基于SPCE061A的智能語音識別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

晁坤 艾樂琛 周慧敏 江淇

【摘 要】隨著語音控制技術(shù)的廣泛使用，嵌入式的智能語音控制技術(shù)已經(jīng)成為目前語音控制技術(shù)的應(yīng)用熱點(diǎn)。本文通過分析語音控制的基本原理，以凌陽SPCE061A單片機(jī)為基本載體，設(shè)計(jì)了智能小車語音控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)證明，在該語音控制系統(tǒng)下的小車能夠準(zhǔn)確識別語音，反應(yīng)快速靈敏。同時(shí)，簡潔的外圍電路設(shè)計(jì)以及廉價(jià)的凌陽單片機(jī)可以有效地降低智能車的成本。

【關(guān)鍵詞】語音識別，單片機(jī)，SPCE061A

一、引言

人工智能技術(shù)是近幾年的研究熱點(diǎn)，漢語語音識別技術(shù)的研究和應(yīng)用進(jìn)入蓬勃發(fā)展的階段，正逐步從實(shí)驗(yàn)室理論研究走向應(yīng)用市場，相關(guān)語音信號處理的理論、算法、技術(shù)和芯片等軟硬件取得了長足進(jìn)展，并逐漸進(jìn)入到人們的日常生活當(dāng)中。凌陽公司生產(chǎn)的SPCE061A作為一種16位新型單片機(jī)，自帶語音系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)語音信號的自動(dòng)識別和自動(dòng)控制系統(tǒng)，提供了便利。已有多種語音識別[1]、語音處理[2]、語音通信[3]、語音門禁、語音機(jī)器人[4]和智能玩具[5]等相關(guān)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)或研究論文發(fā)表。

本文中采用凌陽SPCE061A單片機(jī)作為主控MPU設(shè)計(jì)出的智能小車，將充分發(fā)揮其便于控制、功能強(qiáng)大、設(shè)計(jì)電路簡潔等優(yōu)點(diǎn)。

二、語音識別理論

語音模塊是智能機(jī)器人的核心構(gòu)件，它完成的功能包括：機(jī)器人從外界接收觀眾的語音，送入語音識別器進(jìn)行識別，再從識別結(jié)果中提取若干關(guān)鍵詞，而后通過對這些關(guān)鍵詞的分析，完成對關(guān)鍵詞的復(fù)述。最后將文本形式的答案合成為語音，輸出給觀眾。如果觀眾的問題超出限定的對話范圍或者識別結(jié)果可信度不高，則在答案生成階段給出錯(cuò)誤提示，并由語音合成器輸出。如果機(jī)器人想向觀眾提出問題，也要由語音合成器合成后輸出。

論文先從小詞匯量出發(fā)實(shí)現(xiàn)語音識別，并依據(jù)實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果，對相關(guān)算法進(jìn)行性能評測和理論改進(jìn)。算法研究相對成熟的基礎(chǔ)上，依托于購置的機(jī)器人實(shí)體，基于單片機(jī)對于所設(shè)計(jì)的語音識別和語音合成算法，進(jìn)行硬件方案設(shè)計(jì)和功能實(shí)現(xiàn)。

語音識別系統(tǒng)主要包括特征提取和模板匹配兩部分。特征提取之前，首先要經(jīng)過預(yù)處理模塊，濾除原始語音信號中的次要信息及背景噪音等，包括抗混疊濾波、預(yù)加重、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、自動(dòng)增益控制等處理過程，將語音信號數(shù)字化；特征提取模塊對語音的聲學(xué)參數(shù)進(jìn)行分析后提取出語音特征參數(shù)，形成特征矢量序列。語音識別系統(tǒng)常用的特征參數(shù)有短時(shí)平均幅度、短時(shí)平均能量、線性預(yù)測編碼系數(shù)、短時(shí)頻譜等。特征提取和選擇是構(gòu)建系統(tǒng)的關(guān)鍵，對識別效果極為重要。

