【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 本課題設(shè)計(jì)語音智能開關(guān)采用了以單片機(jī)為語音智能控制開關(guān)的核心部件件，對(duì)語音芯片LD3320 的信息進(jìn)行處理，并對(duì)開關(guān)進(jìn)行控制，通過 LD3320 外界的麥克風(fēng)采集聲音信號(hào)，再通過LD3320 語音芯片進(jìn)行頻譜分析，在提取語音特征，之后和關(guān)鍵詞語列表中的關(guān)鍵詞進(jìn)行對(duì)比匹配，最后找出得分最高的關(guān)鍵詞作為識(shí)別結(jié)果輸出給單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行處理后，再輸出信號(hào)來控制繼電器，再通過繼電器來控制開關(guān)工作，開關(guān)又可實(shí)現(xiàn)很多對(duì)電器的控制，從而實(shí)現(xiàn)語音智能控制，整個(gè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)合理軟件設(shè)計(jì)可行，測(cè)試可表明，在環(huán)境背景的噪聲不是太大，控制者發(fā)音不模糊的前提下，語音控制開關(guān)的語音語音識(shí)別系統(tǒng)能對(duì)語音指令做出智能反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)想中的功能。陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)第 5 頁 共 56 頁3 硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)硬件系統(tǒng)主要由電源語音識(shí)別系統(tǒng)，復(fù)位電路，單片機(jī)，時(shí)鐘電路組成。通過麥克風(fēng)把語音信號(hào)收集進(jìn)來，進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，并能對(duì)聲音進(jìn)行識(shí)別，控制繼電器輸出實(shí)現(xiàn)電器開關(guān)功能，通過對(duì)聲音指令的識(shí)別，來產(chǎn)生控制信號(hào)，以控制外繼電器的終端，以此來控制外部開關(guān)的動(dòng)作。 單片機(jī)電路設(shè)計(jì) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)STC11L08XE 具有 44 個(gè)引腳，其封裝為 LQF44。的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 所示，包含以下幾個(gè)方面●一個(gè)八位微處理器 CPU●片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM 和特殊功能寄存器 SFR●片內(nèi)程序存儲(chǔ)器 ROM●兩個(gè)定時(shí)/計(jì)時(shí)器 T0,T1，可用作定時(shí)器，也可用作對(duì)外脈沖進(jìn)行● 四個(gè)八位可編程的并行 I/O 端口，每個(gè)端口即可做輸入也可作輸出●一個(gè)串行端口，用做數(shù)據(jù)的串行通信●中斷系統(tǒng)●時(shí)鐘電路時(shí) 鐘 電 路 定 時(shí) / 計(jì) 數(shù) 器R O MS F R 和 R A MC P U系 統(tǒng) 總 線并 行 端 口 串 行 端 口 中 斷 系 統(tǒng)時(shí) 鐘 源T 0 T 1P 0 P 1 P 3P 2 T X DR X DI N T 1I N T 0圖 STC11L08XE 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 引腳描述其引腳功能分別為（1）電源引腳 Vcc 和 GND Vcc 電源端接 + GND 接 1 （2）時(shí)鐘電路引腳 XTAL1 和 XTAL2陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)第 6 頁 共 56 頁XTAL1:接外部晶振和微調(diào)電容的一端，在片內(nèi)它是振蕩器倒向放大器的入端，若使用外部 TTL 時(shí)鐘時(shí)，該引腳必須接地。XTAL2:接外部晶振和微調(diào)電容的另一端，在片內(nèi)它是振蕩器倒向放大器的出端，若使用外部 TTL 時(shí)鐘時(shí)，該引腳為外部時(shí)鐘的輸入端。