【文章內容簡介】 是一個雙重隨機過程，語音信號本身是一個可觀測的時變序列，是由大腦根據(jù)語法知識和言語需要 (不可觀測的狀態(tài) )發(fā)出的音素的參數(shù)流。 HMM 合理地模仿了這一過程，很好地描述了語音信號的整體非平穩(wěn)性和局部平穩(wěn)性，是較為理想的一種語音模型。 (Artificial Neural Networks， ANN) 人工神經元網絡在語音識別中的應用是目前研究的又一熱點。 ANN 實際上是一個超大規(guī)模非線性連續(xù)時間自適應信 息處理系統(tǒng)，它模擬了人類神經元活動的原理，最主要的特征為連續(xù)時間非線性動力學、網絡的全局作用、大規(guī)模并行分江蘇海事職業(yè)技術學院 2020 屆?？粕厴I(yè)設計（論文） 12 布處理及高度的穩(wěn)健性和學習聯(lián)想能力。這些能力是 HMM 模型不具備的。但 ANN又不具有 HMM 模型的動態(tài)時間歸正性能。因此，人們嘗試研究基于 HMM 和 ANN的混合模型，把兩者的優(yōu)點有機結合起來，這也是目前研究的一個熱點。 江蘇海事職業(yè)技術學院 2020 屆?？粕厴I(yè)設計（論文） 13 第 4 章 語音識別系統(tǒng)硬件 設計 語音識別系統(tǒng)在硬件方面 一共包括三大部分： 凌陽 61 開發(fā)板 ， 電機驅動模塊 和 小車 車體 結構。語音智能小車 大部分的功能都是在凌陽 61開發(fā)板上實現(xiàn)的，61開發(fā)板 不僅包 含了 SPCE061A單片機的最小系統(tǒng)還有實現(xiàn)語音識別功能所必須的各種外圍電路 ； 電機驅動模塊采用的全橋驅動電路方案，由 PNP8550和 NPN8050三極管 搭建 的電路 控制小車的運動狀態(tài) ；語音 小車車身采用的是普通的遙控賽車 ，將其中的遙控、接收模塊拆除，僅僅保留車身的機械結構。 小車整體結構見圖 41所示。 圖 41 小車整體結構示意圖 凌陽 61 開發(fā)板簡介 61 開發(fā) 板是 SPCE061A EMU BOARD 的簡稱，是以凌陽 16位單片機 SPCE061A為核心的精簡開發(fā)－仿真－實驗板 （如圖 42 所示） ，大小相當于一張撲克牌，是 臺灣凌陽公司 專為大學生、電子愛好者等進行電子實習、課程設計、畢業(yè)設計、電子制作及電子競賽所設計的，也可作為單片機項目初期研發(fā)使用。 61 板除了具備單片機最小系統(tǒng)電路外，還包括有電源電路、音頻電路（含 MIC 輸入部分和DAC 音頻輸出部分）、 下載調試電路 等，采用電池供電（功能分區(qū)見圖 43）。 凌陽 61 開發(fā)板 電機驅動電路 紅外傳感器 車身 江蘇海事職業(yè)技術學院 2020 屆專科生畢業(yè)設計（論文） 14 圖 42 凌陽 61 開發(fā)板實物 圖 43 凌陽 61 板功能分區(qū) 輸入輸出（ I/O）接口電路 61 板將 SPCE061A 的 32 個 I/O 口全部引出： IOA0~IOA15， IOB0~IOB15， 詳見圖 44， 對應的 SPCE061A 引腳為： A口， 41～ 4 5 54～ 60； B口， 5～ 81～ 7 68～ 64。而且該 I/O 口是可編程的，即可以設置為輸入或 輸出。二極管D1 的作用： 降壓， 4 節(jié)電池的最大電壓為 6V， D1 可以有效的降壓； 起到保護作用，能夠有效的保護 61開發(fā)板防止被電源燒壞。 江蘇海事職業(yè)技術學院 2020 屆專科生畢業(yè)設計（論文） 15 圖 44 I/O接口電 路 音頻輸入 電路 正如我們在前面介紹的 “61 板 ” 具有強大的語音處理功能，如圖 45 所示，音頻輸入電路的核心為一個駐極體（見圖 45 中 X1），采集聲音的原理就是聲波使得駐極體內的介質產生振動，其內部的電阻發(fā)生變化， MICN 兩端的信號也隨之發(fā)生變化，通過 SPCE061A 單片機內的信號比較器，就可以采集到聲音信號。凌陽 SPCE061A 單片機的聲音采集頻率為 8KHz，且具有自動增益（ AGC）功能。AGC 電路詳見圖 45。 圖 45 MIC錄入及 AGC電路 在圖 45 中，采集聲音電路 的電源由 SPCE061A 的 VMIC（ 37腳詳見管腳分布圖）供給。 