語音識別技術(shù)有著非常廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和市場前景。在語音輸入控制系統(tǒng)中，它使得人們可以甩掉鍵盤，通過識別語音中的要求、請求、命令或詢問來作出正確的響應(yīng)，

三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)以SPCE061A單片機(jī)作為語音識別的控制核心，本設(shè)計(jì)的硬件電路主要包括：麥克風(fēng)（MIC）輸入模塊電路、SPCE061A單片機(jī)和輸出模塊電路和通信模塊電路等。

3.1 SPCE061A單片機(jī)

SPCE061A單片機(jī)是凌陽公司推出的16位一款單片機(jī)， 具有速度快、價(jià)格低、耗能低、簡便可靠等顯著的優(yōu)勢。

凌陽SPCE061A單片機(jī)在具備微處理器功能的基礎(chǔ)上， 兼具DSP運(yùn)算功能， 具有低電壓、高系統(tǒng)工作頻率特點(diǎn)， 可以快速處理復(fù)雜的數(shù)字語音信號，單片機(jī)芯片內(nèi)集具自動(dòng)增益控制功能的麥克風(fēng)（MIC）輸入方式以及音頻輸出（DAC）功能， 使用SACM-S240音頻編碼方式， 容納210s的語音數(shù)據(jù)，提供豐富的C函數(shù)庫和語音處理函數(shù)庫， 適合開發(fā)語音識別和數(shù)字語音產(chǎn)品。該單片機(jī)的這一特征， 使得硬件電路要外接的器件達(dá)到最少。

SPCE061A具有喚醒功能， 當(dāng)輸入電平發(fā)生變化的時(shí)侯會(huì)觸發(fā)中斷CPU， 而在電池供電需要降低功耗時(shí)， 可以讓CPU快速進(jìn)入睡眠模式， 需要時(shí)喚醒進(jìn)入工作狀態(tài)。故SPCE061A成為數(shù)字語音識別應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)品理想經(jīng)濟(jì)的選擇。

3.2 語音模塊及電機(jī)模塊設(shè)計(jì)

3.2.1 識別訓(xùn)練

正是因?yàn)檎Z音識別系統(tǒng)的硬件電路比較簡單，所以語音識別系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)大部分就由其軟件來完成。因此說，語音識別系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是十分復(fù)雜的。下圖1所示是主程序流程圖。在主程序中開始是對RMA存儲(chǔ)器進(jìn)行清除，這為存放提取的語音信號的特征矢量和模板庫做準(zhǔn)備。播放第一條提示音是為了提醒用戶系統(tǒng)的語音訓(xùn)練己啟動(dòng)，現(xiàn)在可以進(jìn)行訓(xùn)練。訓(xùn)練首先是此系統(tǒng)的觸發(fā)名稱，即系統(tǒng)的名字。接下來就是依次對各條命令進(jìn)行訓(xùn)練。在訓(xùn)練過程中，如訓(xùn)練成功，則有語音提示進(jìn)行下一條的訓(xùn)練；如出現(xiàn)訓(xùn)練失敗也會(huì)提示用戶繼續(xù)訓(xùn)練此條語音。直到全部命令訓(xùn)練完畢后，系統(tǒng)將準(zhǔn)備進(jìn)行語音識別，識別初始化是確定語音輸入來源于A心轉(zhuǎn)換器的MCI通道。播放開始識別的提示音是為了讓用戶明確現(xiàn)在可以向系統(tǒng)下達(dá)命令了。系統(tǒng)接到命令后就開始進(jìn)行識別，如識別成功，則系統(tǒng)會(huì)按命令執(zhí)行，如識別失敗，系統(tǒng)也會(huì)通過語音提示告訴用戶不能識別的原因。

3.2.2 語音輸入設(shè)計(jì)

