基于XC7A35T與STM32F103RCT6的智能語音小車系統(tǒng)設(shè)計

陶睿杰，章征宇，陳 蕾

（蘇州大學電子信息學院，江蘇蘇州215006）

智能駕駛技術(shù)作為當今科技研究的創(chuàng)新點和熱點所在，其具有感知周邊環(huán)境，自動設(shè)計行車路線及控制汽車行駛等多種技術(shù)，具有安全穩(wěn)定，方便快捷的特點，在此分支下有多種智能駕駛的方案。本系統(tǒng)設(shè)計的方案是以語音控制系統(tǒng)為核心實現(xiàn)聲控智能駕駛，而作為該系統(tǒng)的重點，語音識別技術(shù)同樣為當今研究的熱點所在，可以在人機交互環(huán)節(jié)有較為廣泛的運用[1-4]，本系統(tǒng)將語音識別技術(shù)應(yīng)用于汽車駕駛之中，并以智能小車為核心設(shè)計制作相應(yīng)模型，以實驗的方式來實現(xiàn)其功能，從而提出一個較為完整新穎的智能駕駛方案[5-7]。

本項目將小車運行部分和小車控制部分分開，以智能小車為模型展示全系統(tǒng)：以FPGA芯片XC7A35T-1CPG236C作為小車運行部分主控，該部分安裝于智能小車上；嵌入式芯片STM32F103RCT6作為控制部分主控，該部分作為手持遙控設(shè)備。將語音識別，無線通信等多部分進行串聯(lián)，以實現(xiàn)功能。用戶可以通過選擇手動駕駛或語音駕駛以改變駕駛模式，在語音駕駛模式下，通過語音識別對小車發(fā)出行進指令，同時在建立模型時完成倒車雷達，自動避障，光控車燈等智能化功能，從而使設(shè)計具有系統(tǒng)化，完整化，實用化的功能特點，具有較為廣泛的運用前景[8]。

1 智能語音小車系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)致力于以實驗的方式通過智能小車實現(xiàn)對應(yīng)功能，以較為明晰地展示整個系統(tǒng)的工作方式，對于語音識別部分，目前常用的方式是利用STM32實現(xiàn)對它的控制，在這方面已有較為詳盡的研究；而本系統(tǒng)的重點為對目前研究較少的FPGA控制方式進行實驗制作，利用其并行高速的特點實現(xiàn)對語音識別系統(tǒng)的控制，系統(tǒng)各硬件如下。

1.1 FPGA芯片及嵌入式芯片

本系統(tǒng)小車運行部分主控為Basys3開發(fā)板，該開發(fā)板采用FPGA芯片XC7A35T-1CPG236C作為主控，內(nèi)部晶振最高可達100 MHz，可較為便捷的以其I/O口產(chǎn)生PWM波控制小車電機，并且利用FPGA的并行高速工作的特點可以直接控制不帶fifo（frist in frist out）的攝像頭拍攝圖像。

而小車控制部分的主控采用的是STM32F 103RCT6嵌入式芯片，該芯片工作頻率最高達72 MHz，內(nèi)置256 kB閃存和48 kB的SRAM，具有豐富的I/O口及內(nèi)置12位A/D模塊，可控制語音識別模塊和遙感控制模塊。

1.2 語音識別芯片LD3320

本項目采用的是ICROUTE公司在國內(nèi)運作的一款基于SPI通信的語音識別芯片LD3320，該芯片由語音識別處理器與外部硬件電路集成而成，具有語音識別和mp3播放兩種功能，內(nèi)部有數(shù)百個寄存器，工作時通過外部MCU配置寄存器實現(xiàn)對應(yīng)功能，其內(nèi)部電路邏輯圖如圖1所示。

圖1 LD3320內(nèi)部電路邏輯圖

本芯片在使用過程中不需要外接輔助芯片，即可實現(xiàn)語音識別功能。并且，識別指令的內(nèi)容可由用戶任意自主編輯，可同時存放最多50條指令信息。為非特定人聲識別，無需提前錄音，其內(nèi)部電路邏輯圖如圖1所示[9-11]。

1.3 無線模塊nRF24L01

nRF24L01是一款由NORDIC公司生產(chǎn)的工作在2.4 GHz到2.5 GHz的ISM頻段的無線收發(fā)器芯片，芯片內(nèi)部包括了頻率發(fā)生器、晶體振蕩器、功率放大器、調(diào)制器、增強型“SchockBurst”模式控制器和解調(diào)器等模塊?？赏ㄟ^SPI通信方式傳輸數(shù)據(jù)，工作有效距離較小，具有成本低，功耗低，工作穩(wěn)定的特點[12-15]。

