基于DSP的聲控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　機(jī)器人聲控系統(tǒng)的研究一直是機(jī)器人研究的主要內(nèi)容之一。傳統(tǒng)的聲音控制系統(tǒng)一般采用PC 機(jī)作為核心平臺(tái)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制，雖然其具有處理能力強(qiáng)大、語音庫完備、系統(tǒng)更新能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但是PC 機(jī)體積大，功耗大，成本高，不適合于中、小型機(jī)器人使用。本文以SPCE061A 為核心，設(shè)計(jì)了一套機(jī)器人聲控系統(tǒng)，和傳統(tǒng)的PC 機(jī)聲控系統(tǒng)相比較，具有成本低、體積小、耗能低和使用靈活方便等特點(diǎn)。

　　本系統(tǒng)采用的機(jī)器人平臺(tái)是北京博創(chuàng)興盛機(jī)器人技術(shù)有限公司提供的 Voyager II 型地面移動(dòng)機(jī)器人，該機(jī)器人采用了模塊化的設(shè)計(jì)理念，高負(fù)載能力的直流伺服控制，可選配聲納、紅外、視覺、羅盤、GPS 等傳感器和機(jī)械手等執(zhí)行器。完全可以滿足聲控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。本文提出了一種以凌陽單片機(jī)為核心的Voyager II 型機(jī)器人聲控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案， 該產(chǎn)品具有低成本、低功耗、體積小和使用靈活方便等特點(diǎn)，不僅適合于中、小型機(jī)器人使用，還適合與教學(xué)科研使用。

　　系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分，下面首先介紹一下系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。
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　　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
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　　根據(jù)機(jī)器人平臺(tái)情況， 聲控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要由微處理器單元、供電單元、聲音采集單元和串口輸出單元四部分組成，如圖所示：

　　DSP的聲控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)“ src=”/uploadfile/DSP/uploadfile/201412/20141214052908362.jpg“ width=”359“ height=”231“ /》

　　1 微處理器單元

　　本系統(tǒng)采用凌陽公司的16 位單片機(jī)SPCE061A 作為核心控制芯片，內(nèi)置32K 閃存，其較高的處理速度能使芯片非?？焖俚奶幚韽?fù)雜的數(shù)字信號(hào)， 適用于語音識(shí)別等應(yīng)用領(lǐng)域。

　　SPCF061A 的工作頻率范圍為0.32-49.152MHz.具備8 通道10位ADC 輸入功能， 內(nèi)置了具有自動(dòng)增益控制的麥克風(fēng)輸入功能。雙通道10 位DAC 音頻輸出功能及A、B 兩個(gè)I/ 0 口輸入輸出功能。具有集成度高、性能可靠、價(jià)格低廉、功耗小等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)充分體現(xiàn)了微控制器工業(yè)發(fā)展的新趨勢。目前，凌陽單片機(jī)SPCE061A 的應(yīng)用越來越廣，深受廣大用戶的歡迎。

　　2 聲音采集單元

　　聲音采集單元的換能器采用駐極體話筒， 通過話筒將采集到的聲音信號(hào)通過MIC_IN 通道傳送給CPU，MIC_IN 通道專門用于對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行采樣。語音信號(hào)經(jīng)MIC 轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由電容將其中的直流成分濾除， 然后輸入到集成在SPCE061A 內(nèi)部的前置放大器中。SPCE061A 的內(nèi)部增益控制電路AGC 能隨時(shí)跟蹤、監(jiān)視前置放大器輸出的音頻信號(hào)的電平，當(dāng)輸入信號(hào)過大時(shí)，自動(dòng)減小放大器增益;當(dāng)輸入信號(hào)減小時(shí)，自動(dòng)增大放大器增益。這樣即可以使A/D 轉(zhuǎn)換器接收到的信號(hào)一直保持在最佳電平，又可以使聲音損失減至最少，從而提高語音識(shí)別的精度。

　　3 外接供電單元

　　外接 供電單元是聲控系統(tǒng)的選配單元， 由于聲控系統(tǒng)的能耗很低，可以外接3 個(gè)1.5V 電池，作為外接供電單元給系統(tǒng)供電。在沒有選配外接供電單元時(shí)，也可以直接使用Voyager II 型地面移動(dòng)機(jī)器人的蓄電池為關(guān)濟(jì)實(shí)： 講師工學(xué)碩士聲控系統(tǒng)供電，Voyager II 型機(jī)器人的蓄電池供電電壓為24V， 將24V 電壓先經(jīng)過7805 轉(zhuǎn)換成5V電壓， 然后使用SPY0029 將5V 電壓轉(zhuǎn)換成3.3V 電壓給SPCE061A 供電。

