语音控制小车

创新研修课程报告题目：基于凌阳61单片机的语音控制小车院（系）电气工程及自动化学院专 业 测控技术与仪器学 生 卢俊霖、王子龙学 号1100100416、1100100414班 号1001102、1001104指导教师 胡瑞强报告日期2014,05引言语音处理技术是一门新兴的技术，它不仅包括语音的录制和播放，还涉及语音的压缩编码和解码，语音的识别等各种处理技术。做这方面的设计，一般有两个途径：一种方案是单片机扩展设计，另一种就是借助于专门的语音处理芯片。普通的单片机往往不能实现这么复杂的过程和算法，即使勉强实现也要加很多的外围器件。专门的语音处理芯片也比较多，像ISD系列、PM50系列等，但是专门的语音处理芯片功能比较单一，想在语音之外的其他方面应用基本是不可能的。SPCE061A是一种16位M,nSg构的微控制器。该芯片带有硬件乘法器，能够实现乘法运算、内积运算等复杂的运算。它不仅运算能力强，而且处理速度快，单周期最高可以达到49MHz。SPCE061A内嵌32K字的FLASH程序存储器以及2K的SRAM。同时该SOC芯片具有ADC和DAC功能，其MIC_ADC通道带有AG。自动增益环节，能够很轻松的将语音信号采集到芯片内部，两路10位的电流输出型DAC，只要外接一个功放就可以完成声音的播放。以上介绍的这些硬件资源使得该SPCE061A能够单芯片实现语音处理功能。借助于SPCE061A的语音特色，我们设计出了这款语音控制小车。小车不仅具有前进、后退、左转、右转停车等基本功能；同时配合SPCE061A的语音特色，实现语音控制功能。SPCE061A简介2.1总体介绍SPCE061A是一种十六位单片机，使用它可以非常方便灵活的实现语音的录放，该芯片拥有8路10位精度的ADC，其中一路为音频转换通道，并且内置有自动增益电路。这为实现语音录入提供了方便的硬件条件。两路10位精度的DAC，只需要外接功放（SPY0030A）即可完成语音的播放。另外十六位单片机具有一套易学易用的指令系统和集成开发环境，在此环境中，它支持标准C语言编程，也支持C语言与汇编语言的互相调用。另外还提供了语音录放的库函数，只要了解库函数的使用，就可以很容易的完成语音的录放、识别等功能，这些都为软件开发提供了方便的条件。SPCE061是一款拥有2KRAM、32KFlash、32个I/O口，并集成了AD/DA功能强大的16位微处理器，它还拥有丰富的语音处理功能，为小车的功能扩展提供了相当大的空间。只要按照该单片机的要求对其编制程序就可以实现很多不同的功能。2.2SPCE061A特性1） 位p'nSP微处理器；2） 回工作电压：内核工作电压VDD为3.0V~3.6V，I/O口工作电压VDDH为VDD~5.5V；3） 时钟：0.32MHz~49.152MHz；4） 内置2K字SRAM；5） 内置32K闪存ROM；136） 可编程音频处理；137） 品体振荡器；138） 系统处于备用状态下（时钟处于停止状态），耗电小于2pA@3.6V；139） 个16位可编程定时器/计数器（可自动预置初始计数值）；13210） 个10位DAC（数-模转换）输出通道；13211） 位通用可编程输入/输出端口；133212） 个中断源可来自定时器A/B，时基，2个外部时钟源输入，键唤醒；131413） 具备触键唤醒的功能；1314） 使用音频编码SACM_S240方式（2.4K位/秒），能容纳210秒的语音数据；1315） 锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号；1316） 实时时钟；1332768Hz17） 通道10位电压模-数转换器（ADC）和单通道声音模-数转换器；13718） 声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制（AGC）功能；1319） 具备串行设备接口；1320） 低电压复位（LVR）功和低电压监测（LVD）功能。13

2.3SPCE061A结构SPCE061A主要包括输入/输出端口、定时器/计数器、数/模转换、模/数转换、串行设备输入输出、通用异步串行接口、低电压监测和复位等部分，并且内置在线仿真电路ICE接口，较高的处理速度使其能够快速的处理复杂的数字信号。图2.1为其结构概览：图2.1SPCE061A单片机结构概览2.4精简开发板一一61板“61板〃是SPCE061AEMUBOARD的简称，是以凌阳16位单片机SPCE061A为核心的精简开发一仿真一实验板，大小相当于一张扑克牌。“61板〃除了具备单片机最小系统电路外，还包括有电源电路、复位电路、ICE电路、音频电路（含MIC输入部分和DAC音频输出部分）等，“61板〃可以采用电池供电。图2-2所示为该精简开发板的实物图：

