以SPCE061A單片機(jī)為主控制器的語音控制家用電器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言

隨著科技的發(fā)展和人們生活水平的提高，人們對居住環(huán)境方便快捷的要求越來越高，智能家居系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。智能家居是現(xiàn)代電子技術(shù)、通訊技術(shù)及自動化技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它能夠?qū)崿F(xiàn)對家電設(shè)備的自動控制和管理、對家庭的安全進(jìn)行監(jiān)測報警，能夠?yàn)橛脩籼峁┌踩孢m、高效便利的生活環(huán)境。本文結(jié)合語音識別技術(shù)，利用SPCE061A 豐富的語音處理功能，在已有的電力線和電話線的基礎(chǔ)上， 設(shè)計(jì)了一套智能家居系統(tǒng)， 該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、功能完善并且具有較高的性價比。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)主要由主控制器、分控制器（89C51）、電話接口和電力線載波通信等幾部分組成。本系統(tǒng)使用了大量的硬件電路來完成部分功能模塊，其目的就是充分利用硬件電路的可靠性和穩(wěn)定性以使系統(tǒng)達(dá)到較高的性能。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

本系統(tǒng)主要完成遠(yuǎn)程控制家用電器和自動報警兩個功能， 下面我們簡要介紹一下系統(tǒng)的工作過程：

當(dāng)用戶通過遠(yuǎn)方任何一部電話撥打家中的電話時，系統(tǒng)檢測到電話線上出現(xiàn)的振鈴信號并開始計(jì)數(shù)。如果五次振鈴無人接聽， 主控制器則發(fā)出摘機(jī)信號， 實(shí)現(xiàn)模擬摘機(jī)，并播放語音提示。用戶根據(jù)語音提示輸入密碼，DTMF 電路將接收到的DTMF 信號進(jìn)行解碼，并將解碼后的數(shù)字信號送入CPU 驗(yàn)證密碼是否正確， 三次輸入密碼錯誤則系統(tǒng)自動掛機(jī)。如果密碼正確，則進(jìn)一步提示用戶輸入控制命令，這時用戶可以通過按鍵或者直接用口令對家用電器進(jìn)行控制。

如果采用口令來控制，則口令經(jīng)電話線，以及電話接口的語音通道進(jìn)入，SPCE061A 單片機(jī)則將采集到的話音與預(yù)先存儲的模板進(jìn)行比較，進(jìn)行語音識別并判斷出用戶的指令，然后發(fā)送相應(yīng)的控制信號?？刂菩盘柋凰腿腚娏€調(diào)制解調(diào)器調(diào)制后，通過電力線接口電路耦合到電力線上進(jìn)行傳輸，控制信息也就以廣播形式發(fā)送出去。

由電力線傳送的被調(diào)制信號由分控制器系統(tǒng)的電力線接口電路接收并被送入ST7537 進(jìn)行解調(diào)，解調(diào)后的信號被送入分控制器。每個分控制器都有自己的固定地址，分控器讀取解碼后的地址信息，并判斷與自己的固有地址是否一致，若一致則接收數(shù)據(jù)信息并執(zhí)行相應(yīng)的操作，從而實(shí)現(xiàn)了對相應(yīng)家電的控制。操作完成后，分控制器向主控制器發(fā)回確認(rèn)信息，再由主控制器控制語音提示電路發(fā)出操作完成或失敗的語音提示，通知電話遙控者。

如果采用按鍵控制，用戶發(fā)出的按鍵信號（DTMF）經(jīng)解碼后送入CPU，CPU 接收到信號后從中分析出地址信息和控制信息并發(fā)出控制信號?？刂菩盘柦?jīng)ST7537 調(diào)制后通過電力線傳輸?shù)椒挚刂破?，由分控制器?zhí)行相應(yīng)的操作。