1.4 攝像頭OV7670及2.8寸ILI9341液晶屏

本系統(tǒng)設(shè)計了一種基于FPGA的圖像采集、顯示系統(tǒng)，圖像傳感器部分使用Omni Vision公司生產(chǎn)的CMOS數(shù)字圖像傳感器OV7670，顯示部分使用2.8寸的TFT LCD，使用FPGA對其進行初始化以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換傳輸，將OV7670采集到的圖像最終在液晶屏上顯示出來。采用FPAG控制的系統(tǒng)相比與常用的單片機和STM32控制的系統(tǒng)，具有傳輸速度快，幀數(shù)高，穩(wěn)定性強等優(yōu)點[16-17]。

1.5 其余硬件部分

其余硬件部分包括：遙感模塊，紅外避障模塊，光敏電阻，L298N電機，高亮LED，繼電器，智能四輪小車，LM2596S電壓穩(wěn)壓器及12 V鋰電池。本系統(tǒng)采用兩個遙感模塊作為手動駕駛狀態(tài)下的工作方式，由STM32控制；紅外模塊用于實現(xiàn)自動避障；光敏電阻、高亮LED及繼電器用于實現(xiàn)光控車燈；12 V可充鋰電池和LM2596S降壓模塊用于智能小車的供電。

2 智能語音小車硬件實現(xiàn)方式

本系統(tǒng)整體分為兩個部分：小車運行部分、小車控制部分，整體框圖如圖2所示。本系統(tǒng)在實物制作過程中設(shè)計了兩套方案:

方案一：用戶通過手持設(shè)備由按鍵選擇工作模式為手動控制或語音控制；在手動控制模式下，用戶通過兩個遙感模塊產(chǎn)生兩個模擬信號，通過STM32內(nèi)部ADC轉(zhuǎn)化為兩路數(shù)字量表示控制小車左右和前后的移動；而在聲控模式下，用戶通過對語音識別模塊發(fā)送事先設(shè)定的指令（如“前進，后退，加速，減速，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)等”），通過STM32控制語音識別模塊識別語音信息并轉(zhuǎn)化為指令碼。接下來當有控制信號輸入時，手持設(shè)備通過nRF24L01發(fā)送該信息，小車運行系統(tǒng)由FPGA控制，其控制nRF24L01接收發(fā)送的信號，F(xiàn)PGA根據(jù)收到的指令碼完成相應(yīng)的指令。

圖2 智能系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

方案二：由FPGA開發(fā)板控制所有部分，XC7A35T作為主控芯片置于小車上，用FPGA控制LD3320進行語音識別，直接對小車發(fā)出語音控制信號（內(nèi)容同方案一），由FPGA接收并識別發(fā)出的信號從而控制小車電機完成相應(yīng)的動作。

另外，為達到更高的智能化，系統(tǒng)化效果，本設(shè)計在智能小車后端安裝OV7670攝像頭，通過FPGA控制，將拍攝到的畫面實時在液晶屏上顯示作為對倒車雷達功能的實現(xiàn)；另外該系統(tǒng)還加入了紅外避障模塊和蜂鳴器達到自動避障的效果，當小車遇到障礙物時自動停車報警；加入了光敏電阻控制高亮LED達到光控車燈的效果（外界光較強時關(guān)閉車燈，夜晚或進入隧道時開啟車燈），用12 V鋰電池通過降壓給電機和FPGA供電。

3 智能小車控制系統(tǒng)軟件部分

該系統(tǒng)軟件思路與其硬件部分結(jié)構(gòu)（圖1）相對應(yīng)，本文將分模塊介紹各軟件部分的工作原理。

3.1 語音識別軟件部分

軟件部分的重點內(nèi)容為LD3320語音控制部分，該芯片資料多為基于STM32和51單片機的識別程序，在該方面已有較為廣泛的研究[5-19]。因此本項目中將著重討論方案二中的編程方式，以利用FPGA并行高速的特點控制語音識別模塊工作。該設(shè)計中通過對芯片的SPI時序，寄存器配置方式以及工作模式進行了細致研究后，成功實現(xiàn)了對LD3320的配置和操控，設(shè)計中以FPGA開發(fā)板Basys3作為主機，LD3320作為從機，實現(xiàn)了語音識別功能，這一過程中所要用到的部分主要寄存器及對應(yīng)功能如表1所示[18-19]。

表1 LD3320主要寄存器及對應(yīng)功能

LD3320工作方式主要有兩種，中斷觸發(fā)方式以及查詢方式[20-21]，考慮到FPGA的并行特點，我們選用了查詢方式控制語音識別模塊，達到了較為穩(wěn)定的識別效率和速度，其方法如下：

1）系統(tǒng)初始化，包括配置時鐘，設(shè)定工作模式，重啟LD3320等；

2）添加識別列表，將需要識別的內(nèi)容以拼音的方式寫入寄存器中，該部分流程圖如圖3（b）所示；

3）打開自動語音識別（Automatic Speech Recognition，ASR），設(shè)置識別靈敏度及響應(yīng)時間等參數(shù)；

4）當芯片檢測到聲音時，寄存器BA中的值就會發(fā)生變化，以查詢模式查詢寄存器BA中的值，當寄存器BA中的值為1到4時（即有對應(yīng)個正確的備選答案），代表識別到有效數(shù)據(jù)，此時讀取C5寄存器中的數(shù)據(jù)，即可得到對應(yīng)的最可能正確的指令編碼，語音識別系統(tǒng)總流程圖如圖3（a）所示。

