語音識(shí)別控制設(shè)計(jì)之聲控小汽車的實(shí)現(xiàn)

本文主要論述了如何用SPCE061A實(shí)現(xiàn)對(duì)非特定人語音的辨識(shí)，如何用SPC81A實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車的驅(qū)動(dòng)控制，以及兩款單片機(jī)之間無線通信的實(shí)現(xiàn)。

方案設(shè)計(jì)與論證

本系統(tǒng)為典型的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，下面對(duì)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行論證。

語音辨識(shí)方案：本設(shè)計(jì)中采用具有DSP處理功能的凌陽16位單片機(jī)SPCE061A實(shí)現(xiàn)語音辨識(shí)功能。由于SPCE061A具有A/D、D/A轉(zhuǎn)換接口，可以方便用于各種數(shù)據(jù)的采集、處理和控制輸出。A/D、D/A轉(zhuǎn)換接口與SPCE061A的DSP運(yùn)算功能結(jié)合在一起，可實(shí)現(xiàn)語音辨識(shí)功能。
通信方案：通信方式可用無線或紅外光方式，紅外光方式適合于近距離通信，電路較簡(jiǎn)單；無線方式通信距離較遠(yuǎn)，但電路復(fù)雜?？紤]到汽車處于被控中(距離較遠(yuǎn))，選擇無線作為載波來傳送信息。
電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案：本系統(tǒng)在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)部分利用8050、8550等不同三極管的組合，構(gòu)造一座“橋”。該橋的優(yōu)點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單、易控制、帶負(fù)載能力強(qiáng)。在單片機(jī)的配合下，通過PWM的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輕松控速。
電源供電方案：采用雙電源供電消除電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的干擾，保證單片機(jī)正常工作。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分，為了保證兩組驅(qū)動(dòng)電路都有較大的驅(qū)動(dòng)電流，采用兩組電池并聯(lián)供電。

系統(tǒng)框圖及工作原理

系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示， 通過麥克風(fēng)輸入口輸入。SPCE061A的自動(dòng)增益放大器把信號(hào)轉(zhuǎn)換為適合單片機(jī)處理的信號(hào)范圍。然后單片機(jī)對(duì)送來的信號(hào)進(jìn)行分析、運(yùn)算、處理、比較，識(shí)別出相應(yīng)的命令。按照編碼，把控制碼序列從PA.0端口通過RF發(fā)送模塊串行發(fā)送出去，并有相應(yīng)的語音播報(bào)。SPC81A從PB.0接收到信號(hào)，通過檢測(cè)比較判斷出相應(yīng)的命令。然后從C端口的低四位發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)并有相應(yīng)的音效輸出。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及原理分析

語音辨識(shí)部分

該部分也即為SPCE061A的外接電路部分。語音辨識(shí)主要是通過軟件來實(shí)現(xiàn),所以硬件電路主要是使SPCE061A芯片能正常工作所必需的電源、晶振以及麥克風(fēng)和音頻驅(qū)動(dòng)電路。控制碼序列的發(fā)送是通過IOA0串行發(fā)送(外接RF發(fā)送模塊)。



電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制部分

本系統(tǒng)的小車電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制部分利用8050、8550等不同的三極管組合成橋式電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制，具體電路如圖2所示。控制過程如下：
當(dāng)PC.0/PC.2為高電平,PC.1/PC.3為低電平時(shí),則Q1、Q2、Q3導(dǎo)通，Q4、Q5、Q6截止。其中Q1為激勵(lì)級(jí)，Q2、Q3為功放級(jí)。電流從VCC經(jīng)Q2到電機(jī)“+”端，再到“-”端，最后經(jīng)Q3入地，電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng) PC.0/PC.2為低電平,PC.1/PC.3為高電平時(shí),則電機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)都為低電平時(shí)，電機(jī)停轉(zhuǎn)。注意:不能讓兩個(gè)輸出口都為高電平,這樣會(huì)使Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6都處于導(dǎo)通狀態(tài)。會(huì)在功放級(jí)產(chǎn)生大電流致使三級(jí)管超過額定功率，從而導(dǎo)致發(fā)熱甚至燒壞。
在速度控制方面，一般是通過改變加在電機(jī)兩端的電壓來實(shí)現(xiàn)的。可以連續(xù)改變(加直流電壓)，也可以是斷續(xù)改變(加脈沖電壓)。為了簡(jiǎn)單實(shí)用，本設(shè)計(jì)采用了脈寬調(diào)速，軟件調(diào)整。
脈沖頻率對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速也有影響，脈沖頻率高則連續(xù)性好，但帶負(fù)載能力差，頻率低則反之。經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，脈沖頻率在15~20Hz效果最佳。
脈寬調(diào)速實(shí)質(zhì)上是調(diào)節(jié)加在電機(jī)兩端的平均功率，通過計(jì)算可發(fā)現(xiàn)小車的速度與脈寬成正比。

