毕业设计 基于凌阳单片机的语音无线控制小车行动系统设计.docx
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毕业设计基于凌阳单片机的语音无线控制小车行动系统设计
基于凌阳单片机的语音无线控制小车行动系统设计
摘要
为了了解语音识别技术和无线传输技术,本次设计将这两个技术结合起来控制小车的行动,这样就能在设计中学习这两个先进非常普遍并且非常先进的技术,从中学习自动控制如何在生活中的实现。
利用凌阳单片机的语音功能和无线传输模块组成了此次设计的核心控制装置,结合凌阳自带的一系列软件,组合起来实现语音无线控制小车的行动。
本次设计主要是完成了语音训练、语音识别、无线传输系统的设计并利用这控制小车的行动,这一系列的实现都是基于凌阳SPCE061A单片机为主要微控制器。
这次设计对程序上的逻辑要求非常严格。
最后本次设计对语音识别和无线控制各有一定的参考价值,闪光点是将两者组合在一起,这两个方向都是目前非常热门的方向,相信在不久的将来,将这两者结合是必然走向。
关键词:
语音识别,无线数据传输,小车控制,SPCE061A精简开发板(61板)
Thedesignmicrocontrollerofcaractionsystem
controlledbyvoicebasedSunplusSCM
Author:
Shenbinyu
Tutor:
Gudeying
Abstract
Inordertounderstandthevoicerecognitiontechnologyandwirelesstransmissiontechnology,thisdesigncombinethesetwotechnologiescontrolledcaraction,sothatyoulearninthedesignisverycommonbothadvancedandveryadvancedtechnology,learnhowtocontrollifetoachieve.
Theexperimentwasdonevoicetraining,voicerecognition,wirelesstransmissionsystems,andcontrolcaraction,butallarebasedonSunplusSPCE061AMCUasthemainmicro-controller.Theseseriesoftasksonthelogicanddesigncomprehensiverequirementsareverystringent.
FinallyThedesignofspeechrecognitionandwirelesscontrolhavesomevalue,brightspotiscombiningoftwotogether,thesetwoarecurrentlyverypopulardirection,Ibelievethatthiscombinationisaninevitabletrendinthefuture.
Keywords:
SpeechRecognition,Wirelessdatatransmission,CarControl,SPCE061ASCM
1绪论
1.1语音识别技术
语音识别是解决机器“听懂”人类语言的一项技术。
作为智能计算机研究的主导方向和人机语音通信的关键技术,语音识别技术一直受到各国科学界的广泛关注。
如今,随着语音识别技术研究的突破,其对计算机发展和社会生活的重要性日益凸现出来。
以语音识别技术开发出的产品应用领域非常广泛,如声控电话交换、信息网络查询、家庭服务、宾馆服务、医疗服务、银行服务、工业控制、语音通信系统等,几乎深入到社会的每个行业和每个方面。
广泛意义上的语音识别按照任务的不同可以分为4个方向:
说话人识别、关键词检出、语言辨识和语音识别。
说话人识别技术是以话音对说话人进行区别,从而进行身份鉴别和认证的技术。
关键词检出技术应用于一些具有特定要求的场合,只关注那些包含特定词的句子,例如对一些特殊人名、地名的电话监听等。
语言辨识技术是通过分析处理一个语音片断以判别其所属语言种类的技术,本质上也是语音识别技术的一个方面。
语音识别就是通常人们所说的以说话的内容作为识别对象的技术,它是4个方面中最重要和研究最广泛的一个方向。
语音识别听写机在一些领域的应用被美国新闻界评为1997年计算机发展十件大事之一。
很多专家都认为语音识别技术是2000年至2010年间信息技术领域十大重要的科技发展技术之一。
语音识别技术所涉及的领域包括:
信号处理、模式识别、概率论和信息论、发声机理和听觉机理、人工智能等等。
