基于ATMEGAl28的語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

0 引言

傳統(tǒng)的人機(jī)交互依靠復(fù)雜的鍵盤(pán)或按鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)，隨著科技的發(fā)展，一些新型的人機(jī)交互方式也隨之誕生，帶給人們?nèi)碌捏w驗(yàn)?；谡Z(yǔ)音識(shí)別的人機(jī)交互方式是目前熱門(mén)的技術(shù)之一。但是語(yǔ)音識(shí)別功能算法復(fù)雜、計(jì)算量大，一般在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，即使是嵌入式方面，多數(shù)方案也需要運(yùn)算能力強(qiáng)的ARM或DSP，并且外擴(kuò)RAM、FLASH等資源，增加了硬件成本，這些特點(diǎn)無(wú)疑限制了語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用，尤其是嵌入式領(lǐng)域。

本系統(tǒng)采用的主控MCU為Atmel公司的ATMEGA128，語(yǔ)音識(shí)別功能則采用ICRoute公司的單芯片LD3320。LD3320內(nèi)部集成優(yōu)化過(guò)的語(yǔ)音識(shí)別算法，無(wú)需外部FLASH，RAM資源，可以很好地完成非特定人的語(yǔ)音識(shí)別任務(wù)。

1 整體方案設(shè)計(jì)

1．1 語(yǔ)音識(shí)別原理

在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，語(yǔ)音信號(hào)本身的不確定性、動(dòng)態(tài)性和連續(xù)性是語(yǔ)音識(shí)別的難點(diǎn)。主流的語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)是基于統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別的基本理論，原理如圖1所示。

語(yǔ)音識(shí)別通常需要兩個(gè)階段完成。第一階段是訓(xùn)練，主要是提取語(yǔ)音特征，用戶往往需要進(jìn)行幾次語(yǔ)音訓(xùn)練，經(jīng)過(guò)預(yù)處理和特征提取后獲得相應(yīng)特征參數(shù)。第二階段是識(shí)別，識(shí)別過(guò)程就是將輸入的語(yǔ)音特征參數(shù)和模型庫(kù)中的參數(shù)進(jìn)行相似性比較，最后輸出匹配度最高的特征參數(shù)完成識(shí)別過(guò)程。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件框架如圖2所示，電路主要由主控制器電路和語(yǔ)音識(shí)別電路組成。ATMEGA128控制LD3320語(yǔ)音識(shí)別電路，輸出結(jié)果由ATMEGA128處理，然后通過(guò)總線來(lái)控制不同的設(shè)備。

2．1 控制器電路

控制器選用Atmel公司生產(chǎn)的ATMEGA128芯片，采用先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，內(nèi)置128 KB FLASH，4 KB SRAM，4 KB E2PROM等豐富資源。該芯片是業(yè)界高性能、低功耗的8位微處理器，并在8位單片機(jī)市場(chǎng)有著廣泛應(yīng)用。

2．2 LD3320語(yǔ)音識(shí)別電路

LD3320芯片是一款“語(yǔ)音識(shí)別”專用芯片。該芯片集成了語(yǔ)音識(shí)別處理器和一些外部電路，包括A／D、D／A轉(zhuǎn)換器、麥克風(fēng)接口、聲音輸出接口等，而且可以播放MP3。不需要外接任何的輔助芯片如FLASH，RAM等，直接集成到產(chǎn)品中即可以實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別、聲控、人機(jī)對(duì)話功能。

圖3為L(zhǎng)D3320電路原理圖，與MCU通信采用SPI總線方式，時(shí)鐘不能超過(guò)1．5MHz。

麥克風(fēng)工作電路如圖4所示，音頻輸出只需將揚(yáng)聲器連接到SPOP和SPON即可。使用SPI總線方式時(shí)，LD3320的MD要設(shè)為高電平，SPIS設(shè)為低電平。SPI總線的引腳有SDI，SDO，SDCK以及SCS。INTB為中斷端口，當(dāng)有識(shí)別結(jié)果或MP3數(shù)據(jù)不足時(shí)，會(huì)觸發(fā)中斷，通知MCU處理。RSTB引腳是LD3320復(fù)位端，低電平有效。LED1，LED2作為上電指示燈。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要有兩部分，分別為移植LD3320官方代碼和編寫(xiě)語(yǔ)音識(shí)別應(yīng)用程序。