图2.261板实物图系统硬件设计小车驱动电机一般利用现成的玩具小车上的配套直流电机。考虑到小车必须能够前进、倒退、停止，并能灵活转向，在左右两轮各装一个电机分别进行驱动。当左轮电机转速高于右轮电机转速时小车向右转，反之则向左转。为了能控制车轮的转速，可以采取PWM调速法，即由单片机的IOB8、IOB9输出一系列频率固定的方波，再通过功率放大来驱动电机，在单片机中编程改变输出方波的占空比就可以改变加到电机上的平均电压，从而可以改变电机的转速。左右轮两个电机转速的配合就可以实现小车的前进、倒退、转弯等功能。3.1车体介绍语音控制小车为四轮结构，如图3-1所示。其中前面两个车轮由前轮电机控制，在连杆和支点作用下控制前轮左右摆动，来调节小车的前进方向。在自然状态下，前轮在弹簧作用下保持中间位置。后面两个车轮由后轮电机驱动，为整个小车提供动力。所以又称前面的轮子为方

向轮，后面的两个轮子为驱动轮，如图3-2所示。图3-1车体侧视图图3-2车体顶视图3.2小车的行走原理直走：由小车的结构分析，在自然状态下，前轮在弹簧作用下保持中间状态，这是只要后轮电机正转小车就会前进。如图3-3所示；倒车：倒车动作和前进动作刚好相反，前轮电机仍然保持中间状态，后轮电机反转，小车就会向后运动，如图3-4所示；左转：前轮电机逆时针旋转（规定为正转），后轮电机正转，这时小车就会在前后轮共同作用下朝左侧前进，如图3-5所示;

右转：前轮电机反转，后轮电机正转，这时小车就是会在前后轮共同作用下朝右侧前进，如图3-6所示。图3-4小车倒车示意图图3-3小车前进原理图图3-4小车倒车示意图图3-3小车前进原理图图3-5小车左转示意图图3-6小车右转示意图3.3系统硬件方案系统的结构框图如图3-7所示:们板 控制板图3-7系统结构框图系统组成主要包括以下两部分：SPCE061A精简开发板、语音小车控制电路板。图中的语音输入部分MIC_IN、按键输入KEY、声音输出部分的功率放大环节等已经做到了精简开发板一-1板上，为我们使用提供了很大的方便。在电机的驱动方面，采用全桥驱动技术，利用四个I/O端口分为两组分别实现两个电机的正传、反转和停三态运行。3.4控制板原理图控制板主要包括:接口电路、电源电路和两路电机的驱动电路，控制板原理图如图3-8所示：接口电路：接口电路负责将61板的I/O接口信号传送给控制电路板，I/O信号主要为控制电机需要的IOB8~IOB11这四路信号，同时为了方便后续的开发和完善，预留了IOB12~IOB15以及IOA8~IOA15接口，可以在这些接口上添加一些传感器。电源部分：整个小车有4个电源信号：电池电源，控制板工作电源，61板工作电源，61板的I/O输出电源。系统供电由电池提供，控制板直接采用电池供电（VCC），然后经二极管D1

后产生61板电源（VCC_61），通过61板的Vio跳线产生61板的端口电源（VI）。二极管D1作用：1.降压，4节电池提供的电压VCC最大可达到6V，D1可有效地降压。2.2.保护，D1可以防止电源接反烧坏61板。■■F-4:811IO3E 2I-D39■■F-4:811IO3E 2I-D393IO31D~3"lg1 5I-D312 610315781・沏5哥11IOAE21・/3W油5131*6IOA1378l・3AK9^J&1ID59210593IO51D~3"IQ511 5105126IO爻37IO5U&10315：~厂1。三-cohaiaiLJB1IC-A32IOA33IC'Am~~rIOA115IOA126IOA137IOAU&IS3A13-—cohaia图3-8控制板原理图系统软件设计4.1系统的总体程序流程系统的总体程序流程如图4-1所示：C)初始世训蝶小军 J{ 」 装载请音搅型保存刊缤结果进入诅别模式活音识别母执行清模型存储区I―馨而位图4-1系统总体程序流程图语音识别小车的主程序流程如图4-1所示，分为四大部分：初始化部分、训练部分、识别部分、重训操作。初始化部分：初始化操作将IOB8~IOB11设置为输出端，用以控制电机。必要时还要有对应的输入端设置和PWM端口设置等。训练部分：训练部分完成的工作就是建立语音模型。程序一开始判断小车是否被训练过，如果没有训练过则要求对其进行训练，并且会在训练成功之后将训练的模型存储到Flash，在以后使用时不需要重新训练；如果已经训练过会把存储在Flash中的模型调出来装载到辨识器中。