语音识别过程实际上是一种认识过程。
就像人们听语音时,并不把语音和语言的语法结构、语义结构分开来,因为当语音发音模糊时人们可以用这些知识来指导对语言的理解过程,但是对机器来说,识别系统也要利用这些方面的知识,只是如何有效地描述这些语法和语义还有困难。
1.2语音识别的发展前景
我国语音识别研究工作起步于五十年代,但近年来发展很快。
研究水平也从实验室逐步走向实用。
从1987年开始执行国家863计划后,国家863智能计算机专家组为语音识别技术研究专门立项,每两年滚动一次。
我国语音识别技术的研究水平已经基本上与国外同步,在汉语语音识别技术上还有自己的特点与优势,并达到国际先进水平。
其中具有代表性的研究单位为清华大学电子工程系与中科院自动化研究所模式识别国家重点实验室。
电子工程系语音技术与专用芯片设计课题组,研发的非特定人汉语数码串连续语音识别系统的识别精度,达到94.8%(不定长数字串)和96.8%(定长数字串)。
在有5%的拒识率情况下,系统识别率可以达到96.9%(不定长数字串)和98.7%(定长数字串),这是目前国际最好的识别结果之一,其性能已经接近实用水平。
研发的5000词邮包校核非特定人连续语音识别系统的识别率达到98.73%,前三选识别率达99.96%;并且可以识别普通话与四川话两种语言,达到实用要求。
2000年7月在北京自然博物馆新开设的动物展馆中展出的具有语音识别口语对话功能“熊猫”,采用了我们研发非特定人连续语音识别系统,在展览馆这样高噪声的环境下,该识别系统的识别率也超过了98%,达到实用要求。
通过该系统观众与“熊猫”自然对话可以了解熊猫的生活习惯、生理结构等信息,其形式生动、活泼,吸引了大量的学生与参观者。
采用嵌入式芯片设计技术研发了语音识别专用芯片系统,该芯片以8位微控制器(MCU)核心,加上低通滤波器,模/数(A/D),数/模(D/A),预放,功率放大器,RAM,ROM,脉宽调幅(PWM)等模块,构成了一个完整的系统芯片,这是国内研发的第一块语音识别专用芯片。
芯片中包括了语音识别、语音编码、语音合成功能,可以识别30条特定人语音命令,识别率超过95%,其中的语音编码速率为16kbits/s。
该芯片可以用于智能语音玩具;也可以与普通电话机相结合构成语音拨号电话机。
这些系统的识别性能完全达到国际先进水平。
研发的成果已经进入实用领域,一些应用型产品正在研发中,其商品化的过程也越来越快。
可以预测在近五到十年内,语音识别系统的应用将更加广泛。
各种各样的语音识别系统产品将出现在市场上。
人们也将调整自己的说话方式以适应各种各样的识别系统。
在短期内还不可能造出具有和人相比拟的语音识别系统,要建成这样一个系统仍然是人类面临的一个大的挑战,我们只能一步步朝着改进语音识别系统的方向一步步地前进。
至于什么时候可以建立一个像人一样完善的语音识别系统则是很难预测的。
就像在60年代,谁又能预测今天超大规模集成电路技术会对我们的社会产生这么大的影响。
微软和福特汽车正在进行一项有趣的工作,他们希望人们能向汽车发出口头指令,这让人觉得有些不可思议。
不过,人们通过芯片进行口头交流,早已成为现实,只是目前还没有被广泛应用到日常生活中,所以大家对此感到陌生。
可以肯定的是,随着技术的日趋成熟,今后人们和芯片的交流的机会将越来越多。
前不久,在拉斯维加斯举行的国际电子消费品展览会上,比尔·盖茨和福特汽车的高管们,展示了微软的Sync软件,它可让驾车者们如何通过口头指令,在车内播放音乐和拨打电话。
但是,通过口头指令驾驶汽车还难以被广泛运用,至少目前还不行。
1.3无线传输技术
随着无线技术的日益发展,无线传输技术应用越来越被各行各业所接受。
无线图像传输作为一个特殊使用方式也逐渐被广大用户看好。
其安装方便、灵活性强、性价比高等特性使得更多行业的监控系统采用无线传输方式,建立被监控点和监控中心之间的连接。
无线监控技术已经在现代化交通、运输、水利、航运、铁路、治安、消防、边防检查站、森林防火、公园、景区、厂区、小区、等领域得到了广泛的应用。
无线电技术的原理在于,导体中电流强弱的改变会产生无线电波。
利用这一现象,通过调制可将信息加载于无线电波之上。
当电波通过空间传播到达收信端,电波引起的电磁场变化又会在导体中产生电流。
通过解调将信息从电流变化中提取出来,就达到了信息传递的目的,
无线传输是利用电磁波。
分发射部分和接收部分。
发射部分由产生高频信号的振荡器,将音频信号加到电磁波上的调制器和高频功率放大器,最后由天线发射到空间去。
接收部分由接收天线,高频放大,变频器,中频放大器,检波器和音频功率放大器等组成,最后由喇叭还原出声音。