（3）復(fù)位信號(hào) RST該信號(hào)高電平有效，在輸入端保持兩個(gè)周期的高電平后，完成復(fù)位操作。（4）地址鎖存允許 ALE 系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，ALE 用于控制地址鎖存器鎖存 P0 口輸出的低 8 位地址，從而實(shí)現(xiàn)了 P0 口數(shù)據(jù)與低位地址的復(fù)用（5）最小系統(tǒng)單片機(jī)最小系統(tǒng)包括 CPU、供電系統(tǒng)、時(shí)鐘系統(tǒng)、復(fù)位系統(tǒng)。（6）I/O 口功能STCL1108XE 共有五組 I/O 端口，每組八路，共 40 根 I/O 口線?！鬚0 口。P0 口共 8 根 I/O 口線，分別為：，做一般 I/O 口使用。◆P1 口。P1 口共 8 根 I/O 口線，分別為：，其中 ， 具有復(fù)用功能，具體如表 1 所示。◆P2 口。P2 口共 8 根 I/O 口線，分別為：，做一般 I/O 口使用?！鬚3 口。P3 口共 8 根 I/O 口線，分別為：，每一位都具有復(fù)用功能，具體如表 2 所示?！鬚4 口。P4 口共 8 根 I/O 口線，分別為：，其中 、P4，7 具有復(fù)用功能。具體如表3 所示。表 1 p1 口的復(fù)用功能端口引腳 復(fù)用功能 CLKOUT2：可編程時(shí)鐘輸出引腳 2，利用獨(dú)立波特率發(fā)生器 BRT 的益處作為時(shí)鐘輸出 :擴(kuò)展外部中斷觸發(fā)或節(jié)電模式的喚醒引腳，可設(shè)置INT為外部下降沿中斷，并可在停機(jī)、省電模式時(shí)，將 MCU喚醒RXD:可設(shè)置為串行口的數(shù)據(jù)接收端，用作第二串口 TDX:可設(shè)置為串行口的數(shù)據(jù)發(fā)送，用做第二串口表 3 P3 口的復(fù)用功能端口引腳 復(fù)用功能 ALE：訪問片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的地址鎖存端沖輸出端 RST：片外復(fù)位信號(hào)輸入端陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)第 7 頁 共 56 頁表 2 P2 口的復(fù)用功能端口引腳 復(fù)用功能 :擴(kuò)展外部中斷觸發(fā)或節(jié)電模式的喚醒引腳，可設(shè)置INT為外部下降沿中斷，并可在停機(jī)、省電模式時(shí)，將 MCU喚醒RXD:可設(shè)置為串行口的數(shù)據(jù)接收端，用作第二串口 TXD：串行口的默認(rèn)數(shù)據(jù)發(fā)送端 :外部中斷 0 中斷請(qǐng)求輸入端I :外部中斷 1 請(qǐng)求輸入端T CLKOUT0:可編程時(shí)鐘輸出引腳 0，利用 T0 的益處作為時(shí)鐘的輸出:擴(kuò)展外部中斷觸發(fā)或節(jié)電模式的喚醒引腳，可設(shè)置IN為外部下降沿中斷，并可在停機(jī)、省電模式時(shí)將 MCU 喚醒 CLKOUT1:可編程時(shí)鐘輸出引腳 1，利用 T1 的益處作為時(shí)鐘的輸出:擴(kuò)展外部中斷觸發(fā)或節(jié)電模式的喚醒引腳，可設(shè)置IT為外部下降沿中斷，并可在停機(jī)、省電模式時(shí)將 MCU 喚醒 :擴(kuò)展外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的寫擴(kuò)展端WR :擴(kuò)展片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的讀控制端D 語音控制部分說明：IO方向: I表示輸入 O表示輸出 AD分類: A表示模擬信號(hào) D表示數(shù)字信號(hào) 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)第 8 頁 共 56 頁 表4 LD3320部分管腳說明管腳標(biāo)號(hào) 管腳名稱 IO 方向 AD 方向 說明31 CLK I D 時(shí)鐘輸入 448MHZ3438 P7P3 I/O D 并行口連接上拉電阻39 P2/SDCK I/O D并行口第 2 位共用 SPI 時(shí)鐘，上拉電阻40 P1/SDO I/O D 并行口第 1 位，公用 SPI 輸出41 P0/SDI I/O D 并行口第 0 位，公用 SPI 輸入42 WRB/SPIS I D寫允許低電平有效，公用 SPI 允許連接上拉電阻43 CSB/SCS I D并行方式片選信號(hào)，公用 SPI 片選信號(hào)連接上拉電阻44 A0 I D地址或數(shù)據(jù)選擇。