Пробуждение по команде. Микрофон VM1010 от Vesper

На настоящий момент клавиши остаются основным элементом управления в огромном числе приложений: от бытовой техники – до компьютерных клавиатур и телефонов. Однако в последнее время все большую популярность получают системы голосового управления. Впрочем, у большинства таких систем есть одна общая проблема – их нужно выключать и выключать с помощью обычной кнопки. Если же кнопки выключения не предусмотреть, то это неизбежно сказывается на общем потреблении системы. Совсем недавно компания Vesper заявила о решении данной проблемы в виде новых пьезоэлектрических микрофонов VM1010 с функцией голосового пробуждения. Эти микрофоны в режиме прослушивания потребляют всего 5 мкА, что в сто раз меньше, чем у традиционных емкостных МЭМС-микрофонов.

 VM1010 – пьезоэлектрический МЭМС-микрофон с функцией пробуждения от звука

Рис. 1. VM1010 – пьезоэлектрический МЭМС-микрофон с функцией пробуждения от звука

Ярким примером системы с голосовым управлением является портативная колонка Amazon Tap (рис. 1). Владельцам Amazon Tap не требуется нажимать кнопки для переключения треков или увеличения громкости. Вместо этого достаточно подать речевую команду, которая будет распознана цифровым сигнальным процессором. К сожалению, расплатой за это становится увеличение потребления, что крайне болезненно для мобильного приложения с аккумуляторным питанием. Чтобы хоть как-то минимизировать потребление, в ранних версиях Amazon Tap была предусмотрена кнопка выключения системы распознавания голосовых команд.

Последняя модель Amazon Tap, представленная в феврале 2017 года, отличается отсутствием необходимости «ручного» выключения и выключения системы голосового управления. Вместо этого пользователю необходимо произнести кодовое слово “Alexa”. То есть теперь Amazon Tap имеет целых три режима работы:

  • режим сна (sleep/ low power),
  • режим идентификации кодового слова (keyword identification),
  • режим активного распознавания речи (active voice processing).

В режиме сна (sleep/ low power) колонка имеет уровень потребления около 2 мА. При этом все системы Amazon Tap неактивны, за исключением микрофона. Он используется для обнаружения кодового слова. Когда пользователь что-либо произносит, система распознавания пробуждается и проверяет корректность кодового слова. Потребление системы при этом возрастает до 3 мА. Если кодовое слово “Alexa” не распознано, система вновь погружается в спячку. Если кодовое слово распознано, то система переходит в активный режим распознавания речи (active voice processing) с уровнем потребления до 100 мА.

Потребление на уровне 2 мА в режиме сна кажется вполне приемлемым. Однако на практике все оказывается не так хорошо. Даже если оставить систему в спячке в абсолютно тихой комнате батарейка разрядится за 9 часов. Если же Amazon Tap окажется в шумном окружении и периодически будет реагировать на громкие звуки, то время работы будет еще меньше.

Анализ потребления Amazon Tap в режиме сна показывает, что из 2 мА только 100 мкА приходится на электронные компоненты, а львиную долю «кушает» используемый микрофон. Дело в том, что применяемый емкостной МЭМС-сенсор требует встроенного повышающего регулятора для выполнения преобразования емкость-напряжение. Кроме того, время перехода такого микрофона из режима ожидания в активный режим оказывается весьма значительным и составляет несколько миллисекунд. Таким образом, именно микрофон ограничивает время работы Amazon Tap в режиме ожидания. С учетом сделанных выводов, компания Vesper разработала пьезоэлектрический МЭМС-микрофон VM1010 с функцией голосового пробуждения и потреблением 5 мкА в режиме ожидания «wake-on-sound».

Ранее на портале Унитера уже рассматривался пьезоэлектрический МЭМС-микрофон VM1000 от Vesper. В отличие от емкостных аналогов VM1000 и VM1010 используют не многослойную, а однослойную структуру из лепестков пьезоматериала (рис. 2). Такая конструкция дает два основных преимущества. Во-первых, она позволяет добиться отличной защиты от грязи и воды. Во-вторых, лепестки при колебании сами генерируют электрические сигналы, что устраняет необходимость преобразования емкость-напряжение, как у обычных емкостных МЭМС-сенсоров. В результате потребление пьезоэлектрических микрофонов удается снизить до микроамперного диапазона.

Структура чувствительного элемента пьезоэлектрических микрофонов

Рис. 2. Структура чувствительного элемента пьезоэлектрических микрофонов

Кроме МЭМС-сенсора в состав VM1010 входят цепи нормирования: фильтры, усилители и компараторы (рис. 3). Усилители используются в активном режиме, а компараторы только в режиме ожидания «wake-on-sound».