當(dāng)傳感器檢測到警情時， 就會發(fā)出報警信號， 分控制器接收到報警信號， 則將報警信號耦合到電力線上。

中心控制器接收到報警信號后則自動撥打用戶預(yù)先設(shè)置的電話號碼， 電話接通后延遲兩秒， 系統(tǒng)自動播放語音報警信息。

3 SPCE061A 芯片特性簡介

SPCE061A 是一款基于μ ‘nSP 內(nèi)核的16 位單片機(jī)，其芯片特性如下：

1.工作電壓：內(nèi)核工作電壓VDD 為3.0-3.6V（CPU），I/O 口工作電壓VDDH 為2.4～5.5V（I/O）；2. CPU 時鐘：0.32MHz～49.152MHz;3. 內(nèi)置 2K 字SRAM 和32K 閃存ROM;4. 系統(tǒng)處于備用狀態(tài)下（時鐘處于停止?fàn)顟B(tài)），耗電小于2 μ A@3.6V;5 。 具備觸鍵喚醒的功能；6 。 3 2 位通用可編程輸入/ 輸出端口；7 。 2 個1 6 位可編程定時器/ 計(jì)數(shù)器（ 可自動預(yù)置初始計(jì)數(shù)值） ;8. 7 通道10 位電壓模- 數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和單通道聲音模- 數(shù)轉(zhuǎn)換器；9. 2 個10 位DAC（數(shù)- 模轉(zhuǎn)換）輸出通道；10.14 個中斷源可來自定時器A/B，時基，2 個外部時鐘源輸入， 鍵喚醒；1 1. 具備串行設(shè)備接口；12. 低電壓復(fù)位（LVR）功能和低電壓監(jiān)測（LVD）功能；13. 內(nèi)置在線仿真（ICE，In-Circuit Emulator）接口。

SPCE061A 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

4 語音識別技術(shù)簡介

語音識別技術(shù)就是一種讓機(jī)器通過識別和理解過程把語音信號轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的文本或命令的技術(shù)。機(jī)器對語音進(jìn)行識別、處理的過程與人對語音進(jìn)行識別、處理的過程基本上是一致的。目前主流的語音識別技術(shù)是基于統(tǒng)計(jì)模式識別的基本理論。一個完整的語音識別系統(tǒng)可大致分為語音特征提取、聲學(xué)模型與模式匹配（識別算法）和語義理解三部分。其基本原理如下圖所示。

從圖中我們可以看出語音識別一般分為兩個步驟：

第一步是系統(tǒng)“學(xué)習(xí)”或“訓(xùn)練”階段，這一個階段的任務(wù)是建立識別基本單元的聲學(xué)模型以及進(jìn)行文法分析的語言模型， 即構(gòu)建參考模式庫。第二步是“識別”或“測試”階段，根據(jù)識別系統(tǒng)的類型選擇能夠滿足要求的識別方法，采用語音分析方法分析出這種識別方法所要求的語音特征參數(shù)，按照一定的準(zhǔn)則和測度與參考模式庫中的模型進(jìn)行比較， 通過判決得出結(jié)果。

在本應(yīng)用中，語音識別技術(shù)方面采用凌陽SPCE061A作為關(guān)鍵器件，同時凌陽公司提供bsrv222SDL.lib 庫函數(shù)支持，在使用時通過調(diào)用庫函數(shù)里相關(guān)的API 函數(shù)來實(shí)現(xiàn)所要求的功能。

5 主要硬件模塊設(shè)計(jì)

下面主要對主控制器和語音提示電路作介紹。

5.1 主控制器

系統(tǒng)主控制器主要由MIC 輸入模塊、控制模塊、存儲模塊、功放和喇叭輸出模塊四部分組成，其結(jié)構(gòu)如下。

（1） 控制單元與語音識別：由SPCE061A 單片機(jī)完成。

（2） MIC 輸入模塊：SPCE061A 的A/D 轉(zhuǎn)換器有8個通道，其中有一個通道是MIC_IN 輸入，專門對語音信號進(jìn)行采樣。選用駐極體話筒，其偏壓由SPCE061A 的VMIC 腳提供。該模塊電路比較簡單，只需外接三個電阻和電容對電流信號進(jìn)行濾波就可以了。

（3） 功放和喇叭輸出模塊：SPCE061A 提供雙通道10 位的D/A 輸出AUD1、AUD2，每個通道的輸出能力是30mA。為了能驅(qū)動揚(yáng)聲器放音，我們將輸出電路設(shè)計(jì)為由負(fù)載電阻和三極管8050 組成的功放電路。

（4） 存儲模塊：由于芯片內(nèi)置的存儲空間有限，為了運(yùn)行復(fù)雜的識別程序，必須通過擴(kuò)展必要的存儲芯片來完成系統(tǒng)的功能。在本系統(tǒng)中我們采用SPBA01B 和W29C040 來對SPCE061A 進(jìn)行Memory 擴(kuò)展。

