基于TMS320C6713的語音識別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：通過選用德州儀器公司帶浮點(diǎn)功能的TMS320C6713DSP芯片作為系統(tǒng)核心處理器，結(jié)合MSP430單片機(jī)作為外圍控制器，給出了一種實(shí)時(shí)語音識別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)核心算法采用美爾頻率倒譜系數(shù)作為特征參數(shù)進(jìn)行特征提取和動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整(DTW)算法進(jìn)行模式匹配。通過編程調(diào)試，該系統(tǒng)具有良好的靈活性和實(shí)時(shí)性，在抗噪聲、魯棒性和識別率等方面有明顯的提高。該系統(tǒng)在許多領(lǐng)域可作為實(shí)用化的一種參考。
關(guān)鍵詞：語音識別；數(shù)字信號處理器；美爾頻率倒譜系數(shù)；動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整

0 引言
    語音識別是一種最為理想的人機(jī)通信方式。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，語音識別技術(shù)已經(jīng)逐漸應(yīng)用于控制、通信、消費(fèi)等行業(yè)。但是，語音識別系統(tǒng)在商品化的進(jìn)程中還存在著諸如識別速度、系統(tǒng)魯棒性以及更高的識別率等具體問題。如何提高語音識別系統(tǒng)的這些性能，使系統(tǒng)更快、更穩(wěn)定地工作是目前研究的重點(diǎn)。本文正是基于這種思想，通過選用德州儀器公司帶浮點(diǎn)功能的DSP芯片TMS320C6713(主頻為200 MHz)作為語音信號處理的核心處理器，同時(shí)結(jié)合MSP430單片機(jī)作為外圍控制器共同構(gòu)建硬件系統(tǒng)，以美爾頻率倒譜系數(shù)作為語音信號特征參數(shù)，結(jié)合動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整孤立詞識別算法進(jìn)行模式匹配，設(shè)計(jì)了一種具有良好實(shí)時(shí)性和高識別率及魯棒性的語音識別系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    本設(shè)計(jì)的整個(gè)硬件系統(tǒng)是以DSP為核心電路對語音信號進(jìn)行采集和處理，再經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換電路把模擬語音信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字語音信號，然后送入DSP芯片進(jìn)行匹配識別，最后將識別后的結(jié)果通過單片機(jī)控制模塊外接的兩個(gè)紅綠顏色的二極管進(jìn)行處理表示，其中紅色表示拒絕命令，綠色表示接受命令。系統(tǒng)的硬件平臺主要由DSP系統(tǒng)核心處理模塊、語音信號采集模塊、單片機(jī)控制模塊、外擴(kuò)存儲器模塊和外圍電路等幾個(gè)模塊構(gòu)成。系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)總體方案框圖如圖1所示。

