基于DSP和FPGA的機(jī)器人聲控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1 引言
    
     機(jī)器人聽覺系統(tǒng)主要是對人的聲音進(jìn)行語音識(shí)別并做出判斷，然后輸出相應(yīng)的動(dòng)作指令控制頭部和手臂的動(dòng)作，傳統(tǒng)的機(jī)器人聽覺系統(tǒng)一般是以PC機(jī)為平臺(tái)對機(jī)器人進(jìn)行控制，其特點(diǎn)是用一臺(tái)計(jì)算機(jī)作為機(jī)器人的信息處理核心通過接口電路對機(jī)器人進(jìn)行控制，雖然處理能力比較強(qiáng)大，語音庫比較完備，系統(tǒng)更新以及功能拓展比較容易，但是比較笨重，不利于機(jī)器人的小型化和復(fù)雜條件下進(jìn)行工作，此外功耗大、成本高。

     本次設(shè)計(jì)采用了性價(jià)比較高的數(shù)字信號處理芯片TMS320VC5509作為語音識(shí)別處理器，具有較快的處理速度，使機(jī)器人在脫機(jī)狀態(tài)下，獨(dú)立完成復(fù)雜的語音信號處理和動(dòng)作指令控制，FPGA系統(tǒng)的開發(fā)降低了時(shí)序控制電路和邏輯電路在PCB板所占的面積[1]，使機(jī)器人的"大腦"的語音處理部分微型化、低功耗。一個(gè)體積小、低功耗、高速度能完成特定范圍語音識(shí)別和動(dòng)作指令的機(jī)器人系統(tǒng)的研制具有很大的實(shí)際意義。

2 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)
 
     系統(tǒng)的硬件功能是實(shí)現(xiàn)語音指令的采集和步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制，為系統(tǒng)軟件提供開發(fā)和調(diào)試平臺(tái)。如圖1所示。

     FPGA根據(jù)DSP輸入的動(dòng)作指令產(chǎn)生正確的正反轉(zhuǎn)信號和準(zhǔn)確的脈沖給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，驅(qū)動(dòng)芯片提供步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。片外FLASH用于存儲(chǔ)系統(tǒng)程序和語音庫并完成系統(tǒng)的上電加載。JTAG口用于與PC機(jī)進(jìn)行聯(lián)機(jī)在線仿真，鍵盤則用于參數(shù)調(diào)整和功能的切換。

3 語音識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3．1 語音信號的特點(diǎn)

     語音信號的頻率成分主要分布在300～3400Hz之間，根據(jù)采樣定理選擇信號的采樣率為8 kHz。語音信號的一個(gè)特點(diǎn)在于他的"短時(shí)性"，有時(shí)在一個(gè)短時(shí)段呈現(xiàn)隨機(jī)噪聲的特性，而另一段表現(xiàn)周期信號的特性，或二者兼而有之。語音信號的特征是隨時(shí)間變化的，只有一段時(shí)間內(nèi)，信號才表現(xiàn)穩(wěn)定一致的特征，一般來說短時(shí)段可取5～50 ms，因此語音信號的處理要建立在其"短時(shí)性"上[2]，系統(tǒng)將語音信號幀長設(shè)為20 ms，幀移設(shè)為10 ms，則每幀數(shù)據(jù)為160×16 b。

3．2 語音信號的采集和播放

     語音采集和播放芯片采用的是TI公司生產(chǎn)的TLV320AIC23B，TLV320AIC23B的模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)和數(shù)模轉(zhuǎn)換(DAC)部件高度集成在芯片內(nèi)部，芯片采用8 k采樣率，單聲道模擬信號輸入，雙聲道輸出。TLV320AIC23具有可編程特性，DSP可通過控制接口來編輯該器件的控制寄存器，而且能夠編譯SPI，I2C兩種規(guī)格的接口，TLV320AIC23B與DSP5509的電路連接如圖2所示。

     MCBSP串口通過6個(gè)引腳CLKX，CLKR，F(xiàn)SX，F(xiàn)SR，DR和CX與TLV320AIC23相連。數(shù)據(jù)經(jīng)MCBSP串口與外設(shè)的通信通過DR和DX引腳傳輸，控制同步信號則由CLKX，CLKR，F(xiàn)SX，F(xiàn)SR四個(gè)引腳實(shí)現(xiàn)。將MCBSP串口設(shè)置為DSP Mode模式，然后使串口的接收器和發(fā)送器同步，并且由TLV320AIC23的幀同步信號LRCIN，LRCOUT啟動(dòng)串口傳輸，同時(shí)將發(fā)送接收的數(shù)據(jù)字長設(shè)定為32 b(左聲道16 b，右聲道16 b)單幀模式。

