计步器语音芯片应用设计介绍，高品质音频芯片WT2003H

唯创知音电子 | 2022-05-20 09:46:25 阅读：131

一．方案背景描述

近几年，智慧可穿戴设备大行其道，手环作为最简单方便的设备，已经成为我们日常生活的必备品。尤其是健康问题更是受到极大关注。对于运动爱好者而言，运动手环不仅仅可以计算每天的运动量，每天消耗的卡路里，它还是一种潮流，全民健身的时代已经来临了，很多产品都带有计步功能，每天的运动量也成了大家茶余饭后的谈资。

特别是近三年的疫情影响，很多公司，学校，协会等很关心自己员工或成员的身心健康，希望其成员能以健壮的身体，饱满的状态投入到工作和学习中，防止万一情况，小则封锁楼幢，大则整个社区停产停工，禁止出入，造成公司和个人沉重的经济损失，开始以每天/周/月的走路步数作为某种考核指标，鼓励其成员参与体育运动，强身键体。

传统的计步器都是用数字显示步数，时间等，但有缺点就是要不停地去看手环且功能音调不人性化，跑步人多时甚至会出现低头手环分心跌倒或与人碰撞的伤心事，为避免出现上述现象，增加跑步走路的乐趣。

本方案采用WT2003芯片增加语音功能。不但可用耳朵听语音播报时间，步数，卡路里，目标步数差等（依用户需求设置），而且可以播放音乐或英语口语美文（计步器内置体态传感器，可识别运动方向或手势，可用抬手切换音乐，甩手听时间步数等功能，由大家去发挥）。实现健身运动，休闲学习两不误，肯定会获得广大健身爱好者的喜爱。

其次采用WT2003H芯片方案，可省掉几颗芯片：一颗存贮音乐的FLASH芯片（W25QXX之类），一颗功放芯片（如8002之类），一颗音频解码或录音芯片（ISD14XX,).工程师可以用更低的成本和功耗去实现原有功能,提升公司利润和产品竟争力。

采用本方案可降低产品的难度,工程师只要写很少的代码,用WT2003芯片提供的通信协议，可直接命令WT2003H系列芯片实现显示，播放音乐等工作。

深圳唯创知音电子有限公司，位于广东省深圳市宝安区，1999年成立于广州。历经20多年的发展，公司已成为集研发、生产、销售和服务于一体的公司，专注于语音技术研究、语音产品方案设计及控制等软、硬件设计的国家高新技术企业。在北京、广州、武汉、上海等地拥有多家子公司，构筑了面向全国的经营和服务网络，涵盖家电、医疗器械、安防报警、汽车电子、多媒体、通信、电话录音、工业自动化控制、玩具及互动消费类产品等领域，公司的集成芯片和模块主要有：播放类、录音类、MP3类、蓝牙WiFi类、语音识别类。唯创知音已经形成标准的品质保障流程和高效的服务体系。芯片资料可向公司官网或客服索取相关资料，如果有订制需求，也可向客服咨询，可提供更多的技术服务。

公司成品线主要产品涵盖有工地安全、电梯安全（语音广告）、森林防火安全提示、垃圾分类提示、娱乐、店铺迎宾等业务领域，涉及政府、工业、文教、交通、能源和企业等行业应用。

二．方案系统组成2.1系统主要功能

（1）采用创唯WT2003H芯片（SOP16/24/QFN32引脚，120Mhz主频），实现电子计步器的主控及语音功能；
（2）按键设定功能：通过2个按键对计步器进行设定；
（3）LCD显示功能：通过MCU内置的LCD驱动以I2C/SPI联接LCD,显示当前时间、步行数、卡路里消耗量，音乐名称歌词或英文单词等信息，可选关闭屏幕以节约电量；
（4）步行数和卡路里消耗量计算：通过3轴MEMS ADXL362检测运动过程，计算出步行数并依据设定的体重和步长计算出卡路里消耗量；
（5）内存功能：保存步行数等重要数据到内部闪存，闪存具有掉电保护功能，避免意外丢失数据；
（6）音乐播放和报时报步数功能：可播放切换音乐英语，设置定时或整百千播报步数；
（7）电量不足时，可发出“嘟嘟”“电量不足，请充电”报警声；
（8）充电功能：可用磁吸式或USB防水接口充口，节省购买电池的费用。
（9）蓝牙功能：外接蓝牙模块，实现手机与计步器的信息交流。
（10）手机APP: 微信，电话等可显示在手环LCD上或用语音播放“微信来了”“电话来了”；每天的步数，运动时间等也可通过手机上传到云平台。

计步原理及算法：

通过姿态传感器采集X Y Z轴方向的加速度数据画出图（下图），会发现走路的方向及重心移动方向，都会周期性的正---零----负---零---正，也就是加速度值在零点上下回来转换，就向荡秋千钟摆一样的运动，且周期基本相近。

