基于STM32 的辨音識別系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

李 棚，孔 健，葉 飛，張明存，劉明明

（1.六安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 六安；2.合肥幼兒師范高等?？茖W(xué)校，安徽 合肥）

引言

聲音識別技術(shù)作為新一代識別技術(shù)，已經(jīng)應(yīng)用在許多特殊領(lǐng)域[1-2]。音調(diào)、響度、音色是聲音的三個主要的要素，對三個要素中的部分參數(shù)進行數(shù)字化，可以實現(xiàn)物理參數(shù)的測量[3]。通過對音調(diào)頻率分量的分析，可以判斷變壓器，齒輪的工作狀態(tài)，做到在線檢測，通過對家禽（豬，雞，羊等）鳴叫聲音的識別，能夠有效的判斷家禽的健康狀態(tài)，避免大規(guī)模家禽致病，已經(jīng)開展了相關(guān)研究[4-6]。

相對于大規(guī)模語音識別系統(tǒng)，采用嵌入式芯片為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過算法實現(xiàn)快速音頻轉(zhuǎn)換和識別，具有很大的應(yīng)用前景。為了有效的驗證音頻識別的準(zhǔn)確度，采用STM32 針對5 個不同的水杯進行音頻學(xué)習(xí)和識別，然后能夠快速識別水杯的序號。從而驗證了聲音識別系統(tǒng)的可靠性，為后續(xù)向行業(yè)應(yīng)用場景遷移打下基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)方案

若要實現(xiàn)待測音頻信號的頻率檢測，需要采用聲音采集模塊將聲音信號轉(zhuǎn)換成電信號，采用放大電路對電信號進行適當(dāng)放大，放大后的信號通過A/D 轉(zhuǎn)換模塊采集到處理器中，在處理器中進行數(shù)字信號處理（DSP），處理后的數(shù)據(jù)在通過顯示模塊進行顯示，系統(tǒng)方案如圖1 所示。其中，聲音傳感器采用全向麥克風(fēng)，能夠完整采集周圍聲音信號，放大器采用軌到軌的放大電路，能夠有效實現(xiàn)信號的放大。數(shù)字信號處理（DSP）需要采用傅里葉變換，將聲音信號從時域轉(zhuǎn)換到頻域，然后對主要頻率進行識別，獲取待測聲音的主要頻率。

圖1 聲音檢測系統(tǒng)方案

2 傅里葉變換

聲音信號是一種混合多種頻率的信號源，在時域角度可以看成一組正弦函數(shù)的線性組合，通過傅里葉變換能夠?qū)r域信號轉(zhuǎn)換為頻域信號，便于頻率的提取[1-3]，見圖2。

圖2 傅里葉變換示意圖

對周期函數(shù)f（t），如果變量t 滿足狄里赫萊條件，則f（x）以2T 為周期的傅里葉級數(shù)收斂，其表達式（1）稱為積分運算f（t）的傅立葉變換。

針對敲擊玻璃杯發(fā)出的音頻信號是周期性連續(xù)時間的自然信號，通過帶通濾波器，獲取有限段信號，再通過AD 采集，在STM32 中獲得時域離散的信號。表達式（2）對于時域離散信號x（n），可以進行離散傅里葉變換（DFT），轉(zhuǎn)換成離散的頻率信號。

3 STM32的傅里葉變換實現(xiàn)

在進行模擬信號采集的時候，需要考慮采集信號的頻率值，根據(jù)奈奎斯特采樣定理可知，采樣頻率F必須是最高頻率的2 倍以上，這樣才能確保信號的完整性。采用點數(shù)N，那么FFT 變換之后，就是N個復(fù)數(shù)標(biāo)識的點。每一個點對應(yīng)一個頻率點，這個點對應(yīng)的幅值就是該頻率下的幅度特性，每個點的相位，就是在該頻率下的信號的相位[7-8]。