1．1 DSP系統(tǒng)核心處理模塊
    作為系統(tǒng)的核心模塊DSP芯片采用TMS320C6713，該芯片的主頻可達(dá)200 MHz。這是TI公司推出的一種新型的浮點(diǎn)DSP芯片，是繼定點(diǎn)DSP芯片TMS320C62X系列后開發(fā)的。該芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)在TMS320C62X的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，內(nèi)部同樣集成了多個(gè)功能單元，可同時(shí)執(zhí)行8條指令，其運(yùn)算能力可達(dá)1G FLOPS。片內(nèi)具有豐富的外設(shè)，如EDMA、EMIF、McBSP、HPI、GPIO等。
    TMS320C6713以其出色的運(yùn)算能力、高效的指令集、智能外設(shè)、大容量的片內(nèi)存儲器和大范圍的尋址能力，十分適合對運(yùn)算能力和存儲量有高要求的應(yīng)用場合。
1．2 語音信號采集模塊
    本設(shè)計(jì)中，語音的采集處理選用TI公司生產(chǎn)的一種高性能立體聲音頻編解碼器TLV320AIC23。該芯片能夠與C6713的MCBSP接口實(shí)現(xiàn)無縫連接，接口設(shè)計(jì)簡單而且功耗低，因此可大大簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。TLV320AIC23芯片與數(shù)字系統(tǒng)的接口有右判斷模式、左判斷模式、I2S模式和DSP模式四種。本系統(tǒng)中采用DSP模式，與C6713的McBSP0、McBSP1連接，其中McBSP0負(fù)責(zé)收發(fā)數(shù)據(jù)，MCBSP1負(fù)責(zé)對AIC23芯片進(jìn)行控制。
1．3 外擴(kuò)存儲器模塊
    一般的DSP芯片內(nèi)部都有內(nèi)置的存儲器RAM和ROM，但對許多DSP應(yīng)用來說，這些存儲空間是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。掉電后程序和數(shù)據(jù)無法保存，而需要從外部加載程序。所以，一般都要在片外進(jìn)行存儲器擴(kuò)展。TMS320C6713的EMIF具有很強(qiáng)的接口能力，幾乎對所有的存儲器都能夠?qū)崿F(xiàn)無縫連接。EMIF的外部空間容量為64 MB，分為4個(gè)空間CE0～CE3，每個(gè)CE空間彼此獨(dú)立，可以進(jìn)行不同的訪問控制。本系統(tǒng)通過EMIF擴(kuò)展了兩個(gè)存儲空間：其中數(shù)據(jù)存儲空間(SDRAM)分配在CE0；程序存儲空間(FLASHROM)分配在CE1。而語庫存儲空間SD卡則是通過MCBSPI的SPI總線擴(kuò)展的。
1．4 單片機(jī)控制模塊
    系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選用TI的MSP430F149低功耗單片機(jī)作為另一個(gè)主控處理器，用它來控制LCD顯示、鍵盤(模式控制)和兩路LED(顯示識別結(jié)果)。由于像液晶和鍵盤這樣的慢速外設(shè)很難和高速的DSP協(xié)調(diào)工作，因而設(shè)計(jì)中選用單片機(jī)來控制它們，這樣可以把DSP解放出來去集中完成語音數(shù)據(jù)處理工作，以節(jié)約大量時(shí)間，提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。
1．5 外圍模塊
    此外，本系統(tǒng)的外圍模塊還包括電源供電模塊、時(shí)鐘電路及復(fù)位電路等。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)的軟件開發(fā)環(huán)境是TI公司提供的集成開發(fā)環(huán)境CCS3．1(code composer studio)。CCS具有環(huán)境配置、源文件編譯、程序調(diào)試、分析和跟蹤等工具。用戶可以在一個(gè)軟件環(huán)境下完成編譯、連接和調(diào)試等工作。圖2所示是本系統(tǒng)的軟件流程圖。

    本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)過程中，采用的是模塊化的程序設(shè)計(jì)方法，以便于程序的設(shè)計(jì)和調(diào)用。也就是以語音識別的基本過程為依據(jù)進(jìn)行模塊劃分，每個(gè)模塊又分為幾個(gè)子模塊，再以模塊為單元進(jìn)行編程和調(diào)試。軟件設(shè)計(jì)主要包括的程序有：語音識別預(yù)處理子程序、端點(diǎn)檢測子程序、參數(shù)提取子程序、語音訓(xùn)練(生成參考模塊)子程序、判決子程序以及應(yīng)用于DSP的自舉程序。
    程序設(shè)計(jì)以C語言為主體，在進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)，結(jié)合使用匯編語言來實(shí)現(xiàn)，這樣既能較好地兼顧程序的可讀性，又可以提高系統(tǒng)的運(yùn)算效率。

3 結(jié)論
    本文選用TI公司的32位浮點(diǎn)信號處理芯片TMS320C6713和TI的低功耗單片機(jī)MSP430F149來共同搭建語音識別硬件系統(tǒng)平臺，從而設(shè)計(jì)了一種實(shí)時(shí)語音信號識別系統(tǒng)。通過軟件編程和調(diào)試，本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對非特定人、孤立詞的識別，并可以達(dá)到預(yù)期的效果，而且在實(shí)時(shí)性、抗噪聲、魯棒性和識別率等方面都具有較明顯的提高。
    本文的創(chuàng)新點(diǎn)是：采用單片機(jī)和DSP處理器協(xié)調(diào)工作，用單片機(jī)去控制鍵盤、液晶顯示這樣的慢速外設(shè)，從而把高速DSP和慢速外設(shè)分開，以大大提高DSP的數(shù)據(jù)處理效率，進(jìn)而提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。