计算过程：

使用截止频率为3Hz的六阶巴特沃斯低通滤波器来滤波降噪，再使用过零点检测法去检测步数。之所以选择3Hz截止频率，是因为人类快走时平均范围是每秒2.5步[相当于每分钟150步]。截止频率越低，对平滑波形效果越好，把在零点附近的毛刺过滤到最小，又能清晰地显示步态周期的波形。每周期可取三点（A最高点，B零点，C最低点），最高/低点AB是拐点可用差分求出，零点C由绝对值与单调性求出，满足这ABC三点时，步数加一。

2.2程序流程图

2.2系统结构框图

2.3主要芯片介绍

2.3.1 WT2003H芯片

WT2003HX是一款功能强大的高品质语音芯片，采用了高性能32位处理器、最高频率可达120MHz。具有低成本、低功耗、高可靠性、通用性强等特点，可内置350秒\900秒语音容量。现有 WT2003HX-16S、WT2003HX-24SS、WT2003HP8-32N（体积小4*4MM）三种封装的芯片。控制方式灵活：支持UART控制模式；支持一线串口和两线串口控制模式；支持按键控制模式

WT2003H功能特点

（1）UART控制模式：标准UART通信接口，默认波特率9600；支持 SPI-Flash作为存储器。带有文件索引播放、插播、单曲循环、所有曲目循环、随机播放等功能。 32 级音量可调、最大可以支持外挂 128Mbit 的 Flash；
（2）一线串口控制模式：可通过发码端控制语音播放、停止、循环播放和音量大小；8级音量可调、支持 SPI-Flash做为存储器：最大可以支持外挂 128Mbit 的 Flash；
（3）两线串口控制模式：可通过发码端控制语音播放、停止、循环播放和音量大小；8级音量可调、支持 SPI-Flash做为存储器：最大可以支持外挂 128Mbit 的 Flash；
（4）按键控制模式：触发方式灵活，可随意设置任意按键为脉冲可重复触发、脉冲不可重复触发、无效按键、电平保持不可循环、电平保持可循环、电平非保持可循环、上一曲不循环、下一曲不循环、上一曲可循环、下一曲可循环、音量+、音量-、播放/暂停、停止、播放/停止等15种触发方式，最多可用10个按键触发控制输出；
（5）上电默认不播放；具备BUSY状态指示、BUSY平时为低电平，播放时为高电平；
（6）支持切换音频输出方式，样品默认SPK输出，如需DAC输出，请参考音频输出切换指令；
（7）支持语音高品质音频格式，（音频码率支持8kbps~320kbps）声音优美；
（8）内置0.5W D类功放；
（9）两个16位异步分频器定时器；
（10）数字音频流,IIS支持主机和从机模式；
（11）一个红外遥控****；
（12）16 bit高精度ADC；
（13）16 bit高精度DAC；
（14）大功率IO驱动能力，最高可直接驱动64mA；
（15）单芯片使用（使用内置容量）时内置语音需出厂前写入。
（16）支持UART更新程序以及语音，建议画板时预留UART串口，升级请参考串口升级文档。

2.3.1 ADL362姿态传感器芯片

ADL362是一款超低功耗、3轴MEMS加速度计，输出数据速率为100 Hz时功耗低于2 μA，在运动触发唤醒模式下功耗为270nA。与使用功率占空比来实现低功耗的加速度计不同，ADXL362没有通过欠采样混叠输入信号；它采用全数据速率对传感器的整个带宽进行采样。ADXL362 通常提供12位输出分辨率；在较低分辨率足够时，还提供8位格式化数据以实现更高效的单字节传送。

测量范围为±2 g、±4 g及±8 g，±2 g范围内的分辨率为1 mg/LSB。噪声电平要求低于ADXL362正常值550 μg/√Hz的应用可以选择两个低噪声模式（典型值低至175 μg/√Hz）之一，电源电流增加极小。

除了超低功耗以外，ADXL362还具有许多特性来实现真正的系统级节能。该器件包含了一个深度多模式输出FIFO、一个内置微功耗温度传感器和几个运动检测模式，其中包括可调阙值的睡眠和唤醒工作模式，在该模式下当测量速率为6HZ（大约）时功耗低至270nA。如有需要，可在检测到运动时提供一个引脚输出来直接控制外部开关。此外，ADXL362还支持对采样时间和/或外部时钟进行外部控制。

ADXL362可以在1.6V至3.5V的宽电源电压范围内工作，并且必要时可以与采用独立低电源电压工作的主机接口。ADXL362采用3 mm × 3.25 mm × 1.06 mm封装。

三．协议命令格式

标准UART异步串口接口，属于3.3V TTL电平接口。通讯数据格式是：起始位：1位；数据位：8位；奇偶位：无；停止位：1位。使用电脑串口调试助手，需要正确设置串口的参数，设置如图：