基于語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)的智能臺(tái)燈

陸遠(yuǎn)遠(yuǎn)　馬斌　夏建草 范蕾

摘 要：隨著語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)的迅速發(fā)展，它在通信與電子，信息處理等領(lǐng)域呈現(xiàn)出巨大的潛力。我們已經(jīng)能夠把語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)集成到芯片中，可以滿足語(yǔ)音撥號(hào)，語(yǔ)音查詢，語(yǔ)音應(yīng)答等功能。

本文從設(shè)計(jì)基于語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)的智能開(kāi)關(guān)出發(fā)，設(shè)計(jì)語(yǔ)音控制的臺(tái)燈。闡述了智能開(kāi)關(guān)的硬件及其結(jié)構(gòu)，軟件及其語(yǔ)音算法和電路設(shè)計(jì)。硬件采用語(yǔ)音識(shí)別芯片LD3320和STC11L08XE主控芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)語(yǔ)音的控制和識(shí)別。軟件采用非特定語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)（ASR）。實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音控制臺(tái)燈的開(kāi)關(guān)以及亮滅的同時(shí)，使用者還可以通過(guò)不同的指令實(shí)現(xiàn)同一控制，達(dá)到一位多控的目的。

關(guān)鍵詞：語(yǔ)音識(shí)別芯片；ASR技術(shù)；一位多控

中圖分類號(hào)： TN912 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-1069（2016）24-175-2

1 語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)簡(jiǎn)述

本項(xiàng)目所用的是非特定語(yǔ)音識(shí)別（SI-ASR，Speaker Independent Automatic Speech Recognitich）技術(shù)。高級(jí)工程師分析語(yǔ)音模型中各個(gè)基元語(yǔ)音時(shí)，只有讓它的統(tǒng)計(jì)概率最優(yōu)化，才能使語(yǔ)音模型轉(zhuǎn)化的硬件芯片具有普適性。因此工程師建立了數(shù)學(xué)模型，通過(guò)對(duì)數(shù)千人數(shù)萬(wàn)小時(shí)的有效聲音數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析，反復(fù)訓(xùn)練提取，比較各個(gè)語(yǔ)音基元的特征差異和細(xì)節(jié)特征，最后得到算法和語(yǔ)音模型，并將其應(yīng)用到嵌入式系統(tǒng)中。故而這是一項(xiàng)基于“關(guān)鍵詞語(yǔ)列表”的非特定語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)。ASR技術(shù)每次識(shí)別的時(shí)候，把語(yǔ)音流做頻譜分析，提取其中的語(yǔ)音特征后，通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別器將其與“關(guān)鍵詞列表”中的預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，得出最接近其中的一個(gè)預(yù)設(shè)值作為識(shí)別結(jié)果。本項(xiàng)目所使用的LD3320芯片便是基于此項(xiàng)技術(shù)的嵌入式芯片。

2 語(yǔ)音電路硬件設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的硬件電路主要包括核心主控制部分、語(yǔ)音識(shí)別部分和照明電路部分。主控制部分設(shè)計(jì)是以STC11L08XE為核心的控制電路，語(yǔ)音識(shí)別部分設(shè)計(jì)是以LD3320語(yǔ)音芯片為核心的語(yǔ)音電路，照明電路部分則通過(guò)搭建LED點(diǎn)陣以及其他電路構(gòu)成。使用者的語(yǔ)音通過(guò)麥克風(fēng)進(jìn)入語(yǔ)音識(shí)別部分，經(jīng)過(guò)LD3320處理后，將數(shù)據(jù)并行傳輸?shù)娇刂齐娐罚ㄟ^(guò)控制器處理過(guò)后，發(fā)送指令控制照明電路?；驹O(shè)計(jì)如圖1所示：

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圖1 語(yǔ)音識(shí)別的臺(tái)燈電路圖

2.2 主控模塊

由于要處理來(lái)自語(yǔ)音芯片的數(shù)據(jù)，因此要求控制芯片的處理速度要快，抗干擾能力強(qiáng)，功耗要低。同時(shí)考慮到市場(chǎng)價(jià)格等問(wèn)題最終采用STC10LO8XE單片機(jī)。STC11L08XE的定時(shí)器0/定時(shí)器1/串行口與傳統(tǒng)8051兼容，增加了獨(dú)立波特率發(fā)生器，省去了定時(shí)器2。與傳統(tǒng)8051的指令相比，執(zhí)行速度全面提速，比最慢指令快三倍，比最快的指令快二十四倍。它的工作電壓為3.3—5.5V，擁有40個(gè)I/O接口，512字節(jié)的SRAM和8K的FLASH，內(nèi)部集成高可靠復(fù)位電路。因此足以滿足主控制系統(tǒng)的需要。

