原创 3数字麦阵列声源定位模组AR1105

 

 

产品概述：

 

AR1105是一款专用于音源定位寻向的模组。模组选用行业最新算法内核DSP芯片,并综合简单易用的原则而设计。

AR1105模组需要搭配 3颗间距都为10mm数字麦克风，利用每2颗数字麦克风组合的心形指向性，能够方便快速的辨识圆周6个方向的音源方向。对比常规的需要4-6麦，甚至更多麦的阵列麦模式，AR1105的方案则小巧实用，适合众多小型设备的设计选用。

AR1105在进入工作状态后，会不断的刷新音源的方向角度，并即时通过模组的6个方向IO端口输出高电平，传送给后级MCU主板进行方向引导。

AR1105除了对音源方向定位跟踪之外，还预留了音频输出端口，可以吧数字麦阵列捕获的声音由模拟端口或者数字音频端口输出，由下一级音频系统选择使用。 

模块端口采用半孔焊盘及排针插孔设计，体积小巧（长37mm,宽26mm）。在已成型的产品中，可以通过转接板快速接入；而在新产品设计时，则可以按模块尺寸图，直接做焊盘形式焊接在系统板上，方便各类产品的设计生产使用。

 

应用领域：

主要应用各类智能互动及安防监控等产品设备。

工控监听，工业机器人等设备

玩具机器人，娱乐交互智能等设备

音源自动寻位智能小车系统，智能驾驶系统等。

智能摇头摄像头，自动音源追踪预警等安防报警设备。

智能多人视频会议通话设备。

语音识别智能设备。

人声采集录音拾取设备

外形框图

模块外形及接口示意图

模块脚位定义说明：

脚位	功能定义	说明
1	+5V	模块电源供电输入 （+4V～+6.5V）
2	GND	模块电源地线
3	0°	音源0°方向输出IO端口（输出为高电平，角度值可自定）
4	60°	音源60°方向输出IO端口（输出为高电平，角度值可自定）
5	120°	音源120°方向输出IO端口（输出为高电平，角度值可自定）。
6	180°	音源180°方向输出IO端口（输出为高电平，角度值可自定）
7	240°	音源240°方向输出IO端口（输出为高电平，角度值可自定）
8	300°	音源300°方向输出IO端口（输出为高电平，角度值可自定）
9	IO1	预留IO1，默认电源指示。上电高电平，启动后为低电平。
10	IO0	预留IO0
11	GND	模拟音频地线
12	MIC_OUT	阵列麦克风捕获处理之后的音频输出（模拟音频信号）
13	L_LINE IN	备用音频线路输入左声道（从18脚D_LINT OUT数字输出）
14	R_LINE IN	备用音频线路输入右声道（从18脚D_LINT OUT数字输出）
15	LRCK	I2S数字音频LRCLK 采样率16kHZ,16位
16	BCLK	I2S数字音频BCLK 采样率16 kHZ,16位
17	MIC_DOUT	I2S DOUT （阵列麦克风捕获处理后数字音频输出）
18	D_LINE OUT	备用I2S数字音频输出（由13,14脚输入的音频经ADC输出）
19	+3V3	数字麦克风工作电源输出
20	GND	数字麦克风电源地线
21	CLK0	数字麦克风0时钟输出
22	DAT0	数字麦克风0数据输入
23	CLK1	数字麦克风1时钟输出
24	DAT1	数字麦克风1数据输入

 

附：1,数字麦克风端口MIC0可以同时接2个数字麦克风，通过使能设置左右声道，默认右声道为输出。

2，17脚I2S数字音频与12脚MIC OUT 模拟音频为同时输出，可按需选用数字或模拟音频信号。

 

模块电气性能指标：

输入电压：直流+4V～+6.5V

工作电流：28-31mA

数字麦克风时钟端口输出为714kHZ（低功耗时钟）。

逻辑高电平电压为3.3V，

角度IO端口输出高电平有效。

定位角度为圆周的6个方向，每角度间隔为60度夹角。

MICOUT模拟音频输出端口阻抗10kΩ

输出幅度最大1Vrms.

I2S数字音频格式:采样率16k

16位，标准I2S格式，主模式。

阵列麦克风拾取范围:10cm-200cm（按本规格书推荐麦克风测试）

工作温度:-20度～+85度

工作湿度:相对湿度小于90%

 

模块尺寸规格

 

半圆焊盘长为1.5mm 宽为1mm

 

系统间基本连接框图:

三数字麦克风阵列系统连接图

 

上面框图是最基本的应用连接方式，只要吧三个数字麦克风的数据引脚接入AR1105的相应端口，在模组的角度输出端口会按即时的音源方向输出高电平。

 

任何需要即时角度信息的智能设备主板，在得到角度信息后，再按照需要的功能处理各种交互动作设置，比如智能机器人的循声摇头，智能小车的跟踪声源转向，监控设备寻声拍摄，会议设备跟踪说话人方向等等，及其他各类需要定音源定位的交互应用设备。

 