现在无线传输已经超出了广播通信的范围。
如无线电导航,无线电定位等许多领域。
无线传输技术的发达使无线监控和无线控制成为可能性,这样我们就能实现远程控制和监控设备,实现无人操作。
本次试验室稍微涉及到无线控制方面的知识,并没有深入学习,但是让我们了解到了无线传输技术的优势。
1.4无线传输技术的发展前景
在现在技术飞速发展的年代,无线传输技术无处不在,无线上网、手机的信号接收、无线技术在无人控制的应用、蓝牙耳机等等,无线技术已经深深进入我们的生活,成为生活密不可分的一部分。
无线传输,摆脱了数据线的困扰,让我们能肆意的在信号覆盖的范围内游走。
仅仅是无限数据的传输就能让我们感到无比的自由,那么要是我们能够通过无线传输来完成更多的事情
先进通信技术的发展总是为了向人们提供更加优质的服务体验。
电力线技术的采用,为我们的生活带来了更加方便,稳定的网络体验,是有线、无线网络之外又一种可选择的家庭局域网方式。
3G路由以及4G技术的发展,将为我们带来更加优质的通话体验,提供更加迅捷的移动网络服务,带来越来越低廉、高效、优质的通信服务。
无线通信技术的发展总是最为值得我们开心的,当生活中我们能随意无线共享资料;通过电视无线播放计算机中高清影音文件;远距离无线传送电力,不必受电线长短限制。
期待这些已经出现在我们身边或在不久的将来会出现在我们面前的新通信技术为我们带来全新的体验,为在生活中提供更加优质的通信服务提供保障。
1.5本文研究的主要内容
本次设计使用了语音识别技术,并通过无线传输技术无线控制小车,达到接触领先技术的目的,明白当今社会发展的主要方向,不断结合现有的所有知识,达到更好的一个高度。
本次设计的最重要的是的把语音识别和无线传输两者有机结合,达到一个共同工作的目的,并控制小车的行动,逻辑方面的设计和使用从未接触过的凌阳单片机是个很大的锻炼,希望从本次设计中我能得到锻炼和提升。
2整体设计方案
2.1语音无线控制小车设计要求
(1)熟练的使用SPCE061A精简开发板以及相关的软件。
完成各个项目的要求。
(2)实现语音识别功能。
使单片机能够识别人所发出的指令并作出相应的反映。
(3)实现无线控制小车行动。
2.2语音无线控制小车设计整体思路
根据题目要求,系统是开环系统,控制系统的系统框图如2.1所示
图2.1系统框图
系统设计整体思路如下:
(1)训练语音识别,使凌阳单片机识别并记忆所发出的指定的语音指令。
(2)发出指定的语音命令,凌阳单片机接受语音信号并与训练的语音进行对比,如果与训练语音相符就发出相应的行动命令。
(3)命令经由无线传输模块发送出去。
(4)小车上的无线接受模块接受指定的行动指令并控制小车行动。
(5)小车不断循环检测接受到的信号并不断的与训练语音对比。
2.3硬件选择
此次设计的主要任务是完成语音控制和无线传输控制小车行动两项目标,鉴于在这两个方面凌阳单片机SPCE061A精简开发板(61板)上的自带的语音处理模块和能够外接无线传输模块的方便性,故主要单片机选择SPCE061A精简开发板。
SPCE061A精简开发板是16位单片机,具有DSP功能,有很强的信息处理能力,最高时钟频率可达到49MHz,具备运算速度高的优势等等,这些都无疑为语音的播放、录放、合成及辨识提供了条件。
凌阳压缩算法中SACM_A2000、SACM_S480、SACM_S240主要是用来放音,可用于语音提示,而DVR则用来录放音。
同时SPCE061A精简开发板具有8个通道的10位A/D转换器,其中7个为普通D/A转化通道,模拟信号直接通过IOA0~IOA6输入,另一个是语音信号输入通道,语音信号通过内置具有自动增益控制放大器的麦克风通道(MIC_IN)输出。
这样为语音处理以及识别做好的充分的准备。
然后凌阳系列有很强的模组支持。
其中就有nRF2401无线传输模块,提供了一路的无线发射和两路的无线接收功能,该模组通过一个10Pin接口直接插接到61板上,为无线传输打下了坚实的基础,而且不存在是否兼容的问题。
同时模组提供了系统的驱动程序文件nRF2401.C,包括芯片的初始化、数据发送、数据接收,方便了编程的操作。
本次设计对下车体的要求不算太高,故采用北京北京亿学通电子的四驱版DIY竞赛小车。
基本参数都符合基本要求,如下:
(1)四电机驱动
(2)工作电压:
DC4V~6V(本套件提供6V电压输入)
(3)工作电流:
运动时约300mA
(4)最大负载:
2Kg(以上参数在5V工作电压下测量获得。
实际参数以实际工作状况为准)
(5)驱动电路采用L293电机驱动芯片,方便PWM控制;
(6)供电:
电池(四节AA电池:
1.2V*4或1.5V*4)
