基于IAP15F2K61S2單片機(jī)的無線語音智能小車

汪文立，王琪,，丁柏文，任俊，金琦淳,，張金錚,

(江蘇科技大學(xué) a. 蘇州理工學(xué)院，機(jī)電與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215600; b. 張家港校區(qū)機(jī)電與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215600)

0 引言

近年來，語音識(shí)別技術(shù)一直是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。語音識(shí)別是最自然的人機(jī)交互方式，具有靈活、便捷、快速響應(yīng)的特點(diǎn)，對(duì)提高工作效率、簡化設(shè)備控制有著巨大的作用[1]。在智能車領(lǐng)域中，該技術(shù)已得到應(yīng)用，有文獻(xiàn)中提出了語音小車采用51單片機(jī)作為主控芯片[2-3]，但其芯片構(gòu)成最小系統(tǒng)的電路復(fù)雜。也有學(xué)者提出直接由語音命令控制單片機(jī)驅(qū)動(dòng)小車電機(jī)[4]，但該方案的問題是電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生噪聲而易造成識(shí)別干擾，可能出現(xiàn)控制不穩(wěn)定及控制距離不夠的問題。本文通過采用IAP系列單片機(jī)、語音識(shí)別芯片、無線模塊及驅(qū)動(dòng)模塊組成了小車系統(tǒng)，省去了外部晶振及復(fù)位電路，簡化了系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)，解決了遠(yuǎn)程語音穩(wěn)定控制的問題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)控制。

1 系統(tǒng)原理

無線語音智能小車系統(tǒng)分為控制部分和驅(qū)動(dòng)部分?？刂撇糠钟蓡纹瑱C(jī)、語音識(shí)別模塊和無線模塊組成，驅(qū)動(dòng)部分由單片機(jī)、無線模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊組成。系統(tǒng)控制過程如下：由外部發(fā)出語音指令信息，然后通過語音模塊進(jìn)行識(shí)別。根據(jù)用戶說出的語音信息經(jīng)頻譜轉(zhuǎn)換成語音特征參數(shù)，與預(yù)存的參數(shù)庫中的條目一一進(jìn)行匹配，得出最佳匹配結(jié)果。將結(jié)果通過串口通訊的方式傳送給單片機(jī)，進(jìn)而通過無線模塊將指令發(fā)送給小車。通過小車上的無線模塊接收無線信號(hào)，經(jīng)單片機(jī)讀取信號(hào)并發(fā)出相應(yīng)的指令給驅(qū)動(dòng)芯片，最后驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)小車前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止的實(shí)時(shí)控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

無線語音小車系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)分為控制系統(tǒng)電路和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)選用IAP15F2K61S2單片機(jī)為主控核心，該單片機(jī)性能高且功耗低，其運(yùn)行速度是傳統(tǒng)8051的12倍，并擁有大容量程序存儲(chǔ)器。片內(nèi)集成可編程計(jì)數(shù)器(PCA)模塊，可同時(shí)3路脈寬調(diào)制(PWM)輸出用于電機(jī)速度控制。內(nèi)部高可靠復(fù)位，可徹底省掉外圍復(fù)位電路。在常溫工作時(shí)可使用內(nèi)部RC振蕩器時(shí)鐘，省去外部時(shí)鐘電路?？刂葡到y(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)包括：單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)、無線模塊設(shè)計(jì)、語音模塊設(shè)計(jì)和電源電路設(shè)計(jì)，如圖2所示。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)包括：單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、無線模塊設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)和電源模塊設(shè)計(jì)，如圖3所示。

