基于UniSpeech-SDA80D51的車載音響聲控系統(tǒng)

現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，使得越來越多的車載電器加入到汽車電子行列中，在改善汽車性能的同時，也增加了汽車駕駛操作的復(fù)雜度，給行車過程帶來了不安全隱患。隨著語音識別算法的改進和新一代專用語音處理芯片的問世，使得語音控制代替了手動控制車載電器，從而減輕了駕駛員手動操作負擔(dān)，大大提高了行車安全性。

目前我國的車身電子語音控制主要集中在汽車導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用上，語音識別技術(shù)在車身電子中的應(yīng)用沒有充分發(fā)揮。本文首次提出了一種以專用語音處理芯片UniSpeech-SDA80D51為核心組成的非特定人車載音響語音控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，并實現(xiàn)了系統(tǒng)樣機的研制。

1 車載音響語音控制系統(tǒng)

系統(tǒng)由語音采集、語音識別、控制驅(qū)動和車載音響等模塊構(gòu)成，系統(tǒng)完成的主要功能是：語音采集模塊用于采集駕駛員發(fā)出的語音命令信號，由語音識別模塊實現(xiàn)信號的A/D轉(zhuǎn)換, 并對轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號進行語音識別處理，最終輸出與語音命令相對應(yīng)的詞條編碼信號，控制模塊對接收的詞條編碼信號進行邏輯分析與處理并產(chǎn)生對應(yīng)的控制信號驅(qū)動車載音響動作，代替駕駛員的手動操作。

1.1 語音識別模塊

語音識別模塊主要由UniSpeech-SDA80D51芯片及外圍電路組成。

SDA80D51是德國Infineon公司專為語音識別和語音處理應(yīng)用領(lǐng)域新推出的高集成度SoC專用芯片，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由圖1可知，SDA80D51片內(nèi)集成了直接雙訪問快速SRAM、2路ADC和2路DAC、多種通信接口和通用GPIO等部件。SDA80D51工作方式以M8051為主控制芯片，主要完成系統(tǒng)配置和SPI、PWM、I2C、GPIO等接口的控制以及語音數(shù)據(jù)的傳輸工作； DSP核心OAK為協(xié)處理器，完成語音識別算法、語音編解碼算法等語音處理工作。

非特定人語音信號由定向拾音器輸入，經(jīng)過SDA80D51內(nèi)部的數(shù)據(jù)采集模塊進行A/D轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過識別程序的預(yù)處理、端點檢測、特征參數(shù)提取、模板匹配等處理，選擇識別詞表中最接近的詞條序號作為識別結(jié)果，識別結(jié)果通過GPIO口輸出。

1.2 控制驅(qū)動模塊

控制驅(qū)動模塊由MCU和模擬開關(guān)及外圍電路構(gòu)成，模塊主要用來接收語音識別結(jié)果，并對詞條編碼信號進行邏輯分析和處理，通過模擬開關(guān)電路產(chǎn)生對應(yīng)功能的控制信號驅(qū)動音響動作。其中MCU選用美國ATMEL公司產(chǎn)品AT89S51，綜合AT89S51輸出I/O信號電壓特性和SL1102C1音響控制面板電阻式分流鍵盤電路的特點，確定使用繼電器模擬SL1102C1控制面板按鍵的閉合和斷開動作。AT89S51和繼電器模擬開關(guān)電路原理圖如圖2所示。

1.3 音響模塊

本設(shè)計是基于SL1102C1型汽車音響。SL1102C1是專門為中檔轎車設(shè)計的汽車音響，具有MP3播放、收音機和顯示時間等功能，目前大量使用在江淮同悅轎車上。SL1102C1前板共有開關(guān)機/靜音、音效、播放/暫停等15個按鍵和一個用來調(diào)節(jié)音量的編碼開關(guān)。

SL1102C1前板鍵控為分壓識別方式，按鍵包含短按和長按兩種動作。AT89S51輸出電壓為TTL電平，直接驅(qū)動音響容易引起鍵碼誤識別，造成系統(tǒng)誤操作，因此本文采用圖2所示電路，很好地解決了上述問題。當(dāng)AT89S51接收到語音編碼信號后，立即進行邏輯分析并輸出對應(yīng)的控制信號驅(qū)動繼電器吸合模擬按鍵動作，按鍵的短按和長按功能通過軟件實現(xiàn)。

模擬開關(guān)電路還適用于SL1102C1前板上的編碼開關(guān)，編碼開關(guān)具有音量調(diào)節(jié)功能。開關(guān)旋鈕旋轉(zhuǎn)時，開關(guān)上端子輸出對應(yīng)的脈沖信號。當(dāng)MCU收到操作編碼開關(guān)的語音命令信號后，驅(qū)動端子輸出脈沖信號，模擬開關(guān)旋鈕功能。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件包括非特定人語音識別模塊和邏輯控制模塊。

2.1 非特定人語音識別模塊

非特定人語音識別模塊基于隱馬爾可夫模型算法。HMM算法通過對大量語音數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，建立識別詞條的統(tǒng)計模型語音庫，然后從待識別語音中提取特征，與模型庫進行匹配，由比較匹配分數(shù)得到識別結(jié)果，并通過SDA80D51的GPIO口輸出。非特定人語音識別模塊主要由信號預(yù)處理、特征參數(shù)提取、模型匹配和Viterbi算法部分組成，模塊框圖如圖3所示。

2.1.1 信號預(yù)處理

信號預(yù)處理部分主要完成輸入語音信號的采樣、 模/數(shù)轉(zhuǎn)換功能。A/D變換由SDA80D51內(nèi)嵌12位A/D變換器實現(xiàn)，采樣頻率固定為8 kHz。

