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

1 引言

機(jī)器人聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)主要是對(duì)人的聲音進(jìn)行語(yǔ)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(tīng)覺(jué)系統(tǒng)一般是以PC機(jī)為平臺(tái)對(duì)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(guò)接口電路對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制，雖然處理能力比較強(qiáng)大，語(yǔ)音庫(kù)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(hào)處理芯片TMS320VC5509作為語(yǔ)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(yǔ)音信號(hào)處理和動(dòng)作指令控制，F(xiàn)PGA系統(tǒng)的開(kāi)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(yǔ)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(yǔ)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(yǔ)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(kāi)發(fā)和調(diào)試平臺(tái)。如圖1所示。

系統(tǒng)硬件分為語(yǔ)音信號(hào)的采集和播放，基于DSP的語(yǔ)音識(shí)別，F(xiàn)PGA動(dòng)作指令控制、步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)、DSP外接閃存芯片，JTAG口仿真調(diào)試和鍵盤(pán)控制幾個(gè)部分。工作流程是麥克風(fēng)將人的語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)，在經(jīng)過(guò)音頻芯片TLV320AIC23量化轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)輸入DSP．DSP完成識(shí)別后，輸出動(dòng)作指令。

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(hào)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(hào)，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(yǔ)音庫(kù)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(pán)則用于參數(shù)調(diào)整和功能的切換。
3 語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3．1 語(yǔ)音信號(hào)的特點(diǎn)

語(yǔ)音信號(hào)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(hào)的采樣率為8 kHz。語(yǔ)音信號(hào)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(hào)的特性，或二者兼而有之。語(yǔ)音信號(hào)的特征是隨時(shí)間變化的，只有一段時(shí)間內(nèi)，信號(hào)才表現(xiàn)穩(wěn)定一致的特征，一般來(lái)說(shuō)短時(shí)段可取5～50 ms，因此語(yǔ)音信號(hào)的處理要建立在其"短時(shí)性"上[2]，系統(tǒng)將語(yǔ)音信號(hào)幀長(zhǎng)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(yǔ)音信號(hào)的采集和播放

語(yǔ)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(hào)輸入，雙聲道輸出。TLV320AIC23具有可編程特性，DSP可通過(guò)控制接口來(lái)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。

DSP采用I2C口對(duì)TLV320AIC23的寄存器進(jìn)行設(shè)置。當(dāng)MODE=O時(shí)，為I2C規(guī)格的接口，DSP采用主發(fā)送模式，通過(guò)I2C口對(duì)地址為0000000～0001111的11個(gè)寄存器進(jìn)行初始化。I2C模式下，數(shù)據(jù)是分為3個(gè)8 b寫(xiě)入的。而TLV320AIC23有7位地址和9位數(shù)據(jù)，也就是說(shuō)，需要把數(shù)據(jù)項(xiàng)上面的最高位補(bǔ)充到第二個(gè)8 B中的最后一位。

MCBSP串口通過(guò)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(guò)DR和DX引腳傳輸，控制同步信號(hào)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(hào)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(zhǎng)設(shè)定為32 b(左聲道16 b，右聲道16 b)單幀模式。

3．3 語(yǔ)音識(shí)別程序模塊的設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)非特定人語(yǔ)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(yǔ)音識(shí)別是指語(yǔ)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(shuō)話人的語(yǔ)音[2]。系統(tǒng)分為預(yù)加重和加窗，短點(diǎn)檢測(cè)，特征提取，與語(yǔ)音庫(kù)的模式匹配和訓(xùn)練幾個(gè)部分。

3．3．1 語(yǔ)音信號(hào)的預(yù)加重和加窗

預(yù)加重處理主要是去除聲門(mén)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(duì)語(yǔ)音序列X(n)進(jìn)行預(yù)加重，得到預(yù)加重后的語(yǔ)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(zhǎng)度的漢明窗在語(yǔ)音序列上進(jìn)行滑動(dòng)，用以截取幀長(zhǎng)為20 ms，幀移設(shè)為10 ms的語(yǔ)音信號(hào)，采用漢明窗可以有效減少信號(hào)特征的丟失。

3．3．2 端點(diǎn)檢測(cè)

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

其中，x(n)為漢明窗截取語(yǔ)音序列，序列長(zhǎng)度為160，所以N取160，為對(duì)于無(wú)音信號(hào)E(n)很小，而對(duì)于有音信號(hào)E(n)會(huì)迅速增大為某一數(shù)值，由此可以區(qū)分詞的起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)。

3．3．3特征向量提取

特征向量是提取語(yǔ)音信號(hào)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(cè)倒譜系數(shù)LPCC、美爾倒譜系數(shù)MFCC等。語(yǔ)音信號(hào)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(tīng)覺(jué)特性的，他利用人聽(tīng)覺(jué)的臨界帶效應(yīng)[3]，采用MEL倒譜分析技術(shù)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)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(yǔ)音的頻譜。在語(yǔ)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(yǔ)音能量譜通過(guò)該濾波器組，求各個(gè)濾波器輸出，對(duì)其取對(duì)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(jiǎn)化為：

