味覺識(shí)別實(shí)時(shí)系統(tǒng)在DSP上的實(shí)現(xiàn)

侯洪彬，蔣行國(guó)，章啟兵，陳真誠(chéng)

(1.桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004;2.桂林理工大學(xué)理學(xué)院，廣西 桂林 541004;3.桂林電子科技大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，廣西 桂林 541004)

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和科學(xué)理念的不斷發(fā)展，基于人工智能的機(jī)器人味覺感知系統(tǒng)的研究已逐漸成為科學(xué)研究的熱點(diǎn)，作為一個(gè)新興技術(shù)，它必將給眾多領(lǐng)域帶來一次技術(shù)革命，并將為社會(huì)生活、生產(chǎn)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來深遠(yuǎn)影響。其研究成果在食品安全、醫(yī)藥分析、化學(xué)分析、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域都具有非常大的市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿?。隨著集成電路和模式識(shí)別技術(shù)的發(fā)展，使得實(shí)時(shí)味覺識(shí)別系統(tǒng)有了軟件和硬件基礎(chǔ)。

本文提出利用TMS320C6713芯片與模式識(shí)別方法組建成了味覺識(shí)別實(shí)時(shí)系統(tǒng)，能夠客觀地反映溶液的味道，在小型化電子舌的開發(fā)和應(yīng)用方面取得了重大進(jìn)展。

1 LAPS型電子舌及識(shí)別算法

1.1 LAPS型電子舌原理介紹

光尋址(Light Addressable Potentiometric Sensor，LAPS)型電子舌是模擬人類味覺感知及識(shí)別系統(tǒng)的儀器。光尋址型電子舌如圖1所示，主要包括傳感器陣列模塊、信號(hào)處理模塊、模式識(shí)別模塊組成。其中傳感器陣列為層式結(jié)構(gòu)，包含敏感層、絕緣層和硅基底［1］。電極和傳感器兩端加入偏置電壓，利用LED紅外光照射傳感器背面時(shí)，由于敏感膜對(duì)離子的吸附作用形成膜電位和半導(dǎo)體的本征吸收作用產(chǎn)生的電子—空穴對(duì)，導(dǎo)致硅膠半導(dǎo)體和絕緣層兩端的電壓發(fā)生偏移而產(chǎn)生光電流，通過信號(hào)處理模塊(I/V轉(zhuǎn)換電路、鎖相放大器和帶通濾波器)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、放大和提取，將采集到的味覺信號(hào)送入FPGA進(jìn)行保存并傳輸?shù)絋MS320C6713中進(jìn)行模式識(shí)別，最后將識(shí)別結(jié)果在128×64液晶屏上顯示。其中，采集的對(duì)象是電壓形式，這是由于電子舌產(chǎn)生的味覺信號(hào)較微弱不易于檢測(cè)且易受外界干擾，經(jīng)過I/V轉(zhuǎn)換電路變?yōu)殡妷汉?，可以利用鎖相放大器方便地對(duì)其檢測(cè)。

圖1 LAPS電子舌基本結(jié)構(gòu)框圖

1.2 主元分析法與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法比較

主元分析法(Principle Component Analysis，PCA)是一種簡(jiǎn)單實(shí)用的多元統(tǒng)計(jì)分析方法，其基本原理是在保留原始變量最主要信息的前提下，將多指標(biāo)問題轉(zhuǎn)換為幾個(gè)具有綜合特性的指標(biāo)，也就是主元［2－3］。PCA主要作用是降低變量維數(shù)和抑制噪聲。以散點(diǎn)圖為基礎(chǔ)的主元得分圖中每個(gè)點(diǎn)代表一個(gè)樣本，點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離代表著樣品之間的特征差異。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Artificial Neural Networks，ANNs)是由大量的、功能比較簡(jiǎn)單的形式神經(jīng)元互相連接而構(gòu)成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，用它模擬大腦的許多基本功能和簡(jiǎn)單的思維方式，通過學(xué)習(xí)和訓(xùn)練獲得用數(shù)據(jù)表達(dá)的知識(shí)，除了可以記憶已知的信息外，還具有較強(qiáng)的概括能力和聯(lián)想記憶能力，能較好地解決交叉響應(yīng)帶來的非線性等問題［4］。另外在特征的提取、表示、推理和識(shí)別等方面也具有較強(qiáng)的概括能力和發(fā)展?jié)摿?。人工神?jīng)網(wǎng)絡(luò)的缺點(diǎn)是系統(tǒng)可解釋性差、算法收斂較慢、對(duì)初始權(quán)值敏感等。