2.1.2 特征參數(shù)提取

特征參數(shù)提取基于語音幀，采用分幀提取特片。先對語音信號進行重疊分幀，前一幀和后一幀重疊一半（幀信號重疊是體現(xiàn)相鄰兩幀數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性），幀長為25 ms，對每幀提取一次語音特片。

MFCC參數(shù)屬于感知頻域倒譜參數(shù)，反映了語音信號短時幅度譜的特征。p維MFCC參數(shù)的具體計算提取過程如下：

(1)用DFFT對每幀s(n:m)計算線性頻譜，計算頻譜模的平方為功率譜；

(2)功率譜經(jīng)過 Mel 濾波器組獲得到D個參數(shù)X(i)，D是Mel濾波器組中三角形濾波器的數(shù)量；

(3)對X(i)做對數(shù)運算和離散余弦變換，余弦變換計算公式如下:

式中的Y(i)是第i個Mel濾波器對數(shù)能量的輸出，i=1,2,…,D。

2.1.3 HMM語音識別算法

隱馬爾可夫算法采用概率統(tǒng)計模型描述語音信號，HMM模型建立在Markov 鏈基礎(chǔ)上，使用 MarKov 鏈來模擬語音信號統(tǒng)計特性的變化。HMM模型為雙重隨機過程，其一是Markov鏈，由（π，A）描述狀態(tài)的轉(zhuǎn)移，輸出為狀態(tài)序列；另一個是隨機過程，由B描述，在統(tǒng)計意義上B反映了狀態(tài)和觀察值之間的對應(yīng)關(guān)系，輸出為觀察值矢量序列。Markov鏈中狀態(tài)和時間參數(shù)都是離散的Markov 過程。

Viterbi 算法是一種幀同步動態(tài)規(guī)整算法，在給定觀察值序列和模型時，Viterbi算法給出了一個概率密度P(Q，O|λ)最大的狀態(tài)序列。Viterbi算法包括初始化、遞推、終止、路徑回溯和確定最佳狀態(tài)序列。

對于語音處理而言，因Q的變化，P(Q，O|λ)取值范圍很大，而P(Q，O|λ)的最大值占了全部P(Q，O|λ)的很大的成分，所以可以用Viterbi算法來計算P(O|λ)。

2.2 控制模塊

控制模塊的主要功能是：在AT89S51查詢到語音詞條信號后，查表獲得詞條編碼，根據(jù)編碼判斷對應(yīng)按鍵是長按或短按，分別進入相應(yīng)的子程序處理。在子程序中，輸出語音命令所對應(yīng)的I/O控制信號驅(qū)動繼電器吸合模擬按鍵或編碼開關(guān)動作，并及時復(fù)位I/O口。控制模塊還具有完全兼容手動控制的功能，在語音控制操作的同時也可以進行手動操作，手動的優(yōu)先級高于語音命令，這樣可以避免語音控制和手動控制之間沖突。

控制模塊部分程序代碼如下：

void main()
{…… //初始化
while(1)
{…… //初始化
while(P0 == 0x00) //等待語音信號
{ WDTRST=0x1E;
WDTRST=0xE1; //WD指令
YXSY=0;}
YXSY = 1;
if(date != P0)
{ delayms(6); //延時函數(shù)
date = P0;
if(date==1 || date==2) //開機、靜音
{ PWR = 0; //電源按鈕按下
delayms(200);
PWR = 1;} //電源按鈕松開
……
P1 = 0xff;
P2 = 0xff;}}}

3 系統(tǒng)實測結(jié)果

本系統(tǒng)在江淮同悅SL1102C1型車載音響上進行了非特定人語音識別率和模擬開關(guān)動作準(zhǔn)確率測試。由于汽車音響的語音詞條為2～4個字，語音識別率實驗內(nèi)容為車載音響常用2字詞條指令18條、3字詞條指令12條、4字詞條指令10條，實驗對象為6人4男、2女（普通話和方言），實驗環(huán)境為實驗室環(huán)境。為了提高系統(tǒng)的識別率，系統(tǒng)采用奧林巴斯 ME52定向麥克，提高了麥克接收范圍，系統(tǒng)測試結(jié)果如表1所示。

由表1可知，系統(tǒng)的識別率與語音指令詞條字數(shù)、麥克接收距離、說話人方言有關(guān)。男聲和女聲的識別率接近。

在系統(tǒng)控制電路實驗中，模擬開關(guān)動作達到了較高的準(zhǔn)確率，測試結(jié)果為98%以上，只要控制程序運行正常，各路繼電器就能按照程序安排執(zhí)行閉合和斷開模擬手動開關(guān)操作。

實現(xiàn)汽車電器的語音控制是未來車載電器的發(fā)展趨勢，越來越多的解決方案被不斷提出和驗證。本文提出的設(shè)計是在SL1102C1型車載音響上使用SDA80D51芯片，實現(xiàn)了車載音響非特定人的語音識別與控制。該設(shè)計得到的樣機有較高的識別率，工作穩(wěn)定、可擴展性強，達到預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)，整個設(shè)計方案和實現(xiàn)方法是可行的。由于語音識別率隨著環(huán)境、說話人不同而變化，雖然HMM算法在噪聲很少的環(huán)境下可以獲得很高的識別率，但當(dāng)測試語音或者環(huán)境中含有不同程度的噪聲污染時，語音識別系統(tǒng)的性能會有所下降。提高系統(tǒng)的抗噪性和魯棒性是語音識別系統(tǒng)走向?qū)嵱没年P(guān)鍵之一。