嵌入式設計方案之ARM非特定人語音識別系統

引言

隨著高新技術在軍事、消費電子等領域的廣泛運用，語音識別技術逐漸成為人機交互的重要方式。傳統的鍵盤、按鈕、開關等交互方式已不能滿足現代應用的需求，人們迫切希望機器設備能夠“聽懂”人類的語音信息并進行交互。非特定人語音識別技術可以滿足不同人的語音識別要求，適合廣泛人群應用，因此成為研究和應用的熱點。本文將詳細介紹一種采用ARM處理器作為控制核心的非特定人語音識別系統的設計方案，并重點討論主控芯片的型號及其在設計中的作用。

系統概述

本設計方案利用IC Route公司的非特定語音識別芯片LD3320與ARM Cortex M3內核ST公司的32位高性能單片機STM32F103C8T6組成功能主體。系統通過構建SD卡文件系統，實現識別列表關鍵詞的動態編輯，具有高性價比、交互簡易、識別率高、擴展性強等特點，適用于嵌入式語音識別場合。

主控芯片型號及其作用

STM32F103C8T6

1. 芯片介紹

STM32F103C8T6是ST公司推出的一款基于ARM Cortex-M3內核的32位高性能單片機。該芯片采用LQFP48封裝，擁有豐富的外設接口和高速存儲器，可以滿足高穩定性、低功耗、實時性、高性價比的嵌入式產品應用需求。

2. 性能參數

• 工作頻率：最高可達72 MHz。

• 內置存儲器：64 KB的閃存和20 KB的SRAM。

• 外設接口：包括I2C、SPI、USART、USB、CAN等總線或串行通信接口。

• 定時器和ADC：通用16位定時器、12位ADC等。

3. 在設計中的作用

STM32F103C8T6作為系統的控制核心，主要承擔以下任務：

• 初始化系統：包括內部時鐘、SD卡文件系統、SPI相關寄存器、SDIO數據初始化、中斷設置等。

• 協調各部分工作：通過SPI總線與LD3320語音識別芯片進行通信，控制其進行語音識別和音頻解碼；通過串口與其他模塊進行數據傳輸。

• 處理識別結果：接收LD3320的識別結果，并根據需求輸出響應信息或解碼音頻。

STM32F103C8T6的高性能、低功耗和豐富的外設接口使其成為非特定人語音識別系統的理想選擇。其高速的處理能力和穩定的性能保證了系統的實時性和識別率。

系統詳細設計

系統組成

本系統主要由STM32F103C8T6微控制器、LD3320語音識別芯片、SD卡電路、電源電路、用戶按鍵輸入電路、串口數據輸出電路、狀態指示電路等組成。

1. LD3320語音識別芯片

LD3320是非特定人語音識別的專用芯片，內部集成了語音識別處理器和一些信號調制電路。用戶只需要用軟件編輯好待識別的關鍵詞列表，LD3320最大可以支持50條關鍵詞句。該芯片支持并行數據通信和串行數據通信，本系統設計中考慮對主控I/O資源的占用問題，選用串行通信方式對LD3320進行數據傳送和控制。

2. SD卡電路

系統通過SD卡文件系統實現識別列表關鍵詞的動態編輯。SD卡需要實現格式化，其中包含一個名為system.ini的配置文件，該文件包含了待識別的關鍵詞列表。系統上電后，STM32F103C8T6會初始化SD卡文件系統，讀取system.ini配置文件，并將關鍵詞列表和長度信息傳送給LD3320，啟動識別過程。

3. 電源電路

語音識別單元對電源供電電路的要求較高，系統中采用LDO芯片LM1117-3.3V為語音識別系統供電，并通過電感、電容進行濾波，確保供電的純凈度。

4. 用戶按鍵輸入電路和串口數據輸出電路

用戶按鍵輸入電路用于接收用戶的操作指令，如啟動識別、停止識別等。串口數據輸出電路用于輸出識別結果或解碼后的音頻數據。

5. 狀態指示電路

狀態指示電路用于顯示系統的當前狀態，如初始化狀態、識別狀態、解碼狀態等，方便用戶進行觀察和調試。

系統工作流程

系統上電后，首先進行各項初始化，包括STM32F103C8T6內部時鐘、SD卡文件系統、SPI相關寄存器、中斷設置等。然后，系統會在SD卡中尋找system.ini配置文件，讀取關鍵詞識別列表內容，并將關鍵字句列表和長度信息傳送給LD3320。隨后，系統進入等待識別音頻接收狀態。當接收到識別音頻后，LD3320會進行語音識別，并將識別結果通過串口發送給STM32F103C8T6。STM32F103C8T6根據識別結果輸出響應信息或解碼音頻。

語音識別過程

語音識別過程通常分為“前端”和“后端”兩大模塊。

1. 前端模塊

前端模塊主要負責進行端點檢測、降噪、特征提取等。端點檢測用于確定語音信號的開始和結束位置；降噪用于去除語音信號中的噪聲干擾；特征提取用于提取語音信號中的關鍵特征，以便后續進行模式識別。

2. 后端模塊

后端模塊主要利用訓練好的“聲學模型”和“語言模型”對用戶說話的特征向量進行統計模式識別，得到其包含的文字信息。此外，后端模塊還存在一個“自適應”的反饋模塊，可以對用戶的語音進行自學習，從而對“聲學模型”和“語言模型”進行必要的“校正”，進一步提高識別的準確率。

系統特點

• 高性價比：采用STM32F103C8T6和LD3320組合，降低了硬件成本，提高了系統的性價比。

• 交互簡易：用戶只需要通過編輯SD卡中的system.ini文件即可實現識別列表關鍵詞的動態編輯，操作簡便。

• 識別率高：采用先進的語音識別算法和優化的電路設計，提高了系統的識別率。

• 擴展性強：系統具有豐富的外設接口和高速的處理器性能，方便后續的功能擴展和升級。

應用領域

嵌入式非特定人語音識別系統具有體積小、可靠性高、功耗低、價格低、易于商品化等特點，應用領域十分廣泛。

1. 智能玩具

嵌入式非特定人語音識別系統可以作為智能玩具的控制核心，通過語音識別實現玩具的語音交互和控制。

2. 學習機

在學習機中，嵌入式非特定人語音識別系統可以實現語音問答、語音點讀等功能，提高學習效果。

3. 消費電子

在消費電子領域，嵌入式非特定人語音識別系統可以作為智能家居、智能音箱等產品的控制核心，實現語音控制家電、播放音樂等功能。

4. 模擬訓練器

在軍事領域，嵌入式非特定人語音識別系統可以作為模擬訓練器的示教與回放系統的核心組件，實現操作人員的語音交互和訓練過程記錄。

結論

本文介紹了一種采用ARM處理器作為控制核心的非特定人語音識別系統的設計方案。該方案利用STM32F103C8T6和LD3320組合，通過構建SD卡文件系統實現識別列表關鍵詞的動態編輯，具有高性價比、交互簡易、識別率高、擴展性強等特點。系統體積小、可靠性高、功耗低，適用于嵌入式語音識別場合。隨著語音識別技術的不斷發展和應用領域的不斷拓展，嵌入式非特定人語音識別系統將在更多領域發揮重要作用。