识别部分：在识别环节当中，如果辨识结果是名字，停止当前的动作并进入待命状态，然后等待动作命令。如果辨识结果为动作指令小车会语音告知相应动作并执行该动作，在运动过程中可以通过呼叫小车的名字使小车停下来。重训操作：考虑到有重新训练的需求，设置了重新训练的按键（61板的KEY3），循环扫描该按键，一旦检测到此键按下，则将擦除训练标志位（0xe000单元），并等待复位。复位后，程序重新执行，当检测到训练标志位为0xffff时会要求重新对其进行训练。4.2语音识别的原理语音识别主要分为“训练〃和“识别〃两个阶段。在训练阶段，单片机对采集到的语音样本进行分析处理，从中提取出语音特征信息，建立一个特征模型；在识别阶段，单片机对采集到的语音样本也进行类似的分析处理，提取出语音的特征信息，然后将这个特征信息模型与已有的特征模型进行对比，如果二者达到了一定的匹配度，则输入的语音被识别。语音识别的具体流程如图4-2所示:图4-2语音识别的具体流程如图4-2所示:图4-2语音识别流程说明框图识刑过程连接与操作说明5.1硬件连接语音控制小车电路包括两大部分：61板部分和控制板部分，主要用到SPCE061A的IOB8〜IOB11来控制小车的状态。电源部分连接：电池电源直接接控制板电源接口J1，J2接61板的电源，连接时注意电源极性。61板和控制板的I/O连接有两种情况：采用I/O排针向下的61板，直接将61板和控制板扣接在一起即可，61板的IOBH®过」6与控制电路连通；采用I/O排针向上的61板，直接用排线将61板的IOBH和J5相连接即可。图5-1为硬件模块连线图。图5-1硬件模块连线图5.2功能说明1.小车运动控制：通过SPCE061A的I/O端口，驱动控制板的H桥电路，进而控制前轮电机和后轮电机。

声控功能：利用特定人语音识别实现小车的名称和动作训练，并根据相应的语音指令输入执行前进、后退、左转、右转、停车等动作。定时控制功能：利用时基定时器设定运行时间，小车运行同时启动定时器，时间到小车停止运行。5.3代码下载硬件连接完成之后，检查无误，接下来就可以下载程序了。具体的步骤为:第一步:CarDemo.spj打开集成开发环境，打开“CarDemo.spj”文件，编译链接。（注意：如果看不到第一步:CarDemo.spj请在弹出的对话框中选择打开类型为spj或者所有文件）第二步:点击菜单Project第二步:点击菜单Project—>SelectBody，或者直接点击口图标打开如图5-2所示的对话框：SelectBody2d话框：SelectBody2dBodyName:Probe:OKBodyName:Probe:OK图5-3SelectBody对话框第三步：在弹出的对话框中选择BodyName为SPCE060A_061A，选择Probe为Auto，点击OK按钮确定。第四步：点击IDE工具栏上的图标⑥选择UseICE模式。第五步：按F8快捷下载按钮，下载代码。5.4训练小车成功下载程序以后，去掉下载线并复位系统（如果使用EZ-Probe还应将Probe选择跳线S5拔去），小车就会提示对它进行训练。训练采用应答式训练，每条指令的训练次数为两次，每一条命令的训练过程都是一样的，以“前进”为例说明：步骤一：小车提示“前进”；步骤二：告诉小车“前进”；步骤三：小车提示“请再说一遍”（重复训练提示音）；步骤四：再次告诉小车“前进”（重复训练一次）。这是一个完整的训练过程，如果训练成功，小车会自动进入下一条指令的训练，并会提示下一条指令对应的动作；如果没有训练成功，小车会提示“说什么暗语呀”或者“没有听到任何声音”等信息，这样的话就要重复刚才所说的四个步骤，直到成功为止。整个的训练过程共有5次这样的训练，依次为：名称——前进——后退——左拐——右拐。整个的训练流程如图5-4所示：图5-4小车训练流程

5.5声控小车训练完小车之后，怎样进行声控操作，让小车运动或者停下来呢？可以直接对小车说前进，或者倒车、左拐、右拐等，小车如果识别出指令会有一个回应信号，告知你它要执行的动作，然后执行该动作。如果想要小车执行其它动作，直