語音輸入的基本原理是通過A/D轉(zhuǎn)換器將語音信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過編碼后存入指定的存儲(chǔ)器中。SPCE061A單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器總共有8個(gè)通道，其中一個(gè)通道是MIC- IN輸入，它專門用來對語音信號進(jìn)行采樣。然后將采樣信號轉(zhuǎn)換成電信號，輸入至SPCE061A的內(nèi)部前置放大電路。語音輸入功能主要是調(diào)用SACM DVR模塊實(shí)現(xiàn)的，因此音頻信號的采樣頻率是8 kHz，且按照SACM A2000算法進(jìn)行壓縮編碼，每秒占用的存儲(chǔ)空間為16 Kb/s，產(chǎn)生的語音數(shù)據(jù)存放在擴(kuò)展SRAM HM628128A中，其容量為128 KB。HM628128A與SPCE061A板之間通過IOA和IOB進(jìn)行接口。語音輸入電路如圖2所示，注意該圖中SPCE061A引腳MICP（33腳）為MIC的正向輸入腳；MICN（2 8腳）為 MIC的負(fù)向輸入腳。

3.2.3 語音輸出設(shè)計(jì)

語音輸出的基本原理是通過外擴(kuò)SRAMHM628128A中存儲(chǔ)語音數(shù)據(jù)順序取出，調(diào)SACM- lib庫中的SACM A2000模塊，經(jīng)SACM A2000壓縮算法解碼后，以8 kHz的速率進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，然后通過內(nèi)部濾波電路濾去噪聲，恢復(fù)原始波形，由8050晶體管驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器放音。語音輸出電路如圖3所示，注意該圖中SPCE061A引腳DAC1（21腳）為音頻輸出通道1。

四、結(jié)束語

綜上所述，采取凌陽SPEC061A單片機(jī)作為語音識別處理器， 在保證人機(jī)交互、高速運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下， 實(shí)現(xiàn)了低投入、高產(chǎn)出、簡便適用、切實(shí)可行的效果。值得推廣。語音識別主要是在人機(jī)之間充分實(shí)現(xiàn)自然語言通信，因?yàn)閱纹瑱C(jī)自身在作為語音識別硬件方面的眾多優(yōu)勢，所以它已經(jīng)成為現(xiàn)代智能語音識機(jī)器人的主要硬件平臺(tái)?？梢哉f目前世界上的語音識別技術(shù)已經(jīng)非常先進(jìn)，出現(xiàn)的人工智能更是極大的改變了，然后是在人工智能上的語音識別技術(shù)目前還有很大突破空間。在基于單片機(jī)的智能語音識別機(jī)器人的具體設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，通常需要做好系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)語音答復(fù)、系統(tǒng)語音識別等多個(gè)環(huán)節(jié)的工作，這就要求相關(guān)技術(shù)人員熟練掌握各項(xiàng)技術(shù)要點(diǎn)，并將其正確應(yīng)用到實(shí)踐設(shè)計(jì)過程中。只有這樣才能更好地完成相關(guān)的智能語音識別機(jī)器人設(shè)計(jì)任務(wù)，推動(dòng)語音識別技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展與廣泛應(yīng)用。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 徐琳珊，唐祁南，姜林奇，靳韻澤，王彥. 基于SPCE061A單片機(jī)的嵌入式語音識別系統(tǒng)的研究[J].電子技術(shù)，2018，47（12）：37-38.

[2] 王光艷，金正擔(dān).基于SPCE061A的智能語音處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 微計(jì)算機(jī)信息， 2009， 25（20）： 62-64.

[3] 吳鵬飛， 張良， 李得全. 基于SPCE061A單片機(jī)的X射線語音通信系統(tǒng)[J]. 電子測量技術(shù)， 2018（1）：86-91.

[4] 薛嵐，楊帥，張賽，王曉楠.智能語音機(jī)器人的硬件開發(fā)與設(shè)計(jì)[J]. 電子世界， 2013（13）： 146-147.