3．1 移植LD3320源代碼
LD3320源代碼是基于51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的，SPI部分采用的是軟件模擬方式，但在播放MP3數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)有停頓現(xiàn)象，原因是51單片機(jī)主頻較低，導(dǎo)致SPI速率很慢，不能及時(shí)更新MP3數(shù)據(jù)。移植到ATMEGA128需要修改底層寄存器讀寫(xiě)函數(shù)、中斷函數(shù)等。底層驅(qū)動(dòng)在Reg_RW．c文件中，首先在Reg_RW．h使用HARD_PARA_PORT宏定義，以支持硬件SPI。然后在Reg_RW．c文件中找到HARD_PARA_PORT對(duì)應(yīng)條件宏的代碼段，保留AVR的SPI接口代碼。

3．2 應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)
在代碼中預(yù)先設(shè)定幾個(gè)單詞：“你好”，“播放音樂(lè)”，“打開(kāi)”。當(dāng)用戶說(shuō)“播放音樂(lè)”時(shí)，MCU控制LD3320播放一段音樂(lè)，如果是其他詞語(yǔ)，則在串口中打印識(shí)別結(jié)果，然后再次轉(zhuǎn)換到語(yǔ)音識(shí)別狀態(tài)。

3．2．1 MP3播放代碼
LD3320支持MP3數(shù)據(jù)播放，播放聲音的操作順序?yàn)椋?br />
通用初始化→MP3播放用初始化→調(diào)節(jié)播放音量→開(kāi)始播放。

將MP3數(shù)據(jù)順序放入數(shù)據(jù)寄存器，芯片播放完一定數(shù)量的數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)發(fā)出中斷請(qǐng)求，在中斷函數(shù)中連續(xù)送入聲音數(shù)據(jù)，直到聲音數(shù)據(jù)結(jié)束。MP3播放函數(shù)實(shí)現(xiàn)代碼如下：

由于MCU容量限制，選取測(cè)試的MP3文件不能太大。首先在計(jì)算機(jī)上將MP3文件的二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為標(biāo)準(zhǔn)C數(shù)組格式文件，然后將該文件加入工程中。源代碼中MP3文件存儲(chǔ)在外擴(kuò)的SPI FLASH中，工程中需要注釋和移除全部相關(guān)代碼。MP3數(shù)據(jù)讀取函數(shù)是LD_ReloadMp3Data()，只需將讀取的SPI FLASH數(shù)據(jù)部分改成以數(shù)組數(shù)據(jù)讀取的方式即可。

3．2．2 語(yǔ)音識(shí)別程序
LD3320語(yǔ)音識(shí)別芯片完成的操作順序?yàn)椋和ㄓ贸跏蓟?rarr;ASR初始化→添加關(guān)鍵詞→開(kāi)啟語(yǔ)音識(shí)別。在源代碼中的RunASR()函數(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了上面的過(guò)程，直接調(diào)用即可開(kāi)啟語(yǔ)音識(shí)別功能。

RunASR()函數(shù)代碼如下：

用戶說(shuō)完話后，LD3320通過(guò)打分的方式，將關(guān)鍵詞列表中特征最相似的一個(gè)作為輸出。然后LD3320會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)，此時(shí)MCU跳入中斷函數(shù)讀取C5寄存器的值，該值即為識(shí)別結(jié)果，得到結(jié)果后，用戶可以根據(jù)數(shù)值來(lái)實(shí)現(xiàn)一些功能，比如讀取到1，說(shuō)明是“播放音樂(lè)”，那么可以調(diào)用前面的PlaySound()函數(shù)來(lái)播放音樂(lè)。

語(yǔ)音識(shí)別控制的關(guān)鍵點(diǎn)在于語(yǔ)音識(shí)別的準(zhǔn)確率。表1給出了測(cè)試結(jié)果，當(dāng)然也可以在識(shí)別列表中加入更多的關(guān)鍵詞來(lái)做測(cè)試。通過(guò)測(cè)試結(jié)果可以看出，LD3320的識(shí)別率在95％上，能夠滿足用戶需求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文討論了基于AVR單片機(jī)的語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性，并給出了設(shè)計(jì)方案。通過(guò)多次測(cè)試結(jié)果表明，本系統(tǒng)具有電路運(yùn)行穩(wěn)定，語(yǔ)音識(shí)別率高，成本低等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)借助于LD3320的MP3播放功能，該系統(tǒng)具有一定的交互性和娛樂(lè)性。移植性方面，系統(tǒng)通過(guò)簡(jiǎn)單的修改，可以很方便地將LD3320驅(qū)動(dòng)程序移植到各種嵌入式系統(tǒng)中。隨著人們對(duì)人工智能功能的需求，語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)將越來(lái)越受到人們的關(guān)注，相信不久的將來(lái)，語(yǔ)音識(shí)別將會(huì)擁有更廣闊的應(yīng)用。