　　4 存儲(chǔ)器單元

　　存儲(chǔ)器單元也是聲控系統(tǒng)的選配單元， 當(dāng)需要識(shí)別的語音資源較少時(shí)，則使用單片機(jī)中 集成的FLASH 存儲(chǔ)器，就可以滿足要求。當(dāng)語音資源較豐富時(shí)，就需要連接外部存儲(chǔ)器單元，對(duì)語音資源進(jìn)行存儲(chǔ)。為了保證系統(tǒng)的兼容性， 選用凌陽公司的SPR4096 作為外部存儲(chǔ)器， LASHSPR4096 內(nèi)部有512K×8bits F和4K×8bits SRAM 在進(jìn)行FLASH 編程或擦除的時(shí)候，可以并發(fā)執(zhí)行SRAM 的讀寫，SPR4096 內(nèi)置了一個(gè)總線存儲(chǔ)器接口和一個(gè)串行接口，它允許單片機(jī)通過8_bit 并行模式或者1_bit 串行模式訪問FLASH SDRAM 的存儲(chǔ)區(qū)。在本系統(tǒng)中，將SPR4096的SCK 和SDA 與SPCE061A 的IOB0 和IOB1 連接， 構(gòu)成串行數(shù)據(jù)通信。

　　5 串口輸出單元

　　由于SPCE061A 單片機(jī)的輸入、輸出電平是TTL 電平，而Voyager II 型機(jī)器人配置的是RS-232 標(biāo)準(zhǔn)串行接口，二者的電氣規(guī)范不一致。因此，要完成SPCE061A 和機(jī)器人之間的串行通信，必須對(duì)SPCE061A 輸出的TTL 電平進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，本系統(tǒng)中使用MAXIM 公司的MAX232 作為電平轉(zhuǎn)換芯片。MAX232 使用單電源供電， 只需外接5 個(gè)0.1uF 的電容， 就可以實(shí)現(xiàn)SPCE061A 和Voyager II 型機(jī)器人之間的電平轉(zhuǎn)換。
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　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
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　　軟件設(shè)計(jì)中最重要的部分就是編寫語音識(shí)別程序。語音識(shí)別過程本質(zhì)上是一種多維模式識(shí)別過程。針對(duì)凌陽單片機(jī)編寫語音識(shí)別程序，主要可以分為：訓(xùn)練、辨識(shí)、辨識(shí)結(jié)果輸出三部分。

　　2 語音識(shí)別程序

　　語音識(shí)別程序是整個(gè)程序編寫過程中最重要的部分， 主要可以分為辨識(shí)器初始化、識(shí)別過程實(shí)時(shí)監(jiān)控、獲取辨識(shí)結(jié)果和終止辨識(shí)四部分。

　　2.1 辨識(shí)初始化

　　辨識(shí)初始化使用void BSR_InitRecognizer （int AudioSource）函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)參數(shù)AudioSource 取1 時(shí)為LINE_IN 電壓模擬量輸入;當(dāng)參數(shù)AudioSource 取0 時(shí)為MIC 語音輸入。

　　2.2 識(shí)別過程實(shí)時(shí)監(jiān)控

　　該功能調(diào)用void BSR_EnableCOUIndicator（）函數(shù)來實(shí)現(xiàn)，主要用來辨識(shí)是否正常工作。如果辨識(shí)正常，CPU 會(huì)產(chǎn)生一個(gè)占空比為50%的方波。如果CPU 超載，則會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定的波形，這時(shí)為了避免語音辨識(shí)產(chǎn)生錯(cuò)誤信息，就需要?jiǎng)h除命令或者優(yōu)化程序。

　　2.3 獲取辨識(shí)結(jié)果

　　該功能調(diào)用int BSR_GetResult（）函數(shù)來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)無命令識(shí)別出來時(shí)，返回值為0;當(dāng)識(shí)別器未初始化或識(shí)別未激活返回-1;當(dāng)識(shí)別不合格時(shí)返回-2;當(dāng)識(shí)別出來時(shí)，返回命令的序號(hào)。

　　2.4 終止辨識(shí)