在 WRB 有效時(shí)，高電平表示 P0P7 是地址，而低電平表示 P0P7 是數(shù)據(jù)45 RDB I D 讀允許低電平有效連接上拉電阻46 MD I D0：并行工作方式 1：串行工作方式連接上拉電阻47 RSTB I D復(fù)位信號(hào)低電平有效連接上拉電阻48 INTB O D中斷輸出信號(hào)低電平有效連接上拉電阻25 根據(jù)電路原理圖連接上拉電阻12 MBS A 麥克風(fēng)偏置18 VREF A 聲音信號(hào)參考電壓陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)第 9 頁 共 56 頁 LD3320是一顆基于非特定人語音識(shí)別(SIASR，Speaker Independent Automatic Speech Recognition)技術(shù)的語音識(shí)別/聲控芯片。 LD3320 芯片是 “語音識(shí)別”專用芯片。芯片包括了語音識(shí)別處理器和一些外部電路，有ADC、DAC 轉(zhuǎn)換器、麥克風(fēng)接口、聲音輸出接口等。LD3320芯片可以不連接任何外部的輔助芯片如Flash、RAM 等，直接集成在自身的產(chǎn)品中就能完成語音識(shí)別/聲控/人機(jī)對(duì)話功能。而且，語音芯片的關(guān)鍵詞語列表能夠被隨意的動(dòng)態(tài)改變的的,本文介紹如何編寫程序?qū)崿F(xiàn)芯片的功能LD3320完成非特定人語音識(shí)別，每次識(shí)別能設(shè)置50項(xiàng)候選句以供識(shí)別參考，單字、詞組或短句都可以作為識(shí)別的句子，每個(gè)是別句的長(zhǎng)度應(yīng)該少于10個(gè)漢字或79個(gè)字節(jié)的拼音串。另外，識(shí)別句內(nèi)容是能隨意動(dòng)態(tài)編輯修改的，所以一個(gè)系統(tǒng)能完成多種場(chǎng)景。芯用片采用48腳QFN塑料封裝。芯片的主旨就是是語音識(shí)別運(yùn)算器，加上輸入、輸出、AD/DA轉(zhuǎn)換等模塊，完成語音識(shí)別的功能。LD3320還支持并行和串行接口與其他模塊的連接。 LD3320內(nèi)部集成了快速穩(wěn)定的優(yōu)化算法，因此不需要外接Flash和RAM等存儲(chǔ)設(shè)備，并且也不需要用戶事先經(jīng)過語音訓(xùn)練和錄音來完成非特定的語音識(shí)別，所以LD3320的識(shí)別率比較高，也比較穩(wěn)定。M B SV R E FM U XA D CD A CMUXD A CMUXC l o c kP L L語音識(shí)別運(yùn)算器并行和串行 （ S P I ） 接口輸入電源H P O LL O U T LE Q 1E Q 2E Q 3L O U T RV D D V D D I OV D D AP 0 P 7控 制 信 號(hào)圖 LD3320 內(nèi)部電路的邏輯框圖時(shí)鐘（Clock）芯片必須連接外部時(shí)鐘，可接受的頻率范圍是 2—34MHz,而芯片內(nèi)部還有 PLL頻率合成器，可產(chǎn)生特定的頻率供內(nèi)部模塊使用。對(duì)芯片的復(fù)位信號(hào)（RSTB*）必須在VDD/VDDA/VDDIO 都穩(wěn)定后進(jìn)行,無論芯片正在進(jìn)行何種運(yùn)算，復(fù)位信號(hào)都可以使它恢復(fù)初始狀態(tài)，并使各寄存器復(fù)位。如果沒有后續(xù)的指令（對(duì)寄存器的設(shè)置），復(fù)位后芯片將進(jìn)入休眠狀態(tài)。此后，一個(gè) CSB*信號(hào)就可以重新激活芯片進(jìn)入工作狀態(tài)。并行芯片可通過并行方式和外部主 CPU 連接，此時(shí)使用 8 根數(shù)據(jù)線（P0P7），4 個(gè)控制信號(hào)（WRB*, RDB*, CS*， A0）， 以及一個(gè)中斷返回信號(hào)（INTB*）。串行接口通過 SPI 協(xié)議和外部主 CPU 連接，首先要將 MD 接高電平，而將（SPIS*）接地。此時(shí)只使用 4 個(gè)管腳：片選（SCS*）、SPI 時(shí)鐘（SDCK）、SPI 輸入(SDI)和 SPI 輸出（SDO）。 寄存器對(duì)芯片的設(shè)置和命令，包括傳送數(shù)據(jù)和接受數(shù)據(jù)，都是通過對(duì)寄存器控制來完成的。例如進(jìn)行語音識(shí)別時(shí)，設(shè)置識(shí)別的關(guān)鍵詞語列表，設(shè)定芯片的識(shí)別模式，識(shí)別完成后獲得識(shí)別結(jié)果都是通過讀/寫寄存器來完成。