三个数字麦需要选择相同型号规格，一致性接近的数字麦型号。常规推荐-26dBFS(相当于电容麦克风的-42dB规格)，或者-29 dBFS（相当于电容麦克风-44dB规格）。

数字麦的误差率请尽量选用误差率为±1dBFS，可以最大减少麦克风之间拾音差异。

阵列麦在经过DSP处理后，除了输出角度数据外，还可以输出捕获的音频信号，在有需要的情况下，可连接至后级主板音频输入端。这个音频输出包括数字和模拟信号输出， 常规按上图的直接选用12脚的模拟输出端口；特殊需要时，也可以连接至15,16,17的数字音频I2S输出端口（数字I2S音频的格式默认为16K采样，16位，I2S标准格式）。

 

测试套件推荐及操作指引

 

AR1105是一个DSP处理核心板，本身无法进行单独的测试。为方便观察和测试AR1105的定位寻向功能效果，和音频输出的各项参数，本模组特别设计了可配套选用的三数字麦克风阵列板3DMIC-291，以及用于观测调试的圆形底板AR-6LED。

 

1，三数字麦克风阵列板型号为:3DMIC-291，外形如下图

 

           阵列麦克风正面                                      阵列麦克风背面

 

2，测试底板型号为：AR-6LED, 外形如下图

AR-6LED测试底板正面

AR-6LED测试底板背面

 

 

3，装配示意图。

 

AR1105模组及阵列麦板3MIC-291都需要安装到圆形测试底板AR-6LED相应的焊盘或针座部位，焊接的方式则可以根据自己的需要而选择。

 

基本连接如下图，先吧阵列麦克风小板3DMIC-291接入AR-6LED的顶部，一般是在AR-6LED上焊接排针，而3DMIC-291小板上焊接排母，通过排母排针拔插方式连接。

3DMIC-291麦克风板对应圆形底板AR-6LED安装部位

 

然后在把AR1105模组接入到AR-6LED的背部。这个接入方式可以吧AR1105直接焊接在AR-6LED的背部焊盘部位，也可以在AR-6LED背部相应焊盘焊接排母，而AR1105的端口焊接排针，2个板通过排针排母拔插相连。

 

 

AR1105模组对应圆形底板AR-6LED 安装部位

 

 

4，焊接实物示意图。

 

阵列麦克风板3DMIC-291与AR-6LED的连接实图

 

AR1105模组与AR-6LED的连接实图

 

 

 

AR1105模组+3DMIC-291+AR-6LED的总安装实图

 

 

 

5，通电测试简介。

 

通过上述的焊接装配之后，所有的电气连接已经完成，只需要接入电源，即可进入测试。找一根TYPE-C的USB数据线，一头插在AR-6LED的USB插座上，另一端可以插电脑或者5V适配器对AR1105组件供电，如下图。

AR1105模组上电启动时

 

AR1105组件在插入USB供电时，会有一个启动过程，启动中，只点亮板中间的红色LED，启动时间大概7-9秒。

AR1105模组进入工作状态时

 

AR1105组件在启动结束后，中间的LED灯转换为蓝色LED，并且圆形底板周边的方向指示LED灯会被点亮某一个。这时只要在圆形板周围不同位置说话或者播放音频文件，可以观察到圆形底板的角度指示灯，会随时根据声音位置变化而点亮不同角度。

 

 

 

AR1105模组与外部设备连接示意图

 

AR-6LED底板上预留了多种IO数据端口以及音频端口，可以在需要时，很方便的通过排针与外部其他设备进行通讯和音频传输。上图是常规应用与外部设备的连接示意图。

 

 

设计应用附加说明

 

选用数字麦克风的时候，建议选用外形封装是那种进声孔在麦克风底部的，即需要在PCB表面穿孔的方式设计。这样的设计使得阵列麦克风的每个麦克风都在同一个平面，最大减少每个麦克风之间拾取声音的差异和不平衡。

 

圆形底板上丝印标注的角度值仅供参考；因为声音是在阵列麦四周转动，所以，任何一个起点设置为0度起点都是可以，每个角度间距均匀的按60

度划分就可以。

 

此组件的最大功能是对阵列麦克风周围的声音进行跟踪定位，而对捕获输出的音频并不做特殊处理，比如降噪，消回音，波束拾音等等功能都不具备。因此在某些需做语音处理的设备上，需要注意此输出音频的特性，再考虑后端的电路如何设计。

 

目前规格书描述的阵列麦克风板，搭配的是灵敏度为-29dBFS的规格型号，拾音距离在10-200cm范围内，如果需要更远的拾音距离，可以选配更高灵敏度的数字麦克风型号。

 

此组件的设计使用，不需要任何软件源码资料以及SDK开发包，只需要简单的搭配角度IO去设计应用，至于如何用的更完善，可与本公司工程人员互相交流咨询。

阵列麦克风的距离最佳状态为等边三角形的排列，每个麦克风的以拾音孔之间距离为10mm,如果需要拉长或缩小甚至减少麦克风数量，则无法保证拾音定位准确性，具体可在调试中根据实际效果确认。