　　該功能調(diào)用void BSR_StopRecognizer（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)，主要用于停止識(shí)別，并關(guān)閉FIQ_TMA 中斷。

　　3 辨識(shí)結(jié)果輸出

　　通過BSR_GetResult（）可以得到命令的序列號(hào)，將命令的序列號(hào)改寫成Voyager II 型機(jī)器人的相關(guān)協(xié)議， 然后通過RS232口傳輸給機(jī)器人即可達(dá)到語音控制的目的。

　　4 串口通信程序

　　為了方便用戶對(duì)Voyager II 型機(jī)器人進(jìn)行二次開發(fā)， 北京博創(chuàng)興盛機(jī)器人技術(shù)有限公司提供了標(biāo)準(zhǔn)串行接口， 并制定了詳細(xì)的通信協(xié)議，供用戶使用。為了提高通信的效率和穩(wěn)定性，在Voyager II 型機(jī)器人內(nèi)部，先將RS-232 標(biāo)準(zhǔn)電平轉(zhuǎn)換為TTL電平，再將TTL 電平通過MAX491 轉(zhuǎn)換為RS-485 的標(biāo)準(zhǔn)電平。

　　由于協(xié)議中，只支持一個(gè)主機(jī)，所以在本聲控系統(tǒng)中，將聲控系統(tǒng)的單片機(jī)作 為整個(gè)硬件系統(tǒng)的主機(jī)， 即整個(gè)硬件系統(tǒng)的最高管理者，其地址默認(rèn)為0.其他設(shè)備的地址默認(rèn)為1-255.具體分配如下：系統(tǒng)設(shè)備占用地址0x01-0x0F;電機(jī)設(shè)備地址 0x100-0x1F;系統(tǒng)保留地址為0x20-0x7F;用戶設(shè)備地址：0x80-0xAF;在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，主機(jī)一直占用自己的TXD 線，從機(jī)的RXD 線在不進(jìn)行通信時(shí)為高阻狀態(tài)，只有在接收到與自己地址相符的數(shù)據(jù)幀時(shí)，才能占用總線，一旦通信結(jié)束，立即釋放總線，回到高阻狀態(tài)。

　　主機(jī)和從機(jī)采用標(biāo)準(zhǔn)的“一問一答”通信機(jī)制，如果主機(jī)的命令需要有數(shù)據(jù)反饋，則返回需要的數(shù)據(jù);如果不需要數(shù)據(jù)反饋，就返回上位機(jī)發(fā)送的命令。

　　下面，以控制機(jī)器人前進(jìn)為例說明串口通信的協(xié)議格式：

　?。?）發(fā)送固定通信字頭兩字節(jié)：0x55 0xAA

　?。?）發(fā)送接收設(shè)備地址：0x01

　?。?）發(fā)送數(shù)據(jù)長度：0x04

　?。?）發(fā)送命令字：0x26

　?。?）發(fā)送左電機(jī)速度兩字節(jié)：0x00 0x06

　?。?）發(fā)送右電機(jī)速度兩字節(jié)：0x00 0x06

　　（7）發(fā)送數(shù)據(jù)效驗(yàn)和：0x3A

　　在明確了協(xié)議格式和需要發(fā)送的內(nèi)容之后， 就可以編寫串口通信程序。首先，根據(jù)SPCE061A 的PLL 頻率和需要設(shè)定的波特率，計(jì)算出P_UART_BaudScalarHigh 和P_UART_BaudScalar-Low 的取值，完成串口參數(shù)的設(shè)定。在完成設(shè)定后，將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到P_UART_Data 中，SPCE061A 就可以將數(shù)據(jù)發(fā)送給Voyager II 型機(jī)器人。由于，SPCE061A 的串口每次只能發(fā)送1個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，所以需要采用循環(huán)的方式，依次將通信內(nèi)容發(fā)送給Voyager II 型機(jī)器人。Voyager II 型機(jī)器人收到指令后， 就可以按照指令，進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。

　　總結(jié)

　　本系統(tǒng)采用了低成本 的DSP-SPCE061A 作為主控芯片，和傳統(tǒng)的基于PC 機(jī)的語音識(shí)別系統(tǒng)相比， 雖然識(shí)別的語音庫相對(duì)較少，但是其具有低成本、低功耗、體積小和使用靈活方便等特點(diǎn)，不僅適合于中、小型機(jī)器人，還適合于教學(xué)科研使用。所以，本聲控系統(tǒng) 具有良好的市場前景和廣闊的使用空間。