VCM 是聲音信號進行數(shù)模轉換時， ADC 參考電壓輸出引腳，接單片機的 34 引腳。 AVSS1 是電路板上的模擬地。 MICP 是揚聲器的引腳的正極，連接單片機的 33 腳， MICN 連接揚聲器的負極。 MICOUT 是揚聲器的第一級運放輸出引腳，江蘇海事職業(yè)技術學院 2020 屆專科生畢業(yè)設計（論文） 16 OPI 是揚聲器的第二級運放輸入腳。此外，電路圖中的電容及電阻的作用是濾波和限流，采集聲音時去除噪聲和干擾，提高聲音信號的準確率。 語音放大模塊 凌陽 61 開發(fā)板語音放大電路所用的功率放大芯片為 SPY0030A。 SPY0030A能在較寬的電壓范圍內正常工作， — 都能正常工作，雙端輸出模式，該芯片具有較低的失真率。在 5V 供電電壓，負載等效電阻為 8Ω 及功率放大器的輸出功率為 500mW 的情況下，其失真率僅為 %。維持該功率放大工作的最低電流僅需 1uA。 圖 46 音頻 放大電路設計 凌陽 SPCE061A 單片機具有兩路 DAC 轉換電路，在凌陽 61 板上采用的是 DAC1轉換電路。聲音放大電路采用凌陽公司生產的 SPY0030A 功放芯片來放大語音信號，再外接一個小喇叭即可播放出聲音。其中 VDDH 連接單片機的 I/O 參考電壓，電壓值為 5V，為 SPY0030A 提供電源。 VSS 為數(shù)字地， AVSS2 為模擬地 2。具體見圖 46所示。 電源電路 好的電源設計是系統(tǒng)穩(wěn)定工作的前提條件，特別是在凌陽 61 開發(fā)板這種有數(shù)字、模擬兩部分電路的電路板中，電源部分的設計尤其重要。整個小車模型共有 4 個電源信號，分別為：電池電源， 61 開發(fā)板工作電源、小車驅動電路電源、單片機 I/O 電源。為了提高整個系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，凌陽 61 開發(fā)板上的供電電源采用的是 SPY0029 電源芯片解決方案。電源電路見圖 47 所示 江蘇海事職業(yè)技術學院 2020 屆?？粕厴I(yè)設計（論文） 17 圖 47 電源模塊 61 開發(fā)板的電源從 J10 口接入，見圖 36 所示， “61 板 ” 的內核 SPCE061A電壓要求為 ，而 I/O 端口的電壓可以選擇 也可以選擇 5V。所以，在板子上具有兩種工作電壓： 5V 和 。對應的引腳中 1 36和 7必須為 , 對于 I/O 端口的電壓 5 5 75 可以為 也可以是 5V，這兩種電平的選擇通過跳線 J5 來選擇。 “61 板 ” 的供電電源系統(tǒng)采用用戶多種選擇方式： 供電 用戶可以用 4節(jié)電池來供電， 5V 直流電壓直接通過 SPY0029（相當于一般 穩(wěn)壓器） 穩(wěn)壓到 ，為整個 “61 板 ” 提供了 5V 和 兩種電平的電壓。另外也可以直接外接 5V 的直流穩(wěn)壓源供電， 5V 電壓再通過 SPY0029穩(wěn)壓到 。 供電 用戶可以提供直流 電壓為實驗板進行供電，此時整個板子只有 電壓， I/O 端口電壓此時只有一種選擇。 語音智能小車車體介紹 智能小車車體結構設計 語音智能小車車身以普通遙控玩具小車為基礎，如圖 48 所示為四輪結構。前面兩個輪子為轉向輪負責為小車提供轉向的動力。由 前輪電機控制，在連桿和支點作用下控制前輪左 右擺動，來調節(jié)小車的前進方向。在自然狀態(tài)下，前輪在彈簧作用下保持中間位置 。后面兩個輪子為動力輪負責為小車提供動力源， 后面兩個車輪由后輪電機驅動，為整個小車提供動力 ，如圖 49 所示 。 江蘇海事職業(yè)技術學院 2020 屆專科生畢業(yè)設計（論文） 18 圖 48 車體結構側視圖 圖 49 車體結構俯視圖 小車的行進原理 分析 模型小車共有四種基本運動狀態(tài)，分別為前進、倒車、左拐、右拐。 ：由小車的結構分析，在自然狀態(tài)下，前輪在彈簧作用下保持中間狀態(tài)，這是只要后輪電機正轉小車就會前進。