模式識(shí)別模塊是LAPS型電子舌的核心部分之一，其判別結(jié)果直接作為電子舌的最終輸出，因此對(duì)電子舌的識(shí)別效果起著重要影響。隨著電子舌的研究與發(fā)展，其應(yīng)用范圍越來越廣，對(duì)與之相適應(yīng)的模式識(shí)別方法也提出了更高的要求。LAPS電子舌采集的數(shù)據(jù)信息維數(shù)巨大，并且包含大量的冗余信息，不適合于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直接處理。通過上述對(duì)PCA與ANNs的比較，本文選用改進(jìn)的遞推主元分析法對(duì)大維數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過最小距離法實(shí)現(xiàn)了最終樣本的識(shí)別。

2 實(shí)時(shí)味覺識(shí)別系統(tǒng)平臺(tái)簡(jiǎn)介

2.1 CPU特性

系統(tǒng)采用的DSP芯片是TI公司的TMS320C6713［5］，它是一款采用超長(zhǎng)指令字(VLIW)結(jié)構(gòu)的32位高速浮點(diǎn)型處理器，時(shí)鐘最高頻率為300 MHz，最大處理能力可達(dá)2400MI/s(兆指令/秒)/1800 MFlo/s(兆浮點(diǎn)運(yùn)算/秒);采用二級(jí)緩沖處理，其中包括4 kbyte的程序緩存、4 kbyte的數(shù)據(jù)緩存和256 kbyte的額外內(nèi)存;具有豐富的外設(shè)，包括DMA，EDMA，不需CPU參與進(jìn)行傳送數(shù)據(jù)/擴(kuò)展總線，具有主機(jī)口和I/O口操作功能，外部存儲(chǔ)空間高達(dá)512 Mbyte，數(shù)據(jù)寬度 32 bit。

對(duì)TMS320C6713的開發(fā)可以使用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言。對(duì)兩者比較可知，C語(yǔ)言編程容易，可快速調(diào)試，可讀性好，大大提高了開發(fā)效率;匯編語(yǔ)言可以充分利用芯片的硬件特性，速度快，但開發(fā)周期長(zhǎng)，程序可移植性差。

2.2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

整個(gè)味覺實(shí)時(shí)識(shí)別系統(tǒng)主要由信號(hào)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及傳輸、數(shù)據(jù)處理、識(shí)別結(jié)果顯示等幾部分組成，如圖2所示。信號(hào)采集部分使用的是該課題組自主研制的LAPS信號(hào)采集模塊，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)由Xilinx廠家生產(chǎn)的Vrtex－5系列FPGA芯片來控制。在TMS320C6713內(nèi)部實(shí)現(xiàn)遞推PCA特征提取算法，并且通過EMIF與FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。顯示部分由128×64液晶屏組成。

圖2 味覺識(shí)別的主要硬件體系框圖

3 味覺識(shí)別算法及系統(tǒng)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

3.1 遞推PCA特征提取算法

PCA法的最基本內(nèi)容為提取信號(hào)主要特征，將原來高維復(fù)雜的數(shù)據(jù)通過線性組合降到一個(gè)主元或多個(gè)主元(許多自適應(yīng)處理領(lǐng)域經(jīng)常用到)，并且最大限度需保留原來數(shù)據(jù)的有用信息。目前對(duì)主元個(gè)數(shù)的選擇主要有主元回歸檢驗(yàn)法和主元貢獻(xiàn)率累積法。