5.2 語音提示單元

本系統(tǒng)主要由語音識別電路和語音提示電路來完成人機(jī)交互，其中語音提示電路的電路原理圖如圖4 所示。

圖4 語音提示電路

數(shù)碼語音芯片選用的是單片語音錄放集成電路ISD25120，它具有抗斷電、音質(zhì)好、使用方便、無需專用的開發(fā)系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)。錄音時間為120s，能重復(fù)錄放達(dá)10 萬次。芯片采用多電平直接模擬量存儲專利技術(shù)，省去了A/D、D/A 轉(zhuǎn)換器。每個采樣值直接存儲在片內(nèi)單個存儲單元中， 因此能夠非常真實(shí)、自然地再現(xiàn)語音、音樂、音調(diào)和效果聲。

SPCE061A的IOA11~IOA15 與ISD25120 的地址線相連，用以設(shè)置語音段的起始地址。IOB11 和IOB13 用以控制錄放音狀態(tài)。IOB12 連接一按鍵，供錄放音測試時使用。ANA IN 與ANA OUT 是模擬信號的輸入端和輸出端，它們之間連接耦合電容，通常取值為0.22~1uF。

語音信號由SP+ 和SP- 端經(jīng)耦合器耦合到電話線或由揚(yáng)聲器直接播放。錄音時，單片機(jī)通過口線設(shè)置語音段的起始地址，再使端PD 端和P/ R 端和CE 為低電平啟動錄音。結(jié)束時，單片機(jī)又讓CE 端回到高電平，即完成一段語音的錄制。放音時，根據(jù)需要播放的語音內(nèi)容，找到相應(yīng)的語音段起始地址，并通過口線送出。再將P/ R端設(shè)為高電平， PD 端設(shè)為低電平，并讓CE 端產(chǎn)生一負(fù)脈沖啟動放音，這時單片機(jī)只需等待ISD25120 的信息結(jié)束信號，即低電平EOM 的產(chǎn)生。結(jié)束信號為一負(fù)脈沖，在負(fù)脈沖的上升沿， 標(biāo)志著該段語音播放結(jié)束。

6 軟件設(shè)計(jì)

6.1 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

軟件的設(shè)計(jì)不僅要考慮到各個模塊實(shí)現(xiàn)的功能，而且要對整個系統(tǒng)進(jìn)行有效的管理和協(xié)調(diào)。在此基礎(chǔ)之上，才能夠從整個系統(tǒng)的角度全面完善地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需要的各項(xiàng)功能。本系統(tǒng)的軟件主要包括一個主程序和四個子程序， 其總體結(jié)構(gòu)如下圖所示。

主程序主要負(fù)責(zé)對整個控制器的工作進(jìn)行管理、協(xié)調(diào)和對子程序的調(diào)用以及對用戶的各種服務(wù)的響應(yīng)。

四個子程序分別是語音識別、DTMF 收發(fā)、語音錄放、信號音檢測四個子程序。限于篇幅，下面只對語音識別子程序的軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。

6.2 語音識別子程序設(shè)計(jì)

語音識別程序設(shè)計(jì)包括三部分： 訓(xùn)練樣本； 識別； 語音提示。

訓(xùn)練過程即提取語音樣本的特征參數(shù)過程主要調(diào)用庫函數(shù)BSR_Train 完成。為了防止誤命令，每條語音命令訓(xùn)練2 遍，只有2 次命令相同時才成功，BSR_Train函數(shù)有8 種可能的返回值， 如： 0 - 訓(xùn)練成功； - 1 - 沒有語音識別技術(shù)方面有bsrv222SDL.lib 庫函數(shù)支持，在使用時通過調(diào)用庫函數(shù)里相關(guān)的API 函數(shù)來實(shí)現(xiàn)所要求的功能。下面給出語音識別的流程圖及具體代碼。

圖7 語音識別流程圖

其中，BSR-GetResult 函數(shù)為啟動辯識，當(dāng)無命令識別出來時，返回0;識別器停止、未初始化或識別未激活返回-1 ;當(dāng)識別不合格時返回-2 ;當(dāng)識別出來時返回命令的序號。部分程序源代碼如下：

7 結(jié)語

本系統(tǒng)主要有以下性能特點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)了語音控制家用電器的啟動和關(guān)閉；實(shí)現(xiàn)雙向的功能：能夠遠(yuǎn)距離控制家用電器，又能快速及時地傳送報警信息；設(shè)計(jì)簡單，系統(tǒng)組織靈活，控制范圍可大可小，利用已有電力線和電話布置設(shè)施成本低，且不受供電范圍和距離的限制；使用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)語音識別控制功能，提高了系統(tǒng)的性價比。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對物質(zhì)文化需求的日益增長，智能家居系統(tǒng)必將受到人們的青睞，相信這種功能強(qiáng)大的單片機(jī)系統(tǒng)會有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。