在《交互系统设计——产品设计的新视角》中提出，交互系统设计反应了以用户为中心的设计理念。传统家居控制系统中手动控制以及遥控器控制的繁琐促使语音控制的诞生和快速发展，而新技术的产生对产品的可靠性评估也提出了更高的要求。

关键词：智能家居；语音识别；可靠性

1 语音模组简介

基于语音识别技术的语音模组主要包括语音识别芯片和其他外围电路，开发者将模块嵌入到产品内以实现人机语音交互目的。

2 相关背景

应用在金贝高端柜机的语音模组是实现人机交互的重要部件，截止目前共经过两次结构更改，编码由300 072 000 001变为340 147 060 006，再变为340 147 060 009。本次更改为模组结构更改，由于语音模组硬件因质量问题比较突出和主控芯片停产，重新设计新平台以解决目前的质量和资源问题。新平台MCU集成度较老平台高，可降低模块整体元器件用量，提高模块整体可靠性。自切换新模组以来，出现了两类问题影响用户体验：模组重启以及声音信号输出异常。

3 原因分析

3.1 音色变化失效机理分析

1）故障模组在正常通电3 min以上异常即可复现故障，断电后重新上电故障现象消失，通电一段时间后再次复现故障，如此反复，可正常执行指令，功能无异常，仅音色发生变化；

2）40倍放大镜下检查外观未发现器件焊接、破损等装配异常；

3）测量系统供电、整机电流均正常；

4）正常工作状态下，芯片DAC输出波形正常，音色变化时，DAC输出波形已出现明显可见噪声，至此锁定为主控问题（如图1）。

5）将不良模组配置Logic电压，降频试验；

①VDD_LOG@0.95 V，CLK_12S_FRAC_IN=1.2G， 播放4 h音色变化（原不良模组默认配置）

②VDD_LOG@0.975 V，CLK_12S_FRAC_IN=1.2G， 播报72 h音色无变化（抬高电压）

③VDD_LOG@0.95 V，CLK_12S_FRAC_IN=600M， 播报72 h音色无变化（降频）

结论：芯片存在“正太分布”，IC内部有“自适应”电压机制，属于AP型行业内做法，对于分布在一般性能的IC，VDD_LOG电压适配在1.05 V，对于分布在高性能的IC，VDD_LOG电压适配在0.95 V，在12S_IN 时时钟频率在1.2 GHz状态下，电压margin不足导致音频信号失真。

3.2 不定时重启失效机理分析

使用串口调试工具对模块内部程序进行读取未发现异常，说明程序并未被篡改。

1）故障模组在通电后可正常执行指令，功能无异常，最短复现时间为5 min，没有唤醒指令的出现重启现象，重启时模组的指示灯熄灭，1 s后自动上电，重新播放欢迎词，模组可正常被唤醒并执行指令；

2）40倍放大镜下检查外观未发现器件焊接、破损等装配异常；

3）测量系统供电、整机电流均正常，重启时电压、电流瞬间归零，重启后恢复正常；

4）上电测试PMU电压及系统供电电压正常，串口抓重启现象发生时的系统运行状态LOG信息，发现系统数据发生错误导致重启；

5）更换故障品上的DDR芯片，通電一段时间仍会出现重启现象，将故障品换下的DDR芯片换在合格品上，通电36h未复现故障，排除DDR内存问题；

6）更换故障品上的MCU主控芯片，通电36 h未出现重启现象，将故障品换下的MCU主控芯片换在合格品上，通电2 min复现故障，锁定故障位置为MCU主控芯片；

7）读取MCU主控芯片内程序，发现模组子程序调取错误，对MCU主控芯片内程序擦除重新烧录，通电36 h未出现重启现象。

结论：主控程序烧录未防错，错误子程序被正常烧录在主控芯片内，系统运行时发生错误致使模组重启复位。

4 后续整改措施

4.1 限制VDD_LOG的最低电压为1.05 V

VDD-LOG电压由PMU供给RK3229，包括内部CODEC。更改I2C数据可以修改输出电压值。故障样机VDD-LOG=0.95 V，I2S-FRAC-IN=1.2 GHz，扬声器在一定时间后出现沙沙声。抬高VDD-LOG电压值，由0.95 V抬高到0.975 V，可解决音色变化问题，gpu dvfs可以vdd_logic最低电压限制在1.05 V，遂将电压设置在1.05 V留足安全余量设置（如图2）。