圖2 控制系統(tǒng)電路圖

圖3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電路圖

2.1 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

1) 語音識(shí)別模塊

LD3320是一款基于ASR技術(shù)非特定人語音識(shí)別的語音芯片[5]，不需要用戶事先訓(xùn)練語音。芯片采用并行的方式和單片機(jī)通信，可以支持50條預(yù)存指令，其內(nèi)容可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)修改。但由于語音識(shí)別的敏感性，當(dāng)環(huán)境嘈雜、距離過遠(yuǎn)時(shí)或當(dāng)語音內(nèi)容相對(duì)于預(yù)設(shè)關(guān)鍵字漏字、多字時(shí)，容易發(fā)生誤識(shí)別。為了避免上述情況，可以多設(shè)置幾條相關(guān)的關(guān)鍵詞，其對(duì)應(yīng)的程序?yàn)榭眨眠@樣的方式可以來吸收錯(cuò)誤識(shí)別，也可將模塊設(shè)置為口令模式，只有當(dāng)模塊識(shí)別到口令之后，其余的語音指令才有效[6]。

語音識(shí)別系統(tǒng)工作過程如下，首先通過MCU用拼音串的方式將用戶需要的關(guān)鍵詞信息寫入到LD3320關(guān)鍵詞語列表。再由麥克風(fēng)采集外界聲音，經(jīng)過頻譜分析后提取其中的語音特征信息(即關(guān)鍵詞語)，通過語音識(shí)別器與關(guān)鍵詞語列表內(nèi)的詞語進(jìn)行逐個(gè)對(duì)比，尋找到最接近的一個(gè)詞語為最佳的識(shí)別結(jié)果[7]。最后將最佳識(shí)別結(jié)果傳回給單片機(jī)，語音識(shí)別工作圖如圖4所示。

圖4 語音識(shí)別工作圖

2) 無線發(fā)射模塊

系統(tǒng)采用一對(duì)NRF24L01無線通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的通信。該模塊工作2.4GHz～2.5GHz ISM頻段，可自由調(diào)節(jié)輸出功率及信道。模塊功耗低，在掉電模式和待機(jī)模式下效果更為顯著[8]。模塊天線采用印制導(dǎo)線，使得硬件電路更為輕便、靈活。

模塊的工作模式選用Enhanced ShockBurshTM(增強(qiáng)型突發(fā))模式，低速輸入、高速發(fā)出且數(shù)據(jù)不易丟失。無線模塊采用I/O模擬SPI接口的方式與單片機(jī)通訊，通過SPI串行總線協(xié)議對(duì)芯片進(jìn)行讀與寫的基本操作[9]。在控制電路中設(shè)置NRF24L01芯片為發(fā)射模式，按照SPI協(xié)議寫入發(fā)射和接收節(jié)點(diǎn)地址、自動(dòng)應(yīng)答功能、允許接收通道、自動(dòng)重發(fā)次數(shù)、通信頻率及發(fā)射的參數(shù)。CE置高，激活寄存器中數(shù)據(jù)并發(fā)送。隨后開啟自動(dòng)應(yīng)答模式，接收應(yīng)答信號(hào)。如果接收應(yīng)答信號(hào)成功，置位IRQ并轉(zhuǎn)為發(fā)送模式，繼續(xù)循環(huán)發(fā)送數(shù)據(jù)。如果未接收到應(yīng)答信號(hào)，則重新發(fā)送上一次數(shù)據(jù)包，工作圖如圖5所示。

圖5 無線發(fā)射工作圖

2.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

1) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片采用L298N，芯片內(nèi)含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，即有2個(gè)H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收TTL邏輯電平信號(hào)。驅(qū)動(dòng)芯片電源端分為邏輯控制電源和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源，分別為5 V和7.4 V。芯片外部接8個(gè)二極管，作用是保護(hù)L298N芯片，防止電機(jī)在正反轉(zhuǎn)切換時(shí)負(fù)載電機(jī)兩端電壓過高或過低，對(duì)周圍元器件造成破壞。

L298N芯片有6路輸入通道和4路輸出通道，如圖3所示。單片機(jī)通過I/O口控制IN1、IN2、IN3、IN4輸入端，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止，并控制ENA、ENB 2個(gè)使能端，結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部PCA模塊輸出的PWM脈寬進(jìn)行平滑調(diào)速，使小車兩輪差速，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的功能[10]。