車載部分

該部分也即SPC81A的外接電路部分，將SPC81A的時(shí)鐘振蕩源設(shè)置為RC振蕩，通過外接電阻實(shí)現(xiàn)。由其IOC的低四位端口輸出信號(hào)來控制驅(qū)動(dòng)電路。注意將I/O口設(shè)置為緩沖式輸出，可以直接輸出高/低電平。接收RF信號(hào)主要是通過IOB0口外接一個(gè)RF接收模塊電路實(shí)現(xiàn)。

語音功能

凌陽單片機(jī)自帶雙通道DAC音頻輸出，DAC1、DAC2轉(zhuǎn)換輸出的模擬量電流信號(hào)分別通過AUD1和AUD2管腳輸出。DAC輸出為電流型輸出，經(jīng)三極管音頻放大，即可驅(qū)動(dòng)喇叭放音。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件分為兩個(gè)部分，包括手持語音辨識(shí)遙控系統(tǒng)的軟件部分和車載驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件部分。

手持語音辨識(shí)遙控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

此部分是在SPCE061A的平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的。本系統(tǒng)軟件分為主模塊、2048(2K)時(shí)基中斷、FIQ_TIM的定時(shí)中斷、播放語音子程序以及數(shù)據(jù)發(fā)送子程序。此部分主要是完成非特定人語音辨識(shí)功能。辨識(shí)的流程圖如圖3所示，本設(shè)計(jì)主要是通過調(diào)用API函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

主模塊

主模塊主要是控制整個(gè)系統(tǒng)程序的流程。系統(tǒng)上電后進(jìn)行一系列的初始化，然后發(fā)出提示音“anybody here”，這時(shí)辨識(shí)可以開始，根據(jù)不同的辨識(shí)結(jié)果執(zhí)行不同的動(dòng)作。主模塊的流程圖如圖4所示。

數(shù)據(jù)發(fā)送子程序

本設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)發(fā)送采用串行發(fā)送機(jī)制，從端口IOA0口發(fā)送(外接RF發(fā)送模塊)。每個(gè)語音命令用八位碼元表示，在發(fā)送時(shí)，還要外加一位起始位和一位結(jié)束位。起始位用8ms的低電平表示；結(jié)束位用8ms的高電平表示。碼元“1”用占空比為1/4的高低電平表示；碼元“0”用占空比為1/2的高低電平表示。為保證數(shù)據(jù)被正確的收發(fā)，將每個(gè)語音命令連續(xù)發(fā)送10次。數(shù)據(jù)發(fā)送程序包括數(shù)據(jù)發(fā)送主程序、開始/結(jié)束位發(fā)送子程序、數(shù)據(jù)位發(fā)送子程序、碼元“1”發(fā)送子程序、碼元“0”發(fā)送子程序。

車載驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

此部分的軟件系統(tǒng)主要是通過RF接收模塊接收相應(yīng)的控制信號(hào)，根據(jù)相應(yīng)的控制碼序列通過IOC口的低四位口，對(duì)電機(jī)發(fā)出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并同時(shí)帶有相應(yīng)的音效輸出。此部分系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括主控程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)接收程序設(shè)計(jì)等。

主控程序設(shè)計(jì)

主控部分主要是判斷數(shù)據(jù)接收是否完成，如果接收完成，就判斷此命令是哪一個(gè)命令，根據(jù)相應(yīng)的命令執(zhí)行相應(yīng)的操作和音效輸出。

中斷服務(wù)主程序

中斷服務(wù)主程序主要判斷是哪一個(gè)中斷，然后完成相應(yīng)的中斷服務(wù)，最后返回。

數(shù)據(jù)接收程序

數(shù)據(jù)接收主要是通過4KHz的中斷不斷地檢測(cè)輸入端口的狀態(tài)，然后根據(jù)相應(yīng)的狀態(tài)值執(zhí)行相應(yīng)的操作。為保證能接收到數(shù)據(jù)，將每一電平長度的持續(xù)時(shí)間規(guī)定在一定范圍內(nèi)。

結(jié)語

本設(shè)計(jì)中也存在著一些不足,在通信部分，由于只有8個(gè)命令，所以可以只用三個(gè)碼元表示，這樣可以提高傳輸效率，如果采用糾錯(cuò)編碼機(jī)制進(jìn)行收發(fā)，就可以提高正確性。這些都是可以改進(jìn)的地方。