4.2 将CLK_12S_FRAC_IN的时钟源由1.2 GHz切换

到600 MHz

1.2 GHz分频是：gpll_clk：1200m→i2s-frac：1200m →i2s_clk，导致i2s-frac频率太高。由于PLL输出到分频单元的芯片设置为1.2 GHz时处于超频状态，因此提升VDD_LOG电压到1.05 V，使1.2 GHz能够工作。当降低为600 MHz时，由于频率降低，在0.95 V可以正常工作（如图3）。

4.3 更换主控芯片品牌，保证音频信号无干扰

SGM4890输出接地有2个开关，在上电时无法保证开关闭合，导致有电流流过扬声器，影响音频信号输出，LM器件的开关强制接地，确保音频信号不受干扰（如图4和图5）。

4.4 避错设计

不定时重启的失效机理为软件子程序调取烧录错误，在烧录时没有设计避错，纠正措施为设置烧录工具防错机制，每一个固件版本对应唯一的版本号和MD5码值，烧录工具读取固件时，必须输入正确的MD5码值，否则无法导入固件，同时工具会显示版本号。

5 整改效果

5.1 环境试验

试验条件：在温度40±3 ℃，湿度93%±3%的条件下通电8 h，结束后在常温下恢复2 h；样品不上电，在-35 ℃环境中放置1 h，取出后立刻放在40 ℃、湿度为93%的环境中带电运行3 h，试验5个循环，在室温下恢复2 h；按技术图纸规定在上限温度环境下带电放置96 h，每4 h查看一次运作是否正常。在常温下恢复最少2 h；按技术图纸规定在下限温度环境下放置96 h，在低温下通电2 h；在温度为85 ℃，相对湿度为85%的环境中，模块带电放置96 h；

测试结果：模组外观无异常，语音功能正常，各项参数测试符合图纸要求。

5.2 模組应用测试

试验条件：系统启动跑flash_stress_test，在固定的块，BAC分区反复读写，常温状态运行7 d；自动化重复录音、播报3 d，连接PC检查录音质量；系统启动自发自收，波特率设置为1.5 MHz，数据位8位，停止位1位，无奇偶验证，硬件连接客户产品，常温测试7 d；常温下运行语音应用7 d，每天检查1次系统状态； 85 ℃下运行语音应用7 d，每天检查一次系统；重启间隔5 min，试验3 d，每天检查1次系统状态。

测试结果：Flash可正常拷贝负载，观察LED状态，测试成功快速闪烁；音频文件格式正确，录音正常，播放正常，音质不失真；使用UART脚本测试，响应时间小于1 s，无卡顿，查询log信息无重启记录。

5.3 模组稳定性测试

试验条件1：7台在线、7台离线，频繁压力测试，累计测试一周；蓝牙推送音乐，IOS和Android各连续播放60 h；播放在线音乐、电台各48 h。

试验条件2：OTA压力测试30次，OTA时分布各种场景下的交互，过程不断电，检查userdata可用空间是否异常变化；频繁禁止、恢复语音功能50次；频繁进入推出厂测50次；手机播放蓝牙设备，手机关闭蓝牙与语音关闭蓝牙各50次。

测试结果：CPU可正常负载，模组可正常交互，无卡顿，模组指示灯1个常亮，1个闪烁，查询log信息无重启记录。

参考文献：

[1] 景妮琴.基于智能语音模块的智能家居系统的研究[J].电子制作， 2018（3）： 25-27，14.

[2] 包晓安，徐海，张娜，等.基于深度学习的语音识别模型及其在智能家居中的应用[J].浙江理工大学学报（自然科学版），2019，41（2）： 217-223.

[3] 李泽彬，姚有峰，张飞龙，等.基于单片机的智能家居语音控制系统设计[J].电子设计工程，2017（8）：175-177，182.