圖3 LD3320軟件流程圖

3.2 倒車雷達軟件部分

OV7670攝像頭主要分為兩種，配備fifo的攝像頭與不配備fifo的攝像頭，配備fifo的攝像頭主要利用fifo來解決低速率單片機傳輸速度較慢的缺點，從而提高傳輸?shù)男屎唾|(zhì)量，但價格較為昂貴；而不配備fifo的攝像頭則對控制器的速度有較高要求，考慮到本系統(tǒng)主控為較為高速的頻率為100 MHz的FPGA并以及成本問題，我們采用了不配備fifo的攝像頭，輸出采用QVGA，RGB565格式，以便適應(yīng)顯示用TFT LCD，其通過SCCB協(xié)議與控制器進行通信，進行內(nèi)部寄存器配置以確定工作參數(shù)，隨后通過8位并行數(shù)據(jù)傳輸口進行數(shù)據(jù)的傳輸[22-23]。

圖像采集到液晶屏部分軟件代碼采取的是間接采集的辦法，將攝像頭輸出的數(shù)據(jù)直接送到顯示屏進行顯示，而數(shù)據(jù)本身并不會通過MCU主控制器，對于控制器而言屬于間接采集，正因為如此，省去了儲存再發(fā)送的過程，整個系統(tǒng)可以達到較高的幀速。軟件部分框圖如圖4所示，該系統(tǒng)采用FPGA中的自頂向下的方法，將整體功能分為多個模塊設(shè)計，主要包括：分頻模塊，SCCB讀寫模塊，OV7670初始化模塊，TFT LCD初始化模塊，數(shù)據(jù)接收、轉(zhuǎn)換、輸出模塊。

圖4 倒車雷達系統(tǒng)軟件框圖

3.3 無線傳輸部分及遙感控制部分

nRF24L01采用SPI通信方式，軟件流程如下：

1）系統(tǒng)初始化nRF24L01后檢查其是否在位；

2）在主函數(shù)中配置模塊為接收模式或發(fā)送模式；

3）若在發(fā)送模式中，系統(tǒng)間隔一定時間發(fā)送對應(yīng)的編碼，若接收端收到應(yīng)答，則說明發(fā)送成功有效；若在接收模式下，mcu查詢模塊寄存器07的值判斷是否收到信息，若收到，mcu讀取寄存器61的值即為收到的結(jié)果，根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)控制智能小車執(zhí)行對應(yīng)指令。

所要用到的部分主要寄存器及對應(yīng)功能如表2所示。

表2 nRF24L01主要寄存器及對應(yīng)功能

對于遙感控制模塊，stm32接收兩個遙感手柄模塊產(chǎn)生的兩個模擬量并通過內(nèi)部12位AD轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，當對應(yīng)信號幅度大于設(shè)定的閾值時，及視為完成相應(yīng)的前進，后退，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)的動作（當兩遙感同時有信號輸入時優(yōu)先發(fā)送前后遙感數(shù)據(jù)），從而產(chǎn)生對應(yīng)的指令。

4 系統(tǒng)測試

全系統(tǒng)實物圖如圖5所示。

圖5 智能小車系統(tǒng)實物圖

測試過程中給語音識別模塊寫入的初始列表內(nèi)容為“開車，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)，倒車，停車”，系統(tǒng)在不同的識別距離內(nèi)對各指令在相同環(huán)境下測試100次，測試結(jié)果如表3所示。

表3 語音識別測試結(jié)果

考慮到實際應(yīng)用時將語音識別模塊作為手持設(shè)備測試，此時工作距離約為20～50 cm左右，經(jīng)測試在20 cm處綜合識別正確率為92.2%，50 cm處為87.0%，且實際車內(nèi)較為安靜，噪音應(yīng)比測試時小（考慮到測試時的車輪噪音），且實際運用中后期可加入去噪算法[24-25]。因此本系統(tǒng)工作較為可靠；實際作品中液晶屏幕傳輸?shù)玫降漠嬅妫伾枬M，無明顯失真與抖動，實時顯示無延時或卡殼，同時該系統(tǒng)完成了光控車燈和避障報警的功能。各部分連接處用熱熔膠固定，各模塊采用銅柱固定在小車模塊上，保證了系統(tǒng)的機械穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)以語音識別系統(tǒng)為基礎(chǔ)設(shè)計了一較為完善的智能駕駛小車的方案，并通過實驗的方式制作完成并測試成功，以此證明了設(shè)想的可實施性和有效性。相信隨著語音識別技術(shù)的不斷發(fā)展和相應(yīng)成本的不斷減少，各種智能科技對語音識別技術(shù)的需求性也會隨之增加，類似本系統(tǒng)介紹的智能駕駛技術(shù)等許多的智能科技必定會在未來得到更加廣泛的研究與應(yīng)用。

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