基于16位微控制器的小車語音控制系統(tǒng)

引言

　　SPCE061A是一款16位微控制器，其高速的處理和特殊的內(nèi)核結(jié)構(gòu)使它能夠非?？焖俚靥幚韽碗s的數(shù)字信號，同時其內(nèi)嵌32KB的FLASH ROM和2KB的SRAM能夠存儲所需的數(shù)據(jù)和程序，特別是其所提供的語音識別函數(shù)可供方便地進行調(diào)用，不需要過多地考慮語音算法，為語音識別設計帶來了很大的方便。本文選用SPCE061A作為該系統(tǒng)的控制核心，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

　　方案論證

　　主控模塊和語音處理模塊的選擇

　　較MCS-51系列單片機而言， SPCE061A單片機內(nèi)部集成有32KB的ROM、2KB的SRAM，更能滿足軟件對空間的要求，且不需要擴展相關存儲器。另外，該類單片機完全支持C語言，軟件編寫比較方便，語音處理模塊采用凌陽的語音壓縮算法，也用軟件來實現(xiàn)。該單片機內(nèi)部集成有A/D、D/A轉(zhuǎn)換功能，方便實現(xiàn)語音錄放功能。

　　電機模塊的選擇

　　電機模塊選擇直流電機。與步進電機相比較而言，直流電機具有轉(zhuǎn)速快、控制方便等特點，更能夠滿足小車較高速行駛情況的要求，如圖2所示。

　　圖2 電機控制模塊原理圖

　　測路程方案的選擇

　　本文利用紅外對管來實現(xiàn)對小車的路程測量。在小車的車輪轉(zhuǎn)軸上安裝一個不透光轉(zhuǎn)盤，在轉(zhuǎn)盤邊緣均勻地打N個孔，當紅外發(fā)射管發(fā)射的紅外光經(jīng)小孔照射到接收管時，接收管的反向端電平將發(fā)生變化，單片機通過檢測這種電平的變化便可以自行計算出小車的運行路程。紅外對管還具有體積較小、安裝較霍爾傳感器更方便、成本低等特點。

　　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　語音控制小車的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要由兩部分組成：一部分是SPCE061A精簡開發(fā)板，另外一部分是電機控制板。SPCE061A精簡開發(fā)板為系統(tǒng)主控模塊，電機控制板則驅(qū)動小車的前后兩個電機按系統(tǒng)的要求工作。

　　小車控制板主要包括接口模塊、電機控制模塊、預留傳感器接口以及電源模塊等幾部分。其中，電源模塊采用集成穩(wěn)壓芯片 L7805，在輸出端(控制板的JP11)并接了一個470μF的去耦電容和一個 0.1μF的濾波電容，增強了系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性和抗干擾性能。

　　電機控制模塊是整個控制板的核心部分，其根據(jù)61板的具體輸出信號啟動或停止相應的電機，并調(diào)整電機的正反轉(zhuǎn)方向，實現(xiàn)小車的前進、倒退等功能。后電機的控制電路包括方向控制和速度控制兩個單元，前電機的控制電路則只有方向控制單元?？刂茊卧撠熜≤囯姍C的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止三態(tài)控制。速度控制單元是擴展單元，以適應不同的場合需求。

　　紅外對管測小車運行路程部分的原理圖如圖3所示。

　　圖3 紅外對管電路原理圖

　　紅外發(fā)光管D2和接收管U4安裝在同一水平線上，發(fā)射管D2一直處于發(fā)射工作狀態(tài)。當D2和U4間沒有被擋住，即D2發(fā)射的紅外線照射在U4上時，U4的2腳和3腳導通，同時2腳和1腳也導通，此時晶體管Q1的基極電壓為Ub=VDD×R12/(R12+R10)，Q1導通，SPEED端近似于接地，呈低電平狀態(tài)。當D2和U4間被擋住時，即D2發(fā)射的紅外線不能照射在U4上時，U4的2腳和3腳截止，同時2腳和1腳也截止，此時Q1的基極經(jīng)電阻R12和R10接地，即基極電壓為0V，此時Q1截止，SPEED端經(jīng)電阻R11接到VDD，呈高電平狀態(tài)。單片機通過檢測這種高低電平的變化來實現(xiàn)小車的路程測量。

　　 [!--empirenews.page--]軟件部分

　　主程序流程

　　小車的主程序流程圖如圖4所示，主要分為四部分：初始化部分、訓練部分、識別部分和重訓操作。

　　圖4 主程序流程圖

　　初始化部分的初始化操作會將SPCE061A單片機上的IOB13~IOB10設置為輸出端，用以控制電機。將其IOA的低8位IOA0~IOA7設置為下拉的輸入端，用來連接按鍵。

　　訓練部分完成的工作是建立語音模型。程序一開始會判斷小車是否被訓練過，如果沒有訓練過，系統(tǒng)會要求對其進行訓練，并且會在訓練成功之后將訓練的模型存儲到Flash中;如果已經(jīng)訓練過則會把存儲在Flash中的模型調(diào)出，裝載到辨識器中。

　　在識別環(huán)節(jié)當中，如果辨識結(jié)果是名字，直接置待命標志，然后等待動作命令。只有檢測到待命標志，小車才會根據(jù)相應的辨識結(jié)果執(zhí)行動作。如果沒有待命標志，即使識別到動作命令也不會執(zhí)行動作。小車在執(zhí)行完對應的命令之后清除待命標志，結(jié)束待命狀態(tài)。

　　考慮到有重新訓練的需求，這里設置了重新訓練的按鍵。程序運行時循環(huán)掃描該按鍵，什么時間檢測到此鍵按下，則將擦除語音模型存儲區(qū)首單元(0xe000)所在的頁，等待復位到來。復位后，程序重新從頭開始執(zhí)行，當檢測到語音模型存儲區(qū)首地址為0xffff(擦除后的值)時，系統(tǒng)會要求重新對其進行訓練。

　　FIQ中斷服務程序

　　FIQ中斷服務程序用來調(diào)用語音辨識子程序，并對a2000格式的語音進行解碼播放。

　　調(diào)試及性能分析

　　系統(tǒng)的調(diào)試以程序為主。硬件調(diào)試時，首先檢查電路的焊接是否正確，然后用萬用表測試或通電檢測。軟件調(diào)試則需要分別進行主程序、FIQ中斷服務程序、顯示子程序等的編程及調(diào)試。本程序采用單片機匯編語言編寫，用KEIL uVision2編譯器編程調(diào)試。軟件調(diào)試直到語音能夠控制小車的行駛狀態(tài)，并顯示出小車的行駛距離等功能為止。

　　結(jié)語

　　本文設計的語音控制系統(tǒng)主要采用16位單片機SPCE061A來實現(xiàn)。軟件編程則是采用C語言和匯編語言的混合編程來實現(xiàn)的，集兩種語言的優(yōu)點于一體，實現(xiàn)對硬件的實時控制。通過實驗驗證，該語音控制系統(tǒng)主要可實現(xiàn)以下功能：

　　(1) 可以通過語音命令來控制小車的行駛狀態(tài)，實現(xiàn)前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等功能;

　　(2) 顯示小車的運行時間以及運行路程;

　　(3) 可以擴展控制板的調(diào)速環(huán)節(jié)，利用系統(tǒng)的PWM資源，實現(xiàn)小車的PWM調(diào)速;

　　(4) 預留多路開關型傳感器接口，可以自行安裝各類傳感器，配合程序?qū)崿F(xiàn)小車的循跡、避障等功能。