基于SPCE061A的語音遙控器

1、濱州學院 課 程 設 計題 目 基于SPCE061A的語音遙控器_院 系 自動化系 專業(yè)班級 07機械本科二班 學生姓名 李倩 學生學號 指導教師 劉寶民 濱州學院課程設計任務書題目 基于SPCE061A的語音遙控器 專業(yè) 機械設計制造及其自動化專業(yè) 姓名 李倩 學號 主要內(nèi)容：設計一個基于SPCE061A的語音遙控器，利用SPCE061A技術，紅外識別以及MIC鍵盤輸入技術.基本要求：·工作電壓(CPU) VDD為2.43.6V (I/O) VDDH為2.45.5V；·系統(tǒng)處于備用狀態(tài)下(時鐘處于停止狀態(tài))，耗電僅為2µ；·14個中斷源可來自定時器、時

2、基、外部時鐘源輸入、鍵喚醒； 7通道10位電壓模-數(shù)轉換器和單通道聲音模-數(shù)轉換器；·聲音模-數(shù)轉換器輸入通道內(nèi)置麥克風放大器和自動增益控制(AGC)功能；·具有低電壓復位(LVR)功能和低電壓監(jiān)測(LVD)功能；·內(nèi)置在線仿真電路ICE(In- Circuit Emulator)接口；主要參考資料：1 邊肇祺 張學工 模式識別M 北京：清華大學出版社2 何立民 單片機應用技術選編(1)M 北京：北京航空航天大學出版社 完成期限 2011、6、292011、7、 10 指導教師 劉寶民 專業(yè)負責人 2011年 6 月 29 日目錄1.整體設計12系統(tǒng)總開發(fā)22.1

3、系統(tǒng)硬件設計22.2系統(tǒng)軟件設計32.3系統(tǒng)程序設計-54.電路的工作原理75.總結96.系統(tǒng)需要的元器件清單97.參考文獻101.整體設計設計要求·16位µnSP微處理器；·工作電壓(CPU) VDD為2.43.6V (I/O) VDDH為2.45.5V；·CPU時鐘：0.32MHz49.152MHz ；·內(nèi)置2K字SRAM；·內(nèi)置32K FLASH；·系統(tǒng)處于備用狀態(tài)下(時鐘處于停止狀態(tài))，耗電僅為2µ；·2個16位可編程定時器/計數(shù)器(可自動預置初始計數(shù)值)；·2個10位DAC(數(shù)-模轉換

4、)輸出通道；·32位通用可編程輸入/輸出端口；·14個中斷源可來自定時器、時基、外部時鐘源輸入、鍵喚醒；·具備觸鍵喚醒的功能；·7通道10位電壓模-數(shù)轉換器和單通道聲音模-數(shù)轉換器；·聲音模-數(shù)轉換器輸入通道內(nèi)置麥克風放大器和自動增益控制(AGC)功能；·具備串行設備接口；·具有低電壓復位(LVR)功能和低電壓監(jiān)測(LVD)功能；·內(nèi)置在線仿真電路ICE(In- Circuit Emulator)接口；·具有保密能力；·具有WatchDog功能(由具體型號決定)。系統(tǒng)總體方案論證與比較方案一：

5、SPCE061A 鍵盤輸入 MIC輸入溫度傳感器 語音輸出 紅外發(fā)射圖 3.1。整個系統(tǒng)主要由鍵盤輸入電路、MIC輸入電路、語音輸出電路、紅外發(fā)射電路組成。通過分析按鍵命令或語音識別結果，利用正常的結果以紅外指令碼發(fā)出，控制電視機的運行，同時用語音提示。系統(tǒng)組成如圖 3.1。方案中用到的單片機式凌陽的16位單片機SPCE061A，由于該CPU具有豐富的I/O口和豐富的時基信號，為我們提供了極大的方便，整個系統(tǒng)結構簡單明了，易于批量生產(chǎn)。方案二：運用傳統(tǒng)的集成電路加之以多種輔助電路。但系統(tǒng)規(guī)模龐大，且復雜。易受多種因素影響，導致系統(tǒng)工作狀況不穩(wěn)定。這也是傳統(tǒng)遙控器的通病。由于系統(tǒng)采用集成電路，攜

6、帶器件多，耗電量巨大。不易于被消費者接受。方案的確定：比較兩種方案，運用方案二，劣勢明顯。而運用方案一，系統(tǒng)只用了單顆芯片來完成語音處理和控制功能，與專用的語音處理芯片相比，具有結構簡單、成本低、易實現(xiàn)的特點，并且凌陽科技公司提供了豐富的C函數(shù)庫和語音處理函數(shù)庫，供用戶調(diào)用，縮短了開發(fā)周期。2.系統(tǒng)開發(fā)2.1系統(tǒng)硬件設計硬件電路如圖 4.1：圖 4.1硬件電路 硬件上共設計了13個按鍵，采用4×4的行列式鍵盤，IOB0IOB3設置成輸入口，IOB4IOB7設置成輸出口，預留3個按鍵作為備用鍵。 語音識別電路比較簡單，MIC選用駐極體話筒。駐極體話筒具有結構簡單、重量輕、體積小、無方向

