基于SPCE061A的語音遙控器

1、濱州學(xué)院 課 程 設(shè) 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(xué)生姓名 李倩 學(xué)生學(xué)號 指導(dǎo)教師 劉寶民 濱州學(xué)院課程設(shè)計任務(wù)書題目 基于SPCE061A的語音遙控器 專業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè) 姓名 李倩 學(xué)號 主要內(nèi)容：設(shè)計一個基于SPCE061A的語音遙控器，利用SPCE061A技術(shù)，紅外識別以及MIC鍵盤輸入技術(shù).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(zhuǎn)換器和單通道聲音模-數(shù)轉(zhuǎn)換器；·聲音模-數(shù)轉(zhuǎn)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(fù)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(xué)工 模式識別M 北京：清華大學(xué)出版社2 何立民 單片機應(yīng)用技術(shù)選編(1)M 北京：北京航空航天大學(xué)出版社 完成期限 2011、6、292011、7、 10 指導(dǎo)教師 劉寶民 專業(yè)負責人 2011年 6 月 29 日目錄1.整體設(shè)計12系統(tǒng)總開發(fā)22.1

3、系統(tǒng)硬件設(shè)計22.2系統(tǒng)軟件設(shè)計32.3系統(tǒng)程序設(shè)計-54.電路的工作原理75.總結(jié)96.系統(tǒng)需要的元器件清單97.參考文獻101.整體設(shè)計設(shè)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(yù)置初始計數(shù)值)；·2個10位DAC(數(shù)-模轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器和單通道聲音模-數(shù)轉(zhuǎn)換器；·聲音模-數(shù)轉(zhuǎn)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(shè)備接口；·具有低電壓復(fù)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(jié)果，利用正常的結(jié)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(jié)構(gòu)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(fù)雜。易受多種因素影響，導(dǎo)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(jié)構(gòu)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(shè)計硬件電路如圖 4.1：圖 4.1硬件電路 硬件上共設(shè)計了13個按鍵，采用4×4的行列式鍵盤，IOB0IOB3設(shè)置成輸入口，IOB4IOB7設(shè)置成輸出口，預(yù)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(jié)構(gòu)簡單、重量輕、體積小、無方向

7、性、頻率響應(yīng)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?？紤]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(jié)構(gòu)。除此之外的其它功能模塊均為可選結(jié)構(gòu)，亦即這種結(jié)構(gòu)可大可小、可有可無。借助這種通用結(jié)構(gòu)附加可選結(jié)構(gòu)的積木式構(gòu)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(yīng)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(shè)計在軟件設(shè)計方面，采用模塊化程序結(jié)構(gòu)，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(yīng)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(wù)程序中進行。 語音播放模塊應(yīng)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(yīng)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(zhì)的不同。SACM_A2000算法的壓縮率相對較小，音質(zhì)較好，相應(yīng)地，占用的資源較多。SACM_S240算法的壓縮率最大，音質(zhì)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(shè)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(wù)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“?！甭?。語音識別電路的基本結(jié)構(gòu)如圖 5.2。圖 5.2音濾除噪音預(yù)加重濾波器組PACRCOR系數(shù)、線性預(yù)測系數(shù)、過零次數(shù)、能量相關(guān)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(xùn)練，對訓(xùn)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(xùn)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(xùn)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(xùn)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(jié)果。凌陽科技公司提供語音樣板訓(xùn)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(jié)果處理其他處理3.電路的工作原理 目前所設(shè)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(zhuǎn)換電路(MIC輸入)

14、和7路用于其它功能的A/D轉(zhuǎn)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(chǔ)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(zhuǎn)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(shè)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(jié) 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(jié)構(gòu)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(yīng)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(zhuǎn)換器14聲控晶體管若干5高智能開關(guān)17.參考文獻1 邊肇祺 張學(xué)工 模式識別M 北京：清華大學(xué)出版社2 何立民 單片機應(yīng)用技術(shù)選編(1)M 北京：北京航空航天大學(xué)出版社3 張毅剛單片機原理及應(yīng)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(yīng)用M 北京：清華大學(xué)出版社2002年5 張立科 單片機典型模塊設(shè)計實例導(dǎo)航M 北京：人民郵電出版社 2004年6 李光飛 單片機C程序設(shè)計實例指導(dǎo)M北京：北京航空航天大學(xué)出版社2005年7 侯振鵬嵌入式語言程序設(shè)計M北京：人民郵電出版社 200年8 戴佳51單片機語言應(yīng)用程序設(shè)計M北京：電子工業(yè)出版社 2006年大慶石油學(xué)院課程設(shè)計成績評價