基于SPCE061A的智能语音处理系统设计.doc

基于SPCE061A的智能语音处理系统设计Design of an Intelligent Speech Processing System Based on SPCE061AAbstract: In this paper, an intelligent interactive speech processing system is designed based on the combination of Sunplus 16-bit SCM (single chip microcomputer) SPCE061A, expansion of storage chip SPR module and the speech recognition technology. The system can achieve the ability of understanding some simple speech commands and the action of simple dialogue. The total project has two aspects: hardware design and software program. In the hardware aspect, the condensed designing board for SPCE061A is chosen as the controlling core, and the SPR model is chosen as the external memory. There are two main tasks in the software aspect. One is to construct the speech resource library; the other is to design the main and the sub program for the system. The designed system can achieve the interactive features such as singing, reciting poetries, simple dialogue and specific performance and so on. Meanwhile, it can update the internal resources that are required, and also have the quality of flexibility and scalability of hardware system and software system. Key Words: Intelligent Control; Speech Recognition; SCM; SPCE061A; SPR Module 摘要：本论文基于凌阳 16位单片机 SPCE061A和外扩存储器 SPR模组，采用语音识别技术，设计完成了一款能够执行语音指令并进行简单语音对话的交互式智能语音处理系统。系统设计包括硬件和软件两个方面：硬件部分基于凌阳 SPCE061A精简开发板，以 SPR模组作为语音资源的外部存储器；软件方面主要包括语音资源库的建立和系统的程序设计。该系统能够实现唱歌、背诵唐诗、简单特定对话和才艺表演等交互功能，还可按要求实现内部资源的更新，具有较大的灵活性和软硬件可扩展性。关键词：智能控制；语音识别；单片机；SPCE061A；SPR模组1 引言随着现代电子技术的发展，电子设备越来越显示出其向高集成化和小型化的发展趋势。台湾凌阳科技公司 16位单片机 SPCE061A的问世，使得 16位单片机的科技含量及应用跃上一个新的台阶2,3。SPCE061A具有十六位单片机的所有特征，又有语音处理技术方面的独特优势，利用其语音处理优势可开发出语音应答系统、语音合成系统、互动式玩具等。基于语音的交互方式是一种既安全又颇具人性化的交互方式4，智能交互式语音玩具对孩子具有很大的吸引力。鉴于此，本文选用 SPCE061A精简开发板（简称 61板）作为控制核心， SPR模组作为外扩的存储器，集成语音识别技术，完成一款智能交互式语音处理系统的设计。王光艳：讲师，在读博士2 SPCE061A单片机的原理及应用选择 SPCE061A作为控制芯片，基于该芯片的精简开发板（61板）及其外部存储模块 SPR模组进行系统设计。61板是凌阳公司专门为 SPCE061A芯片开发设计的最小系统板，通过输入/输出（ I/O）接口实现与外部功能模组的联接及指令和数据的传递；通过音频输入 /输出接口实现语音资源的控制；通过在线调试器 PROBE或 EZ-PROBE接口实现程序的下载和调试。此外还有电源接口给电路板供电，上电复位功能对 61板内部的硬件进行初始化，其结构框图及接口图如图 1所示。关于该开发板的具体应用案例可参见文献 4-6。SPCE061A芯片内部除 CPU内核外，还集成有 2k字 SRAM；32k字 FLASH程序存储器；32位可编程 I/O端口；两个十六位定时器 /计数器；8通道 10位模数转换输入，其中一路为具有内置自动增益控制功能的麦克风输入；双通道 DAC方式的音频输出；看门狗电路等。所以， A/D转换与音频信号的处理与输出完全可以由 CPU完成，而无须外扩任何芯片，从而大大提高了电路的集成度。关于 SPCE061A芯片的基本原理和软件开发过程可参见文献1-3。SPR模组针对凌阳科技公司的存储器芯片 SPR4096/1024开发的简易烧写器。