GX8008C_Wukong-Prime_V1.1 开发板用户指南

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2023-12-01

概述

文档详细介绍了 GX8008C Wukong-Prime V1.1 方案，包括 USB 相关协议、方案设计、固件烧写和方案板的使用流程等。

硬件方案

概述

GX8008C_Wukong-Prime（简称 Prime）是面向语音前端处理应用而设计的方案，运行离线的 demo 程序后可进行基本的本地语音交互。Prime 平台具有如下功能特点：

1）2 路驻极体麦克风
2）1 个 BOOT 功能按键
3）1 个 RGB 3 色 LED
4）USB 2.0 Device 接口
5）1 个 UART 调试端口
6）1 路 Audio out
7）I2C、UART、I2S/SPI 等多个功能预留 IO 口

方案设计简介

电源

主设备 USB 接口供电或者 5V 适配器供电

存储器

SPI NOR Flash：单颗 2MByte ~ 16MByte（16Mbit ~ 128Mbit）

音频

输入音频：UAC 采用 2 路驻极体模拟麦克风输入方案输出音频:LODAC 输出到扬声器或者 UART、I2S 输出

数据通道

USB：一路 USB Device 接口（可用于传输数据、时钟同步和下载程序等）

MIC 阵列

方案采用 2 路模拟 MIC 输入，板外式驻极体麦，两个麦克风间距建议 40mm。 GX8008C 最多支持 4 路 MIC。

调试接口

串口：2 路 MCU UART，UART1 用于 MCU 调试，UART0 用于设备间通信； 1 路 DSP UART_TX。

LED 阵列

GX8008C 支持多种型号的 LED Driver IC，通过 I2C 接口控制 LED 阵列。本方案配有 1 颗 RGB LED，通过 IO 口控制。若采用 LED 阵列方案，可以通过 I2C接 LED IC，最多 12 颗 RGB LED。GX8008C 有两路 I2C。

Audio out

Prime 板配有一路 Audio out 方便开发。对于 GX8008C 外接扬声器的产品方案，可以采用此方式，如图 2、图 3；对于 GX8008C 只做语音处理功能，主控带 Audio out 的产品方案，这部分可不用，通过 UART0 将 GX8008C 的音频数据传到主控处理播放，如图 4。对于不同的应用场景，可灵活选择。

GX8008C Wukong-Prime V1.1 平台实物图

电源接法

在图 5 中，通过 USB 线将 UAC 的 USB 口接到 USB HOST 即可上电。

串口接法

将图 6 黑色接线口凸起朝上与图 5 的 UART 连接（红色线靠右），上电后即可在主机的/dev 目录下看到串口设备节点。

软件方案

概述

GX8008C_Wukong-Prime 是主要用作语音前端处理模块，能实现 AEC、 BeamForming 和 Wakeup 功能。启动 Prime 板，运行 demo 程序，可进行基本的唤醒识别。

VSP（语音前处理系统）运行在 MCU、DSP 和 NPU 上。主要完成语音信号处理，比如降噪、去混响、回声消除、波束合成、特征提取、激活词识别等。实现了原始语音数据采集、系统的启动和初始化、系统状态检测、系统功耗控制、LED 效果等功能。VSP 在设计之初就兼顾考虑了语音信号处理的运算特点、硬件模块的特点、NPU 和 DSP 处理器的特点，并在很大程度上对算法实现的便利性、内存使用效率、处理器性能和系统功耗进行了充分的优化。

当前方案支持以下功能：

支持 USB 即插即用
最多支持录制 6 路麦克风数据
通过唤醒词触发唤醒状态
支持 HID 和 USB 串口
通过按键进入静音状态

协议介绍

USB-UAC

UAC（USB Audio Class）一种通用数据接口，可以有很多种实现数字音频数据传输的方式。不同的开发者可以根据自己的喜好和需求，定义任意的控制方式，传输模式，音频格式等等参数。