VM1010 объединяет в одном корпусе чувствительный элемент, цифровые и аналоговые цепи

Рис. 3. VM1010 объединяет в одном корпусе чувствительный элемент, цифровые и аналоговые цепи

Таким образом, у VM1010 есть два основных режима работы (рис. 4). Задание режима работы осуществляется с помощью вывода “Mode”: если на нем присутствует логический «0», то микрофон находится в активном состоянии. При этом потребление достигает 100 мкА, что по прежнему в 20 раз меньше, чем у емкостных аналогов. При подаче на вывод “Mode” логической «1» активируется режим пробуждения по звуку «wake-on-sound» с током потребления всего 5 мкА. Из представленных диаграмм видно, что переход из режима «wake-on-sound» в активное состояние происходит всего за 100 мкс. Это дополнительно снижает общее потребление системы.

Режимы работы микрофонов VM1010

Рис. 4. Режимы работы микрофонов VM1010

Отдельно стоит отметить, что разработчики VM1010 предусмотрели работу микрофона в условиях высокого уровня шума. В частности, диапазон полосы пропускания в режиме ожидания ограничен 300 Гц…6 кГц, что позволяет эффективно обнаруживать человеческий голос и отфильтровывать ветер, скрипы и т. д. Кроме того, пользователь может самостоятельно изменить уровень порогового сигнала срабатывания с помощью дополнительных резисторов, подключенных к выводам GAx.

Типовая схема включения VM1010 оказывается достаточно простой (рис. 5). Внешний процессор задает режим работы микрофона с помощью вывода “Mode”, а также получает звуковую информацию с аналогового выхода Vout и сигнал пробуждения с вывода Dout.

Типовая схема включения микрофонов VM1010

Рис. 5. Типовая схема включения микрофонов VM1010

Новый микрофон VM1010 может помочь оптимизировать работу и уровень потребления в рассмотренном выше примере с Amazon Tap. Для этого в Amazon Tap следует добавить еще один режим “wake-on-sound” за счет использования VM1010 (рис. 6). В режиме “wake-on-sound” все системы, за исключением VM1010, находятся в состоянии глубокого сна, а общее потребление не превышает 110 мкА. При возникновении значительного звука VM1010 пробуждает остальную систему уже через 100 мкс, а далее Amazon Tap работает по стандартному алгоритму с опознаванием кодового слова “Alexa”. При таком подходе срок работы колонки в режиме ожидания может достигать нескольких лет!

Оптимизация потребления Amazon Tap при использовании микрофонов VM1010

Рис. 6. Оптимизация потребления Amazon Tap при использовании микрофонов VM1010

Еще одним достоинством VM1010 являются компактные габариты. Микрофон выпускается в миниатюрном 8-выводном корпусе размером 3,76x2,95x1,1 мм (рис. 7). Для сравнения, габариты VM1010 сопоставимы с размерами кончика заточенного карандаша (рис. 8).

Микрофоны VM1010 отличаются сверхкомпактными габаритами

Рис. 7. Микрофоны VM1010 отличаются сверхкомпактными габаритами

Размеры VM1010 сопоставимы с острием заточенного карандаша

Рис. 8. Размеры VM1010 сопоставимы с острием заточенного карандаша

Несмотря на то, что VM1010 по уровню защиты от пыли и влаги уступает микрофону VM1000, тем не менее, он может похвастаться солидным рейтингом IP5x.

Для того чтобы быстро изучить основные возможности нового микрофона, компания Vesper предлагает использовать отладочную платформу VM1010 Development Platform (рис. 9). Эта отладочная плата включает не только сам микрофон, но и цифровой сигнальный процессор DBMD6. Таким образом, пользователь сможет создавать на базе этого набора законченную систему голосового управления.

  Отладочный набор VM1010 Development Platform

Рис. 9. Отладочный набор VM1010 Development Platform

Если заявленные показатели уровня потребления микрофонов VM1010 соответствуют действительности, то уже в ближайшее время можно ожидать всплеска использования систем голосового управления в сегменте мобильных и портативных приложений с аккумуляторным питанием.

Характеристики пьезоэлектрического МЭМС-микрофона VM1010:

  • чувствительность: -38 дБ;
  • соотношение сигнал-шум SNR: 60 дБ;
  • гармонические искажения THD: 0,1%;
  • выходной импеданс: 700 Ом;
  • напряжение питания: 1,6…3,6 В;
  • типовой ток потребления в активном режиме: 85 мкА;
  • типовой ток потребления в режиме “wake-on-sound”: 5 мкА;
  • диапазон рабочих температур: -40…+85°C;
  • рейтинг защиты: IP5x;
  • корпус: 8-выводной 3,76 x2,95 x1,1 мм.
Производитель: Vesper Technologies, Inc.
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
PMM-3738-VM1010-R
PMM-3738-VM1010-R
Vesper Technologies, Inc.
Арт.: 2303506 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Пьезоэлектрический МЭМС-микрофон с функцией пробуждения от звука
PMM-3738-VM1010-R 979,25
-
Поиск
предложений