由基于 PC机的 ResWriter烧录软件，通过 EZ-PROBE下载线和 61板，完成对 SPR4096/1024存储器芯片的擦除、写入、校验等功能。该存储器芯片具有较大的存储空间，并且在 SPR模组上留有与 SPCE061A单片机的接口，能够作为外部储存器实现 SPR模组与 SPCE061A单片机联合开发的系统。 3 系统的总体设计方案该系统是基于凌阳十六位单片机 SPCE061A和 SPR模组芯片的设计性和应用性的产品，通过硬件系统和软件系统相结合实现简易语音识别和简易智能化的交互式智能语音处理系统的设计。61板的电源系统由 4.5V电源（三节 5号电池）构成，能够满足单片机的正常运行。其音频输出系统是一个功率为 0.5W，8欧姆的扬声器，可以满足基本音频输出；音频输入系统由自带 AGC控制的简易麦克风实现。本系统是一个集娱乐与教育为一体的多功能智能语音处理系统（真人配声，非僵硬的电子拟音）。语音识别功能是本系统的设计出发点，总体方案是使用驻极体话筒实时采集语音信号，再经过 A/D转换，由嵌入式处理器执行语音识别算法判断出对应命令，匹配识别结果，从而播放单片机内已载入的特定语音文件，实现唱歌、背唐诗、对话和英文学习等功能。音频文件采用北阳公司的 S480格式。因此，本系统设计的重点部分就是语音资源库的建立和语音识别总体程序的设计。系统的总体设计方案可分为硬件设计和软件设计两个方面。 3.1 系统硬件设计系统的硬件组成主要有 SPCE061A的精简开发板，SPR模组（采用 SPR4096芯片），电池盒，功率 0.5W的 8欧姆扬声器， EZ-PROBE下载线和排线等，其硬件连接图如图 2所示。3.2 语音资源库的建立语音资源库的建立是本语音处理系统设计中的关键部分，具体包括如下几个步骤：第一步：语音资源的总体规划。根据该语音处理系统的总体功能要求，对所需要的语音资源进行详细规划并分类。第二步：语音资源的收集。大量收集中英文歌曲、古诗朗诵、各种音效及其英语学习等 wav格式的语音文件。第三步：语音资源的录制。对未收集到的其他所需的语音资源，采用北阳公司开发的 CmpTool和 Windows自带的录音机进行录制并编辑。第四步：语音格式的转换。整合所采集的语音资源，采用北阳公司的音频转换软件 CmpTool将.wav格式的音频文件转换成适合 SPCE061A芯片播放的 S480音频文件，从而完成了整个语音资源库的建立。第五步：语音资源的压缩存储。应用音频编码及解码软件 Streambox Ripper和 mpTrim 2.10按照要求对语音资源进行压缩，在压缩完成后，应用 ResWriter烧录软件，通过凌阳 16位单片机集成开发环境（IDE）烧录到 SPR模组上的 SPR4096片内储存器中。 3.3 系统软件设计由于 SPCE061A芯片的 FLASH存储器只有 32k字的资源空间，该芯片一次只能识别 5条命令，如果将要识别的命令分组存放，理论上识别命令的条数就可以不受限制。本系统共设计了 25条命令，分成 5组，每组 5条指令。在不同组指令中交换需要根据触发名称，所以在识别状态，要执行动作首先需要触发名称，就是训练的第一条命令，然后可以识别第一组的其余四条命令。具体命令所能实现的功能框图如图 3所示。系统的主程序流程如图 4所示，可分为初始化、训练、识别和重训操作等四部分。命令执行基本流程可概括为：初始化，若没训练则会发出提示音，进入训练状态，根据提示音和操作说明训练即可。若已经训练好，则使系统处于触发状态，发出相应触发命令，然后进入识别状态，并对识别结果做出回应。若连续给触发命令，则系统不做出回应，按复位键可使系统重新处于识别状态。具体软件程序的设计过程中，均考虑到各组命令中具体功能的可扩充性及其相应语音资源的更新，并预设了电机驱动子程序，通过控制方向电机和驱动电机，可实现轮式载体的动作功能。4 结束语设计完成的智能语音处理系统实现了唱儿歌、背唐诗、完成基本动作、进行简单对话和英语学习等功能，达到了预期的目的。 SPCE061A芯片所采用的面向特定说话人、小词汇量的语音识别系统具有较高的识别率，与专用的语音处理芯片相比，结构简单、成本低，唯一的缺点就是指令功能和语音资源的更新受硬件限制，需按要求手动完成。本系统可以装载于多种普通儿童玩具实体，实现多种智能交互式语音玩具设计。具有可随时更新的语音资源库，可实现智能玩具 DIY，培养儿童的创造思维和动手能力，集学习和娱乐与一体。采用 SPCE061A这款具有语音处理功能和相对价位较低的单片机开发出的各种嵌入式系统，成本低，性价比高，将会具有很好的市场前景。本文的创新点：系统采用语音交互方式，预设动作程序，可依据具体实体实现相应动作功能，语音资源丰富并能随时更新，具有显著的 DIY特点。参考文献： 1胡航编著.语音信号处理 M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社， 2000. 2李晓白，秦红磊，朱俊杰，潘涌泽编著.凌阳 16位单片机 C语言开发M.北京：北京航空航天大学出版社，2006. 3张培仁，张志，高修峰编著.十六位单片微处理器原理及应用 M.北京：清华大学出版社， 2005. 4梅栴，刘纪红，张振川.一种基于 SPCE061A的机器人语音交互系统的设计与实现 J.微计算机应用， 2005，26（4）：485-487. 5郑旭琴，程恩，袁飞.基于 SPCE061A的车载 DVD播放器设计与实现 J.微计算机信息， 2005，10-2： 150-152. 6张立材.基于 SPCE061A的多功能信号发生器设计实现J.微计算机信息， 2004，20（3）：94-95，35. 袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