以上参数中的第5点可以完成小车的左转和右转或者倒车,这样就足够本次设计使用,而且可以再车体上安放SPCE061A精简开发板,用此单片机控制接受信号控制车体。
2.4系统总体结构图
图2.2系统总体结构图
3系统硬件设计
3.1凌阳16位单片机
随着单片机功能集成化的发展,其应用领域也逐渐地由传统的控制,扩展为控制处理、数据处理以及数字信号处理(DSP,DigitalSignalProcessing)等领域。
凌阳的16位单片机就是为适应这种发展而设计的。
它的CPU内核采用凌阳最新推出的µ’nSP™(MicrocontrollerandSignalProcessor)16位微处理器芯片(以下简称µ’nSP™)。
围绕µ’nSP™所形成的16位µ’nSP™系列单片机(以下简称µ’nSP™家族)采用的是模块式集成结构,它以µ’nSP™内核为中心集成不同规模的ROM、RAM和功能丰富的各种外设接口部件,如图2.3所示。
µ’nSP™内核是一个通用的核结构。
除此之外的其它功能模块均为可选结构,亦即这种结构可大可小或可有可无。
借助这种通用结构附加可选结构的积木式的构成,便可形成各种不同系列派生产品,以适合不同的应用场合。
这样做无疑会使每一种派生产品具有更强的功能和更低的成本。
图3.1µ’nSP™家族的模块式结构
µ’nSP™家族有以下特点:
(1)体积小、集成度高、可靠性好且易于扩展
µ’nSP™家族把各功能部件模块化地集成在一个芯片里,内部采用总线结构,因而减少了各功能部件之间的连线,提高了其可靠性和抗干扰能力。
另外,模块化的结构易于系统扩展,以适应不同用户的需求。
(2)具有较强的中断处理能力
µ’nSP™家族的中断系统支持10个中断向量及10余个中断源,适合实时应用领域。
(3)高性能价格比
µ’nSP™家族片内带有高寻址能力的ROM、静态RAM和多功能的I/O口。
另外,µ’nSP™的指令系统提供具有较高运算速度的16位×16位的乘法运算指令和内积运算指令,为其应用增添了DSP功能,使得µ’nSP™家族运用在复杂的数字信号处理方面既很便利,又比专用的DSP芯片廉价。
(4)功能强、效率高的指令系统
µ’nSP™指令系统的指令格式紧凑,执行迅速,并且其指令结构提供了对高级语言的支持,这可以大大缩短产品的开发时间。
(5)低功耗、低电压
µ’nSP™家族采用CMOS制造工艺,同时增加了软件激发的弱振方式、空闲方式和掉电方式,极大地降低了其功耗。
另外,µ’nSP™家族的工作电压范围大,能在低电压供电时正常工作,且能用电池供电。
这对于其在野外作业等领域中的应用具有特殊的意义。
3.2SPCE061A简介
3.2.1总述
SPCE061A是继μ’nSP™系列产品SPCE500A等之后凌阳科技推出的又一款16位结构的微控制器。
与SPCE500A不同的是,在存储器资源方面考虑到用户的较少资源的需求以及便于程序调试等功能,SPCE061A里只内嵌32K字的闪存(FLASH)。
较高的处理速度使μ’nSP™能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。
因此,与SPCE500A相比,以μ’nSP™为核心的SPCE061A微控制器是适用于数字语音识别应用领域产品的一种最经济的选择。
3.2.2性能
(1)16位µ’nSP™微处理器;
(2)工作电压(CPU)VDD为2.4~3.6V(I/O)VDDH为2.4~5.5V
(3)CPU时钟:
0.32MHz~49.152MHz;
(4)内置2K字SRAM;
(5)内置32KFLASH;
(6)可编程音频处理;
(7)晶体振荡器;
(8)系统处于备用状态下(时钟处于停止状态),耗电仅为2µA@3.6V;
(9)2个16位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值);
(10)2个10位DAC(数-模转换)输出通道;
(11)32位通用可编程输入/输出端口;
(12)14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;
(13)具备触键唤醒的功能;
(14)使用凌阳音频编码SACM_S240方式(2.4K位/秒),能容纳210秒的语音数据;
(15)锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号;
(16)32768Hz实时时钟;
(17)7通道10位电压模-数转换器(ADC)和单通道声音模-数转换器;
(18)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;
(19)具备串行设备接口;