根據(jù)STM32F10x 系列處理器的技術(shù)參數(shù)表1 所示，其中采用1 024 點的傅里葉運算需要2.138 ms，如果采用64 點的傅里葉運算只需要0.078 ms，STM32 的運算速度滿足FFT 運算需求。針對FFT 的算法，STM32 自帶DSP 庫實現(xiàn)傅里葉變換。其中，采用基4 浮點FFT 運算，需要三個函數(shù)。

表1 快速傅里葉變換速度（基4，16 位FFT，F(xiàn)lash 存儲器）

arm_status arm_cfft_radix4_init_f32（arm_cfft_radix 4_instance_f32*S，uint16_t fftLen，uint8_t ifftFlag，uint8_t bitReverseFlag）；

void arm_cfft_radix4_f32（const arm_cfft_radix4_instance_f32*S，float32_t*pSrc）；

void arm_cmplx_mag_f32（float32_t*pSrc，float32_t*pDst，uint32_t numSamples）。

4 嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)

設(shè)置5 個同型號水杯，放入不同量的液體，通過對水杯敲擊聲音進行識別，驗證傅里葉變換的可靠性和穩(wěn)定性。為了提高聲音識別的效率，采用MAX4466聲音傳感器模塊優(yōu)化增益帶寬，然后通過STM32 運行傅里葉算法（FFT），獲取幅度頻譜特性，尋找主頻率的值和對應(yīng)幅度值。當(dāng)識別到水杯的頻率后，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的音高與杯號的映射表，查找對應(yīng)的杯號，然后將該杯號通過液晶顯示屏進行顯示。

4.1 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)采用STM32F103 芯片為主控模塊，整體系統(tǒng)主要由主控核心板模塊、聲音傳感器模塊、帶通濾波器模塊，音頻輸出模塊、控制模塊和顯示模塊組成。通過聲音傳感器模塊，將聲音信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，通過帶通濾波器濾除干擾的高頻和低頻信號，STM32 進行AD 采集后，進行傅里葉變換，將時域信號轉(zhuǎn)變成頻域信號，對頻域信號進行記錄和標(biāo)定，完成信息的采集和存儲功能，系統(tǒng)總體框圖如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)總體框圖

4.2 程序流程圖

STM32 采用自帶的DSP 庫文件，通過調(diào)用FFT函數(shù)，實現(xiàn)對水杯在不同狀態(tài)下的頻率值和對應(yīng)頻率的幅度值的記錄和學(xué)習(xí)，在識別過程中，將采集到的水杯頻率與保存頻率對比，正確識別水杯的狀態(tài)，圖4繪制了主程序、初始化程序、FFT 轉(zhuǎn)換程序的對應(yīng)流程圖。

圖4 STM32 的FFT 的學(xué)習(xí)與識別程序

4.3 系統(tǒng)測試

在正常溫度和濕度的前提下開展測試，通過加入不同水位的方式，改變水杯的頻率，測試識別的準(zhǔn)確度。本批次的空杯頻率集中在2 500 HZ 到3 000 HZ之間，根據(jù)奈奎斯特采樣定理可知，當(dāng)采樣頻率大于信號中最高頻率的2 倍時，本系統(tǒng)STM 32 系統(tǒng)頻率采用72 MHZ，AD 采集頻率設(shè)置為10 KHZ。

根據(jù)我們的測試，基于STM32 主控的聲音識別系統(tǒng)的功能和性能測試結(jié)果如表2 所示。

表2 5 個水杯不同水量測試頻率值

5 結(jié)論

使用基于STM32 主控、MAX4466 聲音傳感器模塊和蜂鳴器模塊的搭建方案，經(jīng)過驗證發(fā)現(xiàn)，能夠區(qū)分3 Hz 的本征頻率水杯，準(zhǔn)確的識別出不同水杯的頻率值，滿足作為識別系統(tǒng)的需要。該項目通過硬件結(jié)構(gòu)優(yōu)化，能夠制作出手持式聲音測試儀，可以用于環(huán)境消噪采集設(shè)備，也可以作為有聲設(shè)備故障巡檢儀器。