其中，i為三角濾波器的個(gè)數(shù)，本系統(tǒng)選P為16，F(xiàn)(k)為各個(gè)濾波器的輸出數(shù)據(jù)，M為數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。

3．3．4 語(yǔ)音信號(hào)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(yǔ)音庫(kù)中的模板進(jìn)行匹配得出結(jié)果。語(yǔ)音庫(kù)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(guò)程統(tǒng)計(jì)特性的概率模型一個(gè)雙重隨機(jī)過(guò)程，因?yàn)殡[馬爾可夫模型能夠很好地描述語(yǔ)音信號(hào)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(yǔ)音的特征向量與語(yǔ)音庫(kù)的模型進(jìn)行模式匹配。Baum-Welch算法用來(lái)解決語(yǔ)音信號(hào)的訓(xùn)練，由于模型的觀測(cè)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(yǔ)音識(shí)別程序的DSP開(kāi)發(fā)

DSP的開(kāi)發(fā)環(huán)境為CCS3．1及。DSP／BIOS，將語(yǔ)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(yǔ)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(yǔ)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(yǔ)音識(shí)別器的作用是將當(dāng)前語(yǔ)音輸入變換成語(yǔ)音特征向量，并對(duì)語(yǔ)音庫(kù)的模板進(jìn)行匹配并輸出結(jié)果，語(yǔ)音應(yīng)答輸出函數(shù)將獲取的語(yǔ)音識(shí)別結(jié)果對(duì)應(yīng)的語(yǔ)音應(yīng)答輸出，語(yǔ)音訓(xùn)練是將多個(gè)不同年齡、不同性別、不同口音的人語(yǔ)音指令輸入轉(zhuǎn)化為訓(xùn)練庫(kù)的模板。為防止樣本錯(cuò)誤，每個(gè)人的語(yǔ)音指令需要訓(xùn)練2次，對(duì)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(yǔ)音應(yīng)答輸入函數(shù)是為每個(gè)語(yǔ)音庫(kù)中模板輸入對(duì)立的語(yǔ)音輸出，以達(dá)到語(yǔ)言應(yīng)答目的。系統(tǒng)工作狀態(tài)為執(zhí)行語(yǔ)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(kù)模板，訓(xùn)練完畢返回。程序框圖如圖3所示。

4 機(jī)器人的動(dòng)作控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4．1 FPGA邏輯設(shè)計(jì)
系統(tǒng)通過(guò)語(yǔ)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(yǔ)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(xiě)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(hào)。

RAM1和RAM2分別為2個(gè)步進(jìn)電機(jī)的指令寄存器，電機(jī)脈沖發(fā)生器發(fā)出與RAM中相應(yīng)數(shù)量的方波脈沖。DSP通過(guò)DO～D8數(shù)據(jù)端輸出8位指令，其中。D8為RAM選擇，為1時(shí)選擇RAM1，為0時(shí)選擇RAM0，DO～D7為輸出電機(jī)角度，電極上下和左右旋轉(zhuǎn)角度為120°，精度為1°，初始值都為60°，DO～D7的范圍為00000000～11111000，初始值為00111100。FPGA作為步進(jìn)脈沖發(fā)生器，通過(guò)時(shí)鐘周期配置控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，與初始值對(duì)應(yīng)坐標(biāo)決定正反轉(zhuǎn)。系統(tǒng)動(dòng)作指令程序如圖5所示。

其中R1為DSP指令寄存器，R2為當(dāng)前坐標(biāo)寄存器，通過(guò)DSP的輸出坐標(biāo)與FPGA的當(dāng)前坐標(biāo)進(jìn)行差值運(yùn)算來(lái)確定步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)角度，優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)新的輸入指令的變化，結(jié)束當(dāng)前動(dòng)作以運(yùn)行新的指令，指令執(zhí)行完畢后，系統(tǒng)清零，步進(jìn)電機(jī)回到初始狀態(tài)。

4．2 FPGA邏輯仿真

FPGA以MAX-PLUSⅡ開(kāi)發(fā)平臺(tái)，用語(yǔ)言為VHDL語(yǔ)言對(duì)上述邏輯功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過(guò)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(hào)和脈沖波形。

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

FPGA通過(guò)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(zhuān)用芯片TA8435H，F(xiàn)PGA與TA8435H電路連接如圖6。

由于FLEX1OKE和TMS320VC5509工作電壓為3．3 V，而TA8435H為5 V和25 V，所以管腳連接使用光電耦合器件TLP521，使兩邊電壓隔離。CLK1為時(shí)鐘輸入腳，CW／CCW為正反轉(zhuǎn)控制腳，A，A，B，B為二相步進(jìn)電機(jī)輸入。

5 結(jié) 語(yǔ)

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(yǔ)音庫(kù)，F(xiàn)PGA的使用使系統(tǒng)電路獲得簡(jiǎn)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(yǔ)音庫(kù)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(wú)疑具有廣闊的前景。

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