3．3 語音識(shí)別程序模塊的設(shè)計(jì)

     為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對非特定人語音指令的識(shí)別，系統(tǒng)采用非特定人的孤立詞識(shí)別系統(tǒng)。非特定人的語音識(shí)別是指語音模型由不同年齡、不同性別、不同口音的人進(jìn)行訓(xùn)練，在識(shí)別時(shí)不需要訓(xùn)練就可以識(shí)別說話人的語音[2]。系統(tǒng)分為預(yù)加重和加窗，短點(diǎn)檢測，特征提取，與語音庫的模式匹配和訓(xùn)練幾個(gè)部分。

3．3．1 語音信號的預(yù)加重和加窗

     預(yù)加重處理主要是去除聲門激勵(lì)和口鼻輻射的影響，預(yù)加重?cái)?shù)字濾波H(Z)=1一KZ-1，其中是為預(yù)加重系數(shù)，接近1，本系統(tǒng)中k取0．95。對語音序列X(n)進(jìn)行預(yù)加重，得到預(yù)加重后的語音序列x(n)：x(n)=X(n)一kX(n一1) (1)

    系統(tǒng)采用一個(gè)有限長度的漢明窗在語音序列上進(jìn)行滑動(dòng)，用以截取幀長為20 ms，幀移設(shè)為10 ms的語音信號，采用漢明窗可以有效減少信號特征的丟失。

3．3．2 端點(diǎn)檢測

     端點(diǎn)檢測在詞與詞之間有足夠時(shí)間間隙的情況下檢測出詞的首末點(diǎn)，一般采用檢測短時(shí)能量分布，方程為：

3．3．3特征向量提取

     特征向量是提取語音信號中的有效信息，用于進(jìn)一步的分析處理。目前常用的特征參數(shù)包括線性預(yù)測倒譜系數(shù)LPCC、美爾倒譜系數(shù)MFCC等。語音信號特征向量采用Mel頻率倒譜系數(shù)MFCC(Mel Frequency Cepstrum Coeficient的提取，MFCC參數(shù)是基于人的聽覺特性的，他利用人聽覺的臨界帶效應(yīng)[3]，采用MEL倒譜分析技術(shù)對語音信號處理得到MEL倒譜系數(shù)矢量序列，用MEL倒譜系數(shù)表示輸入語音的頻譜。在語音頻譜范圍內(nèi)設(shè)置若干個(gè)具有三角形或正弦形濾波特性的帶通濾波器，然后將語音能量譜通過該濾波器組，求各個(gè)濾波器輸出，對其取對數(shù)，并做離散余弦變換(DCT)，即可得到MFCC系數(shù)。MFCC系數(shù)的變換式可簡化為：

3．3．4 語音信號的模式匹配和訓(xùn)練

     模型訓(xùn)練即將特征向量進(jìn)行訓(xùn)練建立模板，模式匹配即將當(dāng)前特征向量與語音庫中的模板進(jìn)行匹配得出結(jié)果。語音庫的模式匹配和訓(xùn)練采用隱馬爾可夫模型HMM(Hidden Markov Models)，他是一種統(tǒng)計(jì)隨機(jī)過程統(tǒng)計(jì)特性的概率模型一個(gè)雙重隨機(jī)過程，因?yàn)殡[馬爾可夫模型能夠很好地描述語音信號的非平穩(wěn)性和可變性，因此得到廣泛的使用[4]。

     HMM的基本算法有3種：Viterbi算法，前向一后向算法，Baum-Welch算法。本次設(shè)計(jì)使用Viterbi算法進(jìn)行狀態(tài)判別，將采集語音的特征向量與語音庫的模型進(jìn)行模式匹配。Baum-Welch算法用來解決語音信號的訓(xùn)練，由于模型的觀測特征是幀間獨(dú)立的，從而可以使用Baum-Welch算法進(jìn)行HMM模型的訓(xùn)練。

3．4 語音識(shí)別程序的DSP開發(fā)