文中采用改進(jìn)的遞推主元分析算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，加速了味覺在線實(shí)時(shí)識(shí)別的速度。設(shè)

其中每一行代表一個(gè)樣本，每一列代表一個(gè)變量。遞推 PCA 算法步驟［6－7］為:

1)求Xp的自相關(guān)矩陣Rp。

2)根據(jù)自相關(guān)矩陣的遞推公式(2)求Rp+1。

式中:Np為總的樣本個(gè)數(shù);xTp+1為遞推的均值向量。

3)根據(jù)遞推特征向量公式(3)

式中:Mk+的每一列為更新后前k個(gè)樣本所對(duì)應(yīng)的單位特征向量;Mk+1的每一列為更新過的相關(guān)矩陣Rp+1的單位特征向量。并對(duì)特征值進(jìn)行從大到小排序。

4)通過主元貢獻(xiàn)率累積法取前面的n個(gè)主元。

3.2 距離分類器設(shè)計(jì)

分類器是一種能夠把數(shù)據(jù)集中的樣本映射到給定類別的分類函數(shù)或分類模型，已被廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)挖掘、文字識(shí)別、文本分類、語(yǔ)音識(shí)別、基于內(nèi)容的多媒體數(shù)據(jù)庫(kù)檢索、圖像處理、自然語(yǔ)音理解等領(lǐng)域［8］。

歐氏距離分類法是一種直觀和簡(jiǎn)單的基于向量空間模型的分類方法。在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，最小距離法的速度明顯優(yōu)于最大相似度方法、K最近領(lǐng)域方法。最小距離公式為

3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括FPGA與LAPS采集模塊之間的通信程序設(shè)計(jì)、DSP程序設(shè)計(jì)、中斷程序設(shè)計(jì)和液晶顯示模塊程序設(shè)計(jì)。

1)FPGA程序設(shè)計(jì)。在FPGA中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)暫存及FIR濾波處理，當(dāng)DSP中DSP_FLAG標(biāo)志位等于0時(shí)發(fā)送FIR濾波處理后的數(shù)據(jù)。

2)DSP程序設(shè)計(jì)如圖3所示，首先對(duì)硬件進(jìn)行上電復(fù)位，初始化操作(包括串口初始化，DSP/FPGA芯片初始化，128×64液晶屏初始化)，等待由FPGA傳輸過來的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)接收完成后，對(duì)數(shù)據(jù)按照遞推PCA特征提取算法進(jìn)行特征提取。

圖3 DSP主程序框圖

3)中斷程序設(shè)計(jì)。如圖4所示，中斷程序包括采樣中斷程序、串口中斷程序、定時(shí)器中斷程序設(shè)計(jì)。采樣中斷程序主要控制LAPS數(shù)據(jù)采集模塊，串口中斷程序控制數(shù)據(jù)的傳輸功能，定時(shí)器中斷程序控制LAPS數(shù)據(jù)采集模塊中的照射敏感膜的LED燈。

4)液晶顯示模塊程序設(shè)計(jì)。顯示在DSP中通過遞推主元分析處理和歐氏距離分類后的結(jié)果。

4 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖4 中斷程序框圖

為驗(yàn)證文中所述方法的可行性，本文對(duì)每種基本味道進(jìn)行了5次測(cè)量，在Matlab7.1中通過PCA法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)［9－10］，得到如圖5所示的第一、第二主元得分圖。

圖5 第一主元與第二主元得分圖

由圖可知，相同味道的主元得分離散度很小;反之，不同味道的主元得分離散度較大，這為最小距離法的正確使用提供了依據(jù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

文中以TMS320C6713為核心構(gòu)成了一個(gè)實(shí)時(shí)對(duì)5種基本味道進(jìn)行識(shí)別的系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好，能快捷、方便、無(wú)損地對(duì)5種基本味道進(jìn)行識(shí)別。DSP味覺實(shí)時(shí)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)為研制小型化LAPS型電子舌提供了實(shí)踐依據(jù)。

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