(20)具有低电压复位(LVR)功能和低电压监测(LVD)功能;
(21)内置在线仿真电路ICE(In-CircuitEmulator)接口;
(22)具有保密能力;
(23)具有WatchDog功能。
3.2.3结构概览
SPCE061A的结构如图3.2所示:
图3.2SPCE061A的结构图
3.2.4SPCE061A最小系统
最小系统接线如图3.3所示,在OSC0、OSC1端接上晶振及谐振电容,在锁相环压控振荡器的阻容输入VCP端接上相应的电容电阻后即可工作。
其它不用的电源端和地端接上0.1μF的去藕电容提高抗干扰能力。
图3.3SPCE061A最小系统原理图
3.3SPCE061A精简开发板(简称61板)
3.3.1硬件框图和简要说明
硬件结构图如图3.4图示:
图3.461板框图
简要说明如表3.1:
表3.1简要说明表
POWER
5v&3.3V供电电路
PLL
锁相环路电路
RESET
复位电路
K4
复位按键
PROBE
在线调试串行5pin
S5
EZ_PROBE和PROBE切换的3pin单排针
J3
2pin喇叭穿针
EZ_PROBE
下载线的5pin借口
MIC
麦克风介入电路
VRT
A/D 转化外部参考电压输借口
R/C
其他外围电阻电容
SPCE061A
61板的核心:
16为微处理器
OSC
32768晶振电路
PORTA/B
32geI/O口
K1~K3
扩展的按键:
接IOA0~IOA2
DAC
一路音频输出电路
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-仿真-实验板,大小相当于一张扑克牌,是“凌阳科技大学计划”专为大学生、电子爱好者等进行电子实习、课程设计、毕业设计、电子制作及电子竞赛所设计的,也可作为单片机项目初期研发使用。
61板除了具备单片机最小系统电路外,还包括有电源电路、音频电路(含MIC输入部分和DAC音频输出部分)、复位电路等,采用电池供电,方便携带。
3.3.261板的I/O口功能结构
输入/输出接口(也可简称为I/O端口)是单片机与外设交换信息的通道。
输入端口负责从外界接收检测信号、键盘信号等各种开关量信号。
输出端口负责向外界传送由内部电路产生的处理结果、显示信息、控制命令、驱动信号等。
μ’nSP™内有并行和串行两种方式的I/O口。
并行口线路成本较高,但是传输速率也较高;与并行口相比,串行端口的传输速率较低但可以节省大量的线路成本。
SPCE061A有两个16位的通用并行I/O口:
A口和B口。
这两个端口的每一位都可通过编程单独定义成输入或输出口。
A口的IOA0~IOA7作为输入端口时,具有唤醒功能,即当输入电平发生变化时,会触发CPU中断。
在电池供电、追求低耗电的应用场合,可以让CPU进入睡眠模式(利用软件控制)以降低功耗,需要时才以按键来唤醒CPU,使其进入工作状态。
例如:
手持遥控器、电子字典、PDA、计算器、无线电话等。
IO端口结构:
SPCE061A提供了位控制结构的I/O端口,每一位都可以单独用于数据输入或输出。
每个独立的位可通过以下3种控制向量来作设定:
(1)数据向量Data
(2)属性向量Attribution
(3)方向控制向量Direction
每3个对应的控制向量组合在一起,形成一个控制字,用来定义相对应I/O端口位的输入输出状态和方式。
例如,假设需要IOA0是下拉输入引脚,则相对应的Data、Attribution和Direction的值均被设为“0”。
如果需要IOA1是带唤醒功能的悬浮式输入引脚,则Data、Attribution和Direction的值被设为“010”。
与其它的单片机相比,SPCE061A除了每个I/O口可以单独定义其状态外,每个对应状态下的I/O端口性质电路都是内置的,在实际的电路中不需要再外接。
例:
设A口为带下拉电阻的输入端口,在连接硬件时不用再外接下拉电路。
A口和B口的Data、Attribution和Direction的设定值均在不同的寄存器里,用户在进行I/O端口设置时要特别注意这一点。
I/O端口的组合控制设置如下表所示:
I/O端口的控制向量组合如表3.2
表3.2I/O端口的控制向量组合
Direction
Attribution
Data
功能
是否带唤唤醒功能
功能描述
0
0
0
下拉
是
带下拉电阻的输入引脚
0
0
1
上拉
是
带上拉电阻的输入引脚
0
1
0
悬浮
是
悬浮式输入引脚
0
1
1
悬浮
否
悬浮式输入引脚
1
0
0
高电平
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