1引言

機(jī)器人聲控系統(tǒng)的研究一直是機(jī)器人研究的主要內(nèi)容之一。傳統(tǒng)的聲音控制系統(tǒng)一般采用PC機(jī)作為核心平臺(tái)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制，雖然其具有處理能力強(qiáng)大、語(yǔ)音庫(kù)完備、系統(tǒng)更新能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但是PC機(jī)體積大，功耗大，成本高，不適合于中、小型機(jī)器人使用。本文以SPCE061A為核心，設(shè)計(jì)了一套機(jī)器人聲控系統(tǒng)，和傳統(tǒng)的PC機(jī)聲控系統(tǒng)相比較，具有成本低、體積小、耗能低和使用靈活方便等特點(diǎn)。

本系統(tǒng)采用的機(jī)器人平臺(tái)是北京博創(chuàng)興盛機(jī)器人技術(shù)有限公司提供的VoyagerII型地面移動(dòng)機(jī)器人，該機(jī)器人采用了模塊化的設(shè)計(jì)理念，高負(fù)載能力的直流伺服控制，可選配聲納、紅外、視覺(jué)、羅盤(pán)、GPS等傳感器和機(jī)械手等執(zhí)行器。完全可以滿足聲控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分，下面首先介紹一下系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。

2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

根據(jù)機(jī)器人平臺(tái)情況，聲控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要由微處理器單元、供電單元、聲音采集單元和串口輸出單元四部分組成，如圖1所示：

2.1微處理器單元

本系統(tǒng)采用凌陽(yáng)公司的16位單片機(jī)SPCE061A作為核心控制芯片，內(nèi)置32K閃存，其較高的處理速度能使芯片非常快速的處理復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)，適用于語(yǔ)音識(shí)別等應(yīng)用領(lǐng)域。

SPCF061A的工作頻率范圍為0.32-49.152MHz.具備8通道10位ADC輸入功能，內(nèi)置了具有自動(dòng)增益控制的麥克風(fēng)輸入功能。雙通道10位DAC音頻輸出功能及A、B兩個(gè)I/0口輸入輸出功能。具有集成度高、性能可靠、價(jià)格低廉、功耗小等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)充分體現(xiàn)了微控制器工業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)。目前，凌陽(yáng)單片機(jī)SPCE061A的應(yīng)用越來(lái)越廣，深受廣大用戶的歡迎。

2.2聲音采集單元

聲音采集單元的換能器采用駐極體話筒，通過(guò)話筒將采集到的聲音信號(hào)通過(guò)MIC_IN通道傳送給CPU，MIC_IN通道專門(mén)用于對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行采樣。語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)MIC轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由電容將其中的直流成分濾除，然后輸入到集成在SPCE061A內(nèi)部的前置放大器中。SPCE061A的內(nèi)部增益控制電路AGC能隨時(shí)跟蹤、監(jiān)視前置放大器輸出的音頻信號(hào)的電平，當(dāng)輸入信號(hào)過(guò)大時(shí)，自動(dòng)減小放大器增益；當(dāng)輸入信號(hào)減小時(shí)，自動(dòng)增大放大器增益。這樣即可以使A/D轉(zhuǎn)換器接收到的信號(hào)一直保持在最佳電平，又可以使聲音損失減至最少，從而提高語(yǔ)音識(shí)別的精度。

2.3外接供電單元

外接供電單元是聲控系統(tǒng)的選配單元，由于聲控系統(tǒng)的能耗很低，可以外接3個(gè)1.5V電池，作為外接供電單元給系統(tǒng)供電。在沒(méi)有選配外接供電單元時(shí)，也可以直接使用VoyagerII型地面移動(dòng)機(jī)器人的蓄電池為關(guān)濟(jì)實(shí)：講師工學(xué)碩士聲控系統(tǒng)供電，VoyagerII型機(jī)器人的蓄電池供電電壓為24V，將24V電壓先經(jīng)過(guò)7805轉(zhuǎn)換成5V電壓，然后使用SPY0029將5V電壓轉(zhuǎn)換成3.3V電壓給SPCE061A供電。

2.4存儲(chǔ)器單元

存儲(chǔ)器單元也是聲控系統(tǒng)的選配單元，當(dāng)需要識(shí)別的語(yǔ)音資源較少時(shí)，則使用單片機(jī)中集成的FLASH存儲(chǔ)器，就可以滿足要求。當(dāng)語(yǔ)音資源較豐富時(shí)，就需要連接外部存儲(chǔ)器單元，對(duì)語(yǔ)音資源進(jìn)行存儲(chǔ)。為了保證系統(tǒng)的兼容性，選用凌陽(yáng)公司的SPR4096作為外部存儲(chǔ)器，LASHSPR4096內(nèi)部有512K×8bitsF和4K×8bitsSRAM在進(jìn)行FLASH編程或擦除的時(shí)候，可以并發(fā)執(zhí)行SRAM的讀寫(xiě)，SPR4096內(nèi)置了一個(gè)總線存儲(chǔ)器接口和一個(gè)串行接口，它允許單片機(jī)通過(guò)8_bit并行模式或者1_bit串行模式訪問(wèn)FLASHSDRAM的存儲(chǔ)區(qū)。在本系統(tǒng)中，將SPR4096的SCK和SDA與SPCE061A的IOB0和IOB1連接，構(gòu)成串行數(shù)據(jù)通信。

2.5串口輸出單元

由于SPCE061A單片機(jī)的輸入、輸出電平是TTL電平，而VoyagerII型機(jī)器人配置的是RS-232標(biāo)準(zhǔn)串行接口，二者的電氣規(guī)范不一致。因此，要完成SPCE061A和機(jī)器人之間的串行通信，必須對(duì)SPCE061A輸出的TTL電平進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，本系統(tǒng)中使用MAXIM公司的MAX232作為電平轉(zhuǎn)換芯片。MAX232使用單電源供電，只需外接5個(gè)0.1uF的電容，就可以實(shí)現(xiàn)SPCE061A和VoyagerII型機(jī)器人之間的電平轉(zhuǎn)換。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)中最重要的部分就是編寫(xiě)語(yǔ)音識(shí)別程序。語(yǔ)音識(shí)別過(guò)程本質(zhì)上是一種多維模式識(shí)別過(guò)程。針對(duì)凌陽(yáng)單片機(jī)編寫(xiě)語(yǔ)音識(shí)別程序，主要可以分為：訓(xùn)練、辨識(shí)、辨識(shí)結(jié)果輸出三部分。

3.1訓(xùn)練程序

當(dāng)程序第一次運(yùn)行時(shí)，需要進(jìn)行語(yǔ)音識(shí)別訓(xùn)練。完成識(shí)別訓(xùn)練后，會(huì)在FLASH存儲(chǔ)器中設(shè)定標(biāo)志位，下次重新啟動(dòng)時(shí)，可以跳過(guò)語(yǔ)音訓(xùn)練過(guò)程，直接進(jìn)行語(yǔ)音識(shí)別程序。如果用戶需要重新訓(xùn)練，也可以通過(guò)按鍵來(lái)擦除標(biāo)志位，該部分程序框圖如下：