基於嵌入式Linux的語音識別系統硬軟體設計

2021-01-09 電子產品世界

　　該設計運用三星公司的S3C2440，結合ICRoute公司的高性能語音識別晶片LD3320，進行了語音識別系統的硬體和軟體設計。在嵌入式Linux作業系統下，運用多進程機制完成了對語音識別晶片、超聲波測距和雲臺的控制，並將語音識別技術應用於多角度超聲波測距系統中。通過測試，系統可以通過識別語音指令控制測量方向，無需手動幹預，最後將測量結果通過語音播放出來。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/278135.htm

　　1.引言

　　語言是人類傳播信息的重要手段，語音識別則是實現語音控制的關鍵技術。採用嵌入式語音識別技術使得設備具有功耗低、使用簡便、靈活等優點，擺脫了複雜按鍵和按鈕的困擾，在服務機器人、智能家居及消費電子等領域發揮著重要作用。

　　2.系統構成與原理

　　語音識別主要包括兩個階段：訓練階段和識別階段。在訓練或識別過程中，都必須對輸入語音進行預處理和特徵提取。訓練階段通過用戶輸入的若干次訓練語音，經過預處理和特徵提取後得到特徵參數，最後通過特徵參數建模，進而建立訓練語音的參考模型庫。而識別階段是將輸入語音的特徵矢量參數和參考模型庫中的參考模型進行相似性度量，然後把相似度最高的輸入特徵矢量作為識別結果輸出，從而達到語音識別目的，如圖1所示。

　　

 

　　圖1語音識別原理框圖

　　語音識別技術可分為：特定人識別和非特定人識別兩種。特定人識別是指需要對待識別人的語音進行採集訓練，識別對象為專門的人;非特定人識別是指識別對象為大多數用戶，一般要採集多個人的語音進行錄音、訓練和學習，從而達到較高的識別率。

　　在實際應用中，現代技術開發嵌入式語音識別有兩種實現方式：調入嵌入式語音開發包和外擴語音識別晶片。本文的語音識別系統方案是以嵌入式處理器S3C2440為核心，外擴非特定人語音識別晶片LD3320，並將超聲波測距模塊和雲臺相結合作為系統的機械執行機構。系統測量過程如下：首先根據語音指令控制兩自由度雲臺的位姿，使超聲波探測器指向特定方向，然後開啟超聲波探測器，測量出前方障礙物距離，最後將測量結果轉化為可以播放的二進位數據流，通過LD3320的播放功能完成數據的播放。

　　3.硬體電路設計方案

　　硬體電路主要包括語音識別部分、主控部分、超聲波測距部分和舵機控制部分，如圖2所示。處理器為三星公司的S3C2440，系統主頻最高可達533 MHz，支持SPI、I2C、UART等接口，能夠滿足控制系統的需求。主控晶片S3C2440通過SPI總線完成對語音識別模塊的讀寫操作，超聲波測距部分和舵機控制部分由處理器的GPIO進行統一控制。

　　

 

　　圖2硬體電路設計方案

　　3.1語音識別電路設計

　　為了使系統能夠識別操作人員發出的語音指令，設計中採用了由ICRoute公司設計生產的非特定人語音識別晶片LD3320，它集成了語音識別處理電路和一些外部電路，包括AD、DA轉換器、麥克風接口、聲音輸出接口等，不需要外接任何的輔助晶片如Flash、RAM.在主控制器的控制下，可以識別出預先添加到識別列表中的內容。設計中參考了ICRoute發布的LD3320數據手冊，圖中LD3320的P0、P1、P2引腳通過SPI接口與嵌入式處理器相接，控制信號WRB、CSB、RSTB以及中斷返回信號引腳INTB與處理器S3C2440直接相連，如圖3所示。

　　

 

　　圖3語音模塊和核心板連接關係

　　3.2超聲波測距和舵機控制電路設計

　　超聲波測距原理相對比較成熟，系統中採用超聲波測距模塊HC-SR04.該模塊有兩個TTL電平通信引腳，兼容3.3V電平。其中，控制埠Trig發一個10us以上的高電平，接收埠Echo將輸出與距離成正比的高電平信號。當Echo有高電平輸出時就開啟處理器定時器，當埠電平跳變為低電平時關閉定時器，根據定時器的值可計算得到障礙物的距離。其中，控制埠Trig和接收埠Echo分別接至處理器的GPG9、GPG6引腳。

　　超聲波測距模塊的感應角度小於15°，為了擴大測距的感應角度範圍，將超聲波測距模塊安裝在兩自由度雲臺上，其中，舵機為SG90(9G)，旋轉角度為180°。處理器通過GPB0和GPB1分別控制兩個舵機以實現雲臺的旋轉，以測量不同方向的障礙物，如圖4所示。

　　

 

　　圖4超聲波測距和舵機控制電路

　　4.軟體設計方案

　　系統軟體基於嵌入式Linux作業系統，實現了語音識別、語音播放、超聲波測距和舵機控制等任務，使用fock機制為每項任務分配獨立的進程，使系統可以進行多任務處理。針對不同功能模塊編寫了相應的底層驅動程序，為上層應用程式提供了調用接口。

　　系統工作流程如下：處理器通過SPI總線對語音識別晶片LD3320進行通用初始化，使語音識別晶片進入循環識別模式，系統處理器反覆啟動語音識別過程。如果有識別結果，則根據識別作相應處理後(比如播放某個聲音作為應答)再啟動下一個識別過程。處理器通過SPI總線讀取C5寄存器的識別結果並分析，將語音命令轉換為超聲波測距和舵機的控制信號，完成多方位測距任務，如圖5所示。

　　

 

　　圖5軟體流程圖

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