如圖 410 所示； ：倒車動作和前進動作剛好相反，前輪電機仍然保持中間狀態(tài)，后輪電機反轉，小車就會向后運動，如圖 411 所示； ：前輪電機逆時針旋轉（規(guī)定為正轉），后輪電機正轉，這時小車就會在前后輪共同作用下朝左側前進，如圖 412 所示； 拐 ：前輪電機反轉，后輪電機正轉，這時小車就是會在前后輪共同作用下朝右側前進，如圖 413 所示 江蘇海事職業(yè)技術學院 2020 屆專科生畢業(yè)設計（論文） 19 圖 410 小車前進原理圖 圖 411 小車后退原理圖 圖 412 小車左拐原理圖 圖 413 小車右拐原理圖 直流 電 機 驅動電 路 設計 通過研究小車機械結構我們實現(xiàn)小車的行進狀態(tài)的核心是實現(xiàn)對它的方向電機和動力電機的有效控制。本設計的兩個電機均為直流電機且基于現(xiàn)有的小車車體結構，只需對電機實現(xiàn)簡單的正反轉控制即可實現(xiàn)對小車行進狀態(tài)的控制。本設計采用三極管搭建的全橋電路實現(xiàn)對電機的驅動。 全橋驅動電路原理 全橋驅動又稱 H橋驅動 ， H 橋一共有四個臂，分別為 B1— B4 ，每個 臂由一個開關控制，示例中為三極管 Q1— Q4 。 如果讓 Q Q2 導通 Q Q4 關斷，如圖 414 所示，此時電流將會流經 Q負載、 Q2組成的回路，電機正轉。 江蘇海事職業(yè)技術學院 2020 屆專科生畢業(yè)設計（論文） 20 圖 414 圖 415 圖 416 圖 417 如果讓 Q Q2 關斷 Q Q4 導通，如圖 415 所示，此時電流將會流經 Q負載、 Q4 組成的回路，電機反轉。 如果讓 Q Q2 關斷 Q Q4 也關斷，負載 Load 兩端懸空，如圖 416 所示，此時電機停轉。這樣就實現(xiàn)了電機的正轉、反轉、停止三態(tài)控制。 如果讓 Q Q2 導通 Q Q4 也導通，那么電流將會流經 Q Q4組成的回路以及 Q2 和 Q3 組成的回路，如圖 417 所示，這時橋臂上會出現(xiàn)很大的短路電流。在實際應用時注意避免出現(xiàn)橋臂短路的情況，這會給電路帶來很大的危害，嚴重的會燒毀電路。 前后輪 電機驅動設計 動力驅動由后輪驅動實現(xiàn)，負責小車的 直線方向運動，包括前進和后退，后輪驅動電路是一個全橋驅動電路，如圖 418所示： Q Q Q Q4四個三極管組成四個橋臂， Q1 和 Q4 組成一組， Q2 和 Q3 組成一組， Q5 控制 Q Q3 的導通與關斷， Q6 控制 Q1 和 Q4 的導通與關斷，而 Q Q6 由 IOB7 和 IOB6 控制，這江蘇海事職業(yè)技術學院 2020 屆?？粕厴I(yè)設計（論文） 21 樣就可以通過 IOB7 和 IOB6 控制四個橋臂的導通與關斷控制后輪電機的運行狀態(tài)，使之正轉反轉或者停轉，進而控制小車的前進和后退。 IOB7 和 IOB6 不能同時置高電平，這樣會造成后輪驅動全橋短路現(xiàn)象。 圖 418 動力電機驅動電路設計 至于前輪轉向電機，其電路和驅動電機的電路是一樣的 ，如圖 419 所示。只是其控制端口為 IOB IOB5，且在 IOB4 和 IOB5 都為低電平時， 前輪 在彈簧的作用下保持在中間位置，所以通過控制 IOB IOB5以及 IOB IOB7 端口的狀態(tài)組合就可以得到小車不同的運動方式。 圖 419 轉向電機驅動設計 結合以上對前輪和后輪的狀態(tài)分析，得到小車的運行狀態(tài)與輸入的對照表，如表 31 所示： 江蘇海事職業(yè)技術學院 2020 屆?？粕厴I(yè)設計（論文） 22 表 41 輸入與小車運動狀態(tài)對照表 IOB7 IOB6 IOB5 IOB4 后電機 前電機 小車狀態(tài) 0 0 0 0 停轉 停轉 停 0 1 0 0 正轉 停轉 前進 1 0 0 0 反轉 停轉 倒退 0 1 0 1 正轉 正轉 左前進 0 1 1 0 正轉 反轉 右前進 1 0 0 1 反轉 正轉 左 后退 1 0 1 0 反轉 反轉 右 后退 1 1 * * 停轉 * 禁止 * * 1 1 * 停轉 * 紅外避障模塊設計 導盲智能小車在工作過程中要求不僅能夠根據(jù)使用者的相關語音指令執(zhí)行動作同時也要及時的避開障礙物并發(fā)出相關提示 聲。 為了確定障礙物， 在小車上必須安裝避障傳感器進行 簡易 避障 ， 一般障礙檢測傳感器的選擇有兩種： 紅外避障傳