2.3 語(yǔ)音識(shí)別模塊

LD3320芯片不需外接 Flash和 RAM等存儲(chǔ)設(shè)備，它的內(nèi)部集成了快速穩(wěn)定的優(yōu)化算法。而且LD3320芯片也不需要使用者事先訓(xùn)練和錄音。語(yǔ)音識(shí)別芯片內(nèi)部集成了AD/DA，所以它要完成的工作就是：為得出得分最高的關(guān)鍵詞語(yǔ)作為識(shí)別結(jié)果輸出。通過(guò)把麥克風(fēng)輸入的語(yǔ)音進(jìn)行頻譜分析后提取語(yǔ)音特征，再和關(guān)鍵詞語(yǔ)列表中的關(guān)鍵詞語(yǔ)進(jìn)行對(duì)比匹配，得出最優(yōu)解。因此LD3320芯片的語(yǔ)音識(shí)別率比較穩(wěn)定，準(zhǔn)確率也比較高。

本文的LD3320語(yǔ)音芯片采取并行方式（即主控芯片P1.0與語(yǔ)音芯片第46引腳相連，并設(shè)置為低電平）直接與STC11L08XE單片機(jī)主控芯片相接，并均采用10k電阻上拉?？刂菩盘?hào)第42引腳（WRB）、第43引腳（CSB）、第45引腳（RDB）、第47引腳（RSTB）以及中斷返回信號(hào)第48引腳（INTB）與STC主控芯片直接相連，采用10k電阻上拉，輔助系統(tǒng)穩(wěn)定工作。第44引腳（A0）用于判斷是數(shù)據(jù)段還是地址段。語(yǔ)音芯片和主控芯片采用同一個(gè)外部22.1184MHz晶振；第12引腳（MBS）作為麥克風(fēng)偏置，接一個(gè)MIC增益輔助RC電路，以確保能輸出一個(gè)浮動(dòng)電壓給麥克風(fēng)。電路如圖2所示：

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圖2 語(yǔ)音識(shí)別模塊電路圖

3 語(yǔ)音電路軟件設(shè)計(jì)

本文語(yǔ)音識(shí)別軟件設(shè)計(jì)采用中斷的工作方式，其流程分為芯片初始化，寫(xiě)入關(guān)鍵詞列表，開(kāi)始識(shí)別，響應(yīng)中斷，輸出控制等。

①芯片初始化：主要完成主控芯片串口初始化，語(yǔ)音芯片軟復(fù)位、模式設(shè)定和 FIFO設(shè)定。芯片復(fù)位為激活內(nèi)部數(shù)據(jù)處理模塊，便對(duì)語(yǔ)音芯片的第47引腳（RSTB）發(fā)送低電平，對(duì)片選第43引腳（CS）做從拉低到拉高的操作，實(shí)現(xiàn)復(fù)位。②寫(xiě)入關(guān)鍵詞列表：分別設(shè)置“開(kāi)燈、關(guān)燈”基礎(chǔ)關(guān)鍵詞。再設(shè)置“變亮、變暗”等關(guān)鍵詞使人為語(yǔ)音調(diào)控實(shí)現(xiàn)用多種指令完成同一目標(biāo)的控制。③開(kāi)始識(shí)別：設(shè)置若干個(gè)寄存器，即可開(kāi)始語(yǔ)音識(shí)別，其識(shí)別流程如圖3所示。0x37寄存器是控制命令入口，用來(lái)啟動(dòng)芯片內(nèi)部的語(yǔ)言識(shí)別運(yùn)算模塊。0xb2寄存器是內(nèi)部忙閑的狀態(tài)寄存器。一些內(nèi)部狀態(tài)由0xbf寄存器報(bào)告出來(lái)。

4 總結(jié)

通過(guò)這段時(shí)間的研究與開(kāi)發(fā)，總體完成以下幾項(xiàng)工作。首先，我們研究了語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)的原理和算法，參考了語(yǔ)音識(shí)別芯片LD3320的數(shù)據(jù)手冊(cè)，對(duì)它的功能和內(nèi)部結(jié)構(gòu)有一定的認(rèn)識(shí)和了解，為設(shè)計(jì)語(yǔ)音電路提供理論支持。

另外，我們還研究了STC11L08XE主控芯片結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)置。LD3320語(yǔ)音識(shí)別芯片在語(yǔ)音進(jìn)入語(yǔ)音識(shí)別部分后，LD3320芯片將把處理過(guò)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺刂破?，主控制器處理后，發(fā)送命令數(shù)據(jù)到外圍串行設(shè)備，實(shí)現(xiàn)控制操作的功能。

在語(yǔ)音識(shí)別模塊的設(shè)計(jì)方法和原理基礎(chǔ)上，以此為核心，我們?cè)O(shè)計(jì)出了外圍電路的結(jié)構(gòu)和輔助通信電路的結(jié)構(gòu)，同時(shí)也給出了整體設(shè)計(jì)圖。根據(jù)該設(shè)計(jì)方案，基本可以達(dá)到基于語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)的臺(tái)燈的設(shè)計(jì)要求。

參 考 文 獻(xiàn)

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