2) 無線接收模塊

在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電路中設(shè)置NRF24L01芯片為接收模式，按照SPI時(shí)序?qū)懭霟o線模塊的接收發(fā)射地址、信號(hào)通道、發(fā)射速率和數(shù)據(jù)長度。進(jìn)入等待接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)，讀取狀態(tài)寄存器來判斷是否有數(shù)據(jù)。若接收到數(shù)據(jù)，則CE置低并清除中斷標(biāo)志，自動(dòng)進(jìn)入發(fā)射模式，回傳應(yīng)答信號(hào)。若未接收到數(shù)據(jù)，則一直保持接收狀態(tài)。然后進(jìn)入程序循環(huán)，使NRF24L01保持接收狀態(tài)，工作圖如圖6所示。

圖6 無線接收工作圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)程序分為控制系統(tǒng)程序和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)程序?？刂撇糠质紫瘸跏蓟疞D3320芯片及串口，等待語音信息采集并進(jìn)行信息處理。若有信息采集則判斷此信息是否符合預(yù)設(shè)關(guān)鍵詞，當(dāng)信息匹配成功則通過單片機(jī)轉(zhuǎn)為相關(guān)指令經(jīng)無線模塊發(fā)送。當(dāng)匹配失敗則退出識(shí)別運(yùn)算，繼續(xù)采集信息。驅(qū)動(dòng)部分首先初始化單片機(jī)中PCA模塊，給予電機(jī)一個(gè)初始信號(hào)保持不動(dòng)，然后配置無線模塊為接收模式并循環(huán)判斷是否接收到指令，若接收到則判斷執(zhí)行哪一個(gè)驅(qū)動(dòng)子程序，子程序驅(qū)動(dòng)電機(jī)完成小車運(yùn)動(dòng)。若接收不到則繼續(xù)保持接收狀態(tài)。整個(gè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)思路清晰，運(yùn)行良好。

該智能小車在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)上選用KEIL uVision 4為開發(fā)環(huán)境并使用C語言為程序開發(fā)語言。整個(gè)系統(tǒng)程序以一個(gè)工程內(nèi)采用多個(gè)C文件的方式編寫，結(jié)構(gòu)清晰，可移植性強(qiáng)，便于對(duì)程序進(jìn)行修改及提升其運(yùn)行性能。

4 系統(tǒng)測(cè)試

經(jīng)實(shí)踐操作，完成了控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)際制作，系統(tǒng)實(shí)物如圖7所示。圖7(a)為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)物，圖7(b)為控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)物。

圖7 實(shí)物圖

系統(tǒng)做了穩(wěn)定性測(cè)試，主要將系統(tǒng)分別放在安靜與嘈雜的環(huán)境進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試選用地點(diǎn)為空曠的地帶及室內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)次數(shù)為100次。小車實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試

測(cè)試分析：在安靜環(huán)境下，在百米空曠地帶無線傳輸成功率略大于在室內(nèi)傳輸，語音識(shí)別成功率近似。在嘈雜環(huán)境下，無線傳輸成功率變化不大，語音識(shí)別率有所降低。總體而言，語音信息無線傳輸及識(shí)別成功率較高，系統(tǒng)整體運(yùn)行良好、可靠性高，達(dá)到了預(yù)期的效果。

5 結(jié)語

詳細(xì)論述了一款由IAP15F2K61S2單片機(jī)、LD3320語音模塊、NRF24L01模塊、L298N驅(qū)動(dòng)模塊組成的無線語音智能小車的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該小車通過語音識(shí)別技術(shù)與無線技術(shù)的結(jié)合，提高了語音控制的可靠性，解決了語音指令傳輸距離短的問題。整個(gè)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)清晰、簡單、智能化的優(yōu)點(diǎn)，且采用模塊化設(shè)計(jì)，具有良好的擴(kuò)展性。

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