播放聲音時(shí)，就是將 MP3 格式的數(shù)據(jù)循環(huán)放入 FIFO 對(duì)應(yīng)的寄存陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)第 10 頁 共 56 頁器。（識(shí)別結(jié)果是通過寄存器返回識(shí)別出的關(guān)鍵詞語在關(guān)鍵詞語列表中的排列序號(hào) Index 數(shù)值，該Index 數(shù)值是在設(shè)置關(guān)鍵詞語列表時(shí)指定）喇叭音量的外部控制除了特定寄存器來控制音量以外，芯片外部的電路可以控制喇叭的音量增益。使用的是 EPEPEP3 對(duì)應(yīng)的管腳。 此次設(shè)計(jì)的語音識(shí)別中，LD3320 與 STC11L08XE 直接相連，而且采用 10K 電阻上拉，A0 用來判斷是數(shù)據(jù)段還是地址段，控制信號(hào) RDB、WRB、CSB、RSTB 以及中斷返回信號(hào) INTB 與 STC11L08XE 直接相連，為了輔助系統(tǒng)穩(wěn)定工作，均采用 10K 電阻上拉。LD3320 和 STC11L08XE 采用同一個(gè)外部 時(shí)鐘，MBS 作為麥克風(fēng)偏置，并接一個(gè) RC 電路，以保證輸出一個(gè)浮動(dòng)電壓給麥克風(fēng)。 LD3320 內(nèi)部語音識(shí)別的原理是先通過 MIC 輸入的聲音信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，其次提取語音特征，通過以上兩步將得到語音的特征信息，第三步是將關(guān)鍵詞列表中的數(shù)據(jù)與特征信息進(jìn)行匹配，最終找出得分最高的關(guān)鍵詞作為識(shí)別結(jié)果輸出，具體過程如圖 所示：M I C頻譜分析 特征提取 語音識(shí)別器關(guān)鍵詞列表拼音串 M C UL D 3 3 2 0 芯片圖 LD3320 語音識(shí)別原理圖 一個(gè)微控制器MCU和LD3320組成了LD3320的基本應(yīng)用電路，電路中的主控芯片單片機(jī)，是為了完成對(duì)LD3320芯片寄存器的操作。對(duì)于LD3320芯片的所有操作，都是通過對(duì)寄存器的控制來完成。例如設(shè)置標(biāo)志位、讀取狀態(tài)、向FIFO寫入數(shù)據(jù)、識(shí)別完成后獲取識(shí)別結(jié)果等。比如在編輯關(guān)鍵詞的時(shí)候，是單片機(jī)通過把關(guān)鍵詞語的拼音串設(shè)置進(jìn)LD3320有關(guān)寄存器來完成關(guān)鍵字編輯的。 LD3320的寄存器大概分為這幾類：FIFO數(shù)據(jù)緩存器、語音識(shí)別控制寄存器、音量調(diào)節(jié)、模擬電路和其他輔助寄存器。寄存器的讀寫方式有兩種方式，即串行SPI方式和標(biāo)準(zhǔn)并行方式。LD3320地址寄存器的地址空間為8位，編號(hào)從00HFFH。 我們將演示程序全部燒錄在MCU內(nèi)置的Flash中，主控MCU直接控制LD3320完成所有語音識(shí)別工作。 電源部分主要由21K電阻， 10uF電容，陶瓷電容，和電源指示燈，將5v電源轉(zhuǎn)換成LD3320需要。音頻的輸入和輸出可以使用駐極體 。語音識(shí)別完成后，為了完成對(duì)后續(xù)電路的驅(qū)動(dòng)，可以利用MCU的串行口與其他模塊進(jìn)行連接。 MCU的P0端口的8根線和LD3320的并行方式連接，控制線也分別連接，此外還要連接復(fù)位信號(hào)和中斷信號(hào)。對(duì)于LD3320來說，復(fù)位信號(hào) (RSTB)通過單片機(jī)發(fā)出，不過中斷信號(hào)通過LD3320發(fā)出，再由的單片機(jī)來負(fù)責(zé)接收。陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)第 11 頁 共 56 頁 在振蕩器工作時(shí)，在 RST 引腳上出現(xiàn)多個(gè)時(shí)鐘周期的高電平使單片機(jī)復(fù)位。根據(jù)設(shè)計(jì)的的要求，兩種基本形式的復(fù)位操作：上電復(fù)位和上按鍵與上電復(fù)位。上電復(fù)位就是在接通電源后自動(dòng)完成復(fù)位操作。如下圖所示電容 C1 和電阻 R1 對(duì)電源十 5V 來說構(gòu)成微分電路。上電后，RST 維持一段高電平時(shí)間，因?yàn)閱纹瑱C(jī)內(nèi)的等效電阻的影響，圖中電阻 R1 不使用，也可以有上電復(fù)位的操作能力，如下圖 所示。 圖 復(fù)位電路 在電源接通后單片機(jī)就可以自動(dòng)復(fù)位，而且在單片機(jī)運(yùn)行的時(shí)候使用開關(guān)控制也