     DSP的開發(fā)環(huán)境為CCS3．1及。DSP／BIOS，將語音識(shí)別和訓(xùn)練程序分別做成模塊，定義為不同的函數(shù)，在程序中調(diào)用。定義語音識(shí)別器函數(shù)為int Recognizer(int Micin)，識(shí)別結(jié)果輸出函數(shù)為int Result(void)，語音訓(xùn)練器函數(shù)為int Train(int Tmode，int Audiod)，動(dòng)作指令輸入函數(shù)為int Keyin(int Action[5])。

     語音識(shí)別器的作用是將當(dāng)前語音輸入變換成語音特征向量，并對語音庫的模板進(jìn)行匹配并輸出結(jié)果，語音應(yīng)答輸出函數(shù)將獲取的語音識(shí)別結(jié)果對應(yīng)的語音應(yīng)答輸出，語音訓(xùn)練是將多個(gè)不同年齡、不同性別、不同口音的人語音指令輸入轉(zhuǎn)化為訓(xùn)練庫的模板。為防止樣本錯(cuò)誤，每個(gè)人的語音指令需要訓(xùn)練2次，對于2次輸入用用歐氏距離去進(jìn)行模式匹配，若2次輸入相似度達(dá)到95％，則加入樣本集。語音應(yīng)答輸入函數(shù)是為每個(gè)語音庫中模板輸入對立的語音輸出，以達(dá)到語言應(yīng)答目的。系統(tǒng)工作狀態(tài)為執(zhí)行語言識(shí)別子程序，訓(xùn)練時(shí)執(zhí)行外部中斷，執(zhí)行訓(xùn)練函數(shù)，取得數(shù)據(jù)庫模板，訓(xùn)練完畢返回。程序框圖如圖3所示。

4．1 FPGA邏輯設(shè)計(jì)

     系統(tǒng)通過語音控制機(jī)器人頭部動(dòng)作，頭部運(yùn)動(dòng)分為上下和左右運(yùn)動(dòng)2個(gè)自由度，需要2個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制，DSF完成語音識(shí)別以后，輸出相應(yīng)的動(dòng)作指令，動(dòng)作執(zhí)行結(jié)束后，DSP發(fā)出歸零指令，頭部回到初試狀態(tài)。FPGA的作用是提供DSP接口邏輯，設(shè)置存儲(chǔ)DSP指令的RAM塊，同時(shí)產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向和角度。

     FPGA器件為動(dòng)作指令控制單元，設(shè)計(jì)采用FLEXlOKE芯片，接收DSP數(shù)據(jù)后并行控制2路步進(jìn)電機(jī)。FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)邏輯如圖4所示，F(xiàn)PGA內(nèi)部設(shè)置2個(gè)元件為電機(jī)脈沖發(fā)生器，控制電機(jī)的工作脈沖以及正反轉(zhuǎn)。AO～A7為DSP數(shù)據(jù)輸入端口，WR為數(shù)據(jù)寫端口，P1，P2為2個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片脈沖輸入口，L1，L2為電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制口，ENABLE為使能信號。

4．2 FPGA邏輯仿真

     FPGA以MAX-PLUSⅡ開發(fā)平臺(tái)，用語言為VHDL語言對上述邏輯功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過JTAG接口進(jìn)行了調(diào)試，F(xiàn)LEXl0KE芯片能夠根據(jù)DSP輸出指令輸出正確的正反轉(zhuǎn)信號和脈沖波形。

4．3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

     FPGA通過P1，L1，P2，L2輸出控制控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用的是東芝公司生產(chǎn)的單片正弦細(xì)分二相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)專用芯片TA8435H，F(xiàn)PGA與TA8435H電路連接如圖6。

5 結(jié) 語

     系統(tǒng)充分利用了DSP的高處理速度和可擴(kuò)展的片外存儲(chǔ)空間，具有高速、實(shí)時(shí)、識(shí)別率高的特點(diǎn)并支持大的語音庫，F(xiàn)PGA的使用使系統(tǒng)電路獲得簡化，一片F(xiàn)LEXl0KE芯片可以完成2個(gè)步進(jìn)電機(jī)的時(shí)序控制。雖然在處理速度和語音庫的存儲(chǔ)容量上與PC機(jī)系統(tǒng)具有一定的差距，但在機(jī)器人的微型化、低功耗和特定功能實(shí)現(xiàn)上，以DSP和FPGA為核心的嵌入式系統(tǒng)無疑具有廣闊的前景。