7、性、頻率響應寬、保真度好等優(yōu)點，它的偏壓由SPCE061A的VMIC管腳提供。SPCE061A提供了2個10位D/A輸出通道AUD1、AUD2，用于輸出語音信號，每個通道的輸出能力為3mA。考慮到功耗，在這里采用了單通道AUD1輸出。 通過IOB8輸出的PWM信號(IOB8、IOB9有特殊功能)可以作為紅外載波信號，其頻率由可編程定時器TimerA(或TimerB)的溢出頻率決定。 溫度傳感器采用普通負溫度系數(shù)熱敏電阻，熱敏電阻靈敏度高、價格便宜。mnSP內(nèi)核是一個通用的核結構。除此之外的其它功能模塊均為可選結構，亦即這種結構可大可小、可有可無。借助這種通用結構附加可選結構的積木式構成，可形成

8、各種不同系列派生產(chǎn)品，以適合不同場合的應用。這樣做無疑會使每一種派生產(chǎn)品具有更強的功能和更低的成本。2.2系統(tǒng)軟件設計在軟件設計方面，采用模塊化程序結構，當前方案包括初始化、鍵盤掃描、溫度采集、溫度播報、萬年歷時間計算、萬年歷播報、紅外發(fā)射、語音識別、語音播放等模塊，程序流程見圖5.1NNNY 開始 系統(tǒng)初始化鍵盤掃描 有鍵？溫度播報鍵溫度采集溫度播報進入睡眠 報時鍵時間播報 語音識別器觸發(fā)語音識別紅外發(fā)射圖5.1 N 系統(tǒng)初始化的過程：先對系統(tǒng)時鐘、IO口、萬年歷、中斷(打開按鍵喚醒和2Hz中斷)進行初始化，然后掃描按鍵，如果有按鍵，進行相應處理，無按鍵則進入睡眠模式，萬年歷的計算在2Hz中

9、斷服務程序中進行。 語音播放模塊應用凌陽科技提供的音頻編碼算法，首先在PC機上錄好提示語音文件(WAV文件)，并經(jīng)所提供的壓縮工具進行壓縮處理以形成二進制文件，加載到用戶程序中，編譯鏈接后存儲到單片機FLASH中，播放時再解壓縮送D/A還原出語音。對于應用unSPTM內(nèi)核的SPCE系列芯片，向用戶提供三種不同壓縮率的算法，各種壓縮算法的名稱及編碼率類型列在表 5.1。表 5.1壓縮算法名稱語音壓縮編碼率類型SACM_A200016KBits/s、20KBits/s、24KBits/sSACM_S4804.8KBits/s、7.2KBits/sSACM_S2402.4KBits/s這三種壓縮算法

10、的區(qū)別在于壓縮率和音質的不同。SACM_A2000算法的壓縮率相對較小，音質較好，相應地，占用的資源較多。SACM_S240算法的壓縮率最大，音質相對較差。SACM_S480算法介于這兩者之間。每種算法都有完整的供程序調(diào)用的庫函數(shù)，軟件編寫非常方便。2.3系統(tǒng)程序設計本語音遙控器采用SACM_S480算法。語音提示背景播放程序： SACM_S480_Initial(1); /播放硬件資源初始化 ACM_S480_Volume(15); /初始化音量 SACM_S480_Play(result,3,3); /播放函數(shù) while(SACM_S480_Status()&0x0001)=1)

11、 /播放狀態(tài) SACM_S480_ServiceLoop(); /播放服務函數(shù) SACM_S480_Stop(); /停止播放主播放函數(shù)SACM_S480_Play(int Index,Int Channel,Int Ramp_Set)有三個參數(shù)：1. Index：播放索引號；2. Channel：播放通道。1通過DAC1通道播放，2通過DAC2通道播放，3通過DAC1和DAC2通道播放；3. Ramp_Set：消除開始放音時的“啵”聲。語音識別電路的基本結構如圖 5.2。圖 5.2音濾除噪音預加重濾波器組PACRCOR系數(shù)、線性預測系數(shù)、過零次數(shù)、能量相關函數(shù)等模式匹配詞典語音分析 語音識別

12、分為特定發(fā)音人識別(Speaker Dependent)和非特定發(fā)音人識別(Speaker Independent)兩種方式。 特定發(fā)音人識別是指語音樣板由單個人訓練，對訓練人的語音命令識別準確率較高，而其他人的語音命令識別準確率較低或不識別。 非特定發(fā)音人識別是指語音樣板由不同年齡、不同性別、不同口音的人進行訓練，可以識別一群人的命令。語音樣板的提取非常重要。語音遙控器就是采用非特定發(fā)音人識別方式。 語音識別分為語音樣板訓練和語音識別兩個過程。我們將標準模式的存儲空間稱之為“詞庫”，而把標準模式稱之為“樣板”。所謂語音樣板訓練，就是將待識別的命令進行頻譜分析，提取特征參數(shù)作為識別的標準模式。