USB 非常适合作为以 PC 为平台的音频（包括语音和音乐等）传输协议，USB 接口拥有远远高于音频需求的带宽，可以传输高品质（高采样率、多声道）的音频数据。因此，例如录音和音乐播放等音频功能都可以很容易在 USB 接口实现。

音频流被打包成 USB 数据包（USB packets）在 USB 总线上传送。每个数据包只能包含整数个音频流数据。 USB 支持的四种传输机制：控制传输，中断传输，块传输，同步传输（等时输），如图 4。

UAC 方案采用等时传输，该类型有要求数据的及时性、传输大量数据和速率恒定等特点，故适合用于音频系统。

USB-HID

HID（Human Interface Device）属于人机交互操作的设备，是 USB 设备中常用的设备类型。例如 USB 键盘、USB 鼠标与游戏杆等。

当插入 USB 设备后，主机会向设备请求各种描述符来识别设备。为了把一个设备识别为 HID 类，设备在定义描述符的时候必须遵守 HID 规范。HID 设备的描述符除了五个 USB 的标准描述符（设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符、字符串描述符）外，还包括三个 HID 设备类特定描述符：HID 描述符、报告描述符、物理描述符。所有的 HID 设备通过 USB 的控制管道和中断管道与主机通信。

描述符之间有一定的关系，一个设备只有一个设备描述符，而一个设备描述符可以包含多个配置描述符，而一个配置描述符可以包含多个接口描述符，一个接口使用了几个端点，就有几个端点描述符。USB 的描述符之间的关系是一层一层的，最上一层是设备描述符，下面是配置描述符，再下面是接口描述符，再下面是端点描述符。

PLC 方案

PLC（Programmable Logic Controller）可编程逻辑控制器，以这个词命名我们的方案是因为它可以根据DSP处理语音信号输出的KWS值和输出算法语音做一些可编程的逻辑控制，来满足不同的产品方案的需求。

PLC 方案支持以下功能：

1）UAC 录音功能；
2）向主机发送 HID 键值功能。PLC 方案兼容 UAC 方案的一些功能，包括 HID 键值发送和声卡录音功能，去除了声卡的输出功能；
3）支持低功耗模式。PLC 方案还支持低功耗，可以应用于语音前处理控制模块对功耗有要求的产品方案。
4）主激活词二次唤醒功能。
5）本地语音播报功能。本地语音播报功能包括主动播报和被动播报。主动播报是 MCU 收到 DSP 处理完的数据，如果有唤醒事件，MCU 会主动播报唤醒事件对应的播报语音。被动播报一般应用于从设备模块，8008C 与上位机通过串口交互，串口通信协议可以使用我们的公用协议也可以自定义。一般处理流程是 DSP 处理完数据后，会发送给 MCU，MCU 判断是否有唤醒事件发生，如果有唤醒事件发生，会通过串口发送消息数据给上位机，8008C 等待上位机返回的串口数据，解析后播放相应的语音数据。目前支持 MP3 格式和 16K、8K，单通道，16Bit 的 WAV 数据。
6）串口、I2S 发送音频数据；

有些方案需要 8008C 芯片 DSP 做语音前处理后的音频数据，PLC 方案支持将 DSP 经过语音算法处理后的数据或者经过 OPUS、Speex 编码后的数据通过串口和 I2S 发送给上位机做二次语音处理，比如 ASR，来实现一些语音前处理模块的产品方案。

我们会提供一个带本地语音播报的 demo 给用户演示体验。固件和烧写在固件烧写部分介绍。

CODEC 方案

CODEC 方案中把 GX8008C 充当音频解码芯片，在该方案中音频数据传输方式有以下几种：

通过 ADC 从 HOST 接受音频数据，经过 DSP 处理过后，然后通过 DAC 播出。
将 DSP 算法处理过的音频数据以及 VAD、KWS 信号通过 I2S 接口或 UART 发送到 HOST 端。
支持从麦克风采集环境音频，经过芯片 DSP 语音算法前端处理，产生处理后的语音信号，并通过音频接口输出到其他设备。