13、語音識別的過程就是提取語音命令的特征參數(shù)，與詞庫中的樣板比較，取相似度最好的樣板命令序號作為識別結果。凌陽科技公司提供語音樣板訓練工具和語音識別庫函數(shù)，每次可以識別30條語音命令，命令較多的話可以分多組進行，語音識別流程見圖 5.3：圖5.3流程圖 初始化識別器 選擇樣板庫調(diào)BSR_GetResult（函數(shù)）函數(shù)返回值識別結果處理其他處理3.電路的工作原理 目前所設計的電視語音遙控器，主要由鍵盤輸入電路、MIC輸入電路、溫度采集電路、語音輸出電路、紅外發(fā)射電路組成。用戶通過按鍵，完成遙控功能保留按鍵功能、語音報溫和報時功能。SPCE061A有1路專用于采集語音信號的A/D轉換電路(MIC輸入)

14、和7路用于其它功能的A/D轉換電路。前者能用來進行語音識別、錄音等的語音信號的輸入，在本遙控器里用來采集語音信號，進行語音識別；后者中，選擇其中1路進行溫度采集，由按鍵控制溫度的播報。有豐富的時基信號，采用2Hz的時鐘進行計數(shù)，并進行萬年歷計算，由按鍵控制播報時間。 工作原理如下圖所示： 語音信號處理的基礎是對語音信號進行數(shù)字化，并采樣存儲。SRCE061A內(nèi)置專門用于語音信號采集的自動增益控制放大器（AGC）的麥克風輸入通道（MIC_IN）。語音信號經(jīng)麥克轉換成電信號，由隔離電容隔掉直流成分，然后輸入至內(nèi)部前置放大器。SPCE061A內(nèi)部自動增益控制電路AGC能隨時跟蹤、監(jiān)視前置放大器輸出的

15、音頻信號電平，當輸入信號增器時，AGC電路自動減小放大器的增益；當輸入信號減小時，AGC電路自動增大放大器的增益，以便使進入A/D的信號保持在最佳電平，又可使諧波減至最小。ADC初始化程序如下：INT OFF；R1=0x0030；P_TimerA_Ctrl=R1；/時鐘頻率為CLKA的fosc/2R1=0xfa00；P_TimerA_Data=R1；/采樣率為16kHzR1=0x003d;P_ADC_Ctrl=R1； /設置AGC功能R1=0x00A8;P_DAC_Ctrl=R1; /采用自動方式且通過MIC_IN通道輸入，通過定時器A的溢出鎖存數(shù)據(jù)，ADC為自動方式R1=0x1000;P_I

16、NT_Ctrl=R1； /開中斷IRQ1_TMINT IRQ；4.總結 上面介紹了采用SPCE061A來完成紅外遙控、語音識別、語音報溫、報時等綜合功能的語音遙控器。功能的語音遙控器。系統(tǒng)只用了單顆芯片來完成語音處理和控制功能，與專用的語音處理芯片相比，具有結構簡單、成本低、易實現(xiàn)的特點，并且凌陽科技公司提供了豐富的C函數(shù)庫和語音處理函數(shù)庫，供用戶調(diào)用，縮短了開發(fā)周期。本品稍作改動，就可以用來控制空調(diào)機、錄像機等電器；利用SPCE061A的語音處理優(yōu)勢可組成語音應答系統(tǒng)、語音合成系統(tǒng)、互動式玩具等，具有廣闊的市場前景。6.系統(tǒng)需要的元器件清單 表1 元器件清單序號元器件類型元器件規(guī)格數(shù)量備注1

17、凌陽SPCE061A單片機工作電壓(CPU) VDD為2.43.6V (12溫度傳感器若干3聲音模-數(shù)轉換器14聲控晶體管若干5高智能開關17.參考文獻1 邊肇祺 張學工 模式識別M 北京：清華大學出版社2 何立民 單片機應用技術選編(1)M 北京：北京航空航天大學出版社3 張毅剛單片機原理及應用M北京：高等教育出版社2003年4 吳金戌8051單片機實踐與應用M 北京：清華大學出版社2002年5 張立科 單片機典型模塊設計實例導航M 北京：人民郵電出版社 2004年6 李光飛 單片機C程序設計實例指導M北京：北京航空航天大學出版社2005年7 侯振鵬嵌入式語言程序設計M北京：人民郵電出版社 200年8 戴佳51單片機語言應用程序設計M北京：電子工業(yè)出版社 2006年大慶石油學院課程設計成績評價