王洪伟 孙 超 刘明鑫
（吉林大学 仪器科学与电气工程学院 长春 130022）
摘要：与机器进行语言交互是人们长期以来的梦想。本设计主要运用LD3320语音识别模块，在STM32F103单片机系统下，进行了语音智能控制系统的总体框架、主电路和语音识别芯片LD3320的设计,完成了基于非特殊一类人的语音识别系统的实验测试，其对于语音识别正确率可达85%，达到了良好的实验目的。本系统具有成本低、稳定性好和识别度高特点，因而有着光明的前景。
关键词：语音识别；单片机；语音控制
Research on Embedded Speech Recognition System Based on LD3320
Wang Hongwei Sun Chao Liu Mingxin
(School of Instrument Science and Electrical Engineering Jilin University Changchun 130022 China)
Abstract：Language interaction with machines is a long-term dream of people. This design mainly uses the LD3320 speech recognition module. Under the STM32F103 single-chip microcomputer system, the overall framework of the speech intelligent control system, the main circuit and the speech recognition chip LD3320 are designed, and the experimental test of the speech recognition system based on a non-special type of person is completed. Its accuracy rate for speech recognition can reach 85%, achieving a good experimental purpose. This system has the characteristics of low cost, good stability and high recognition, so it has a bright future.
Key words：Voice recognition Single chip microcomputer Voice control
前言：
语言是人类交流沟通的主要手段，与机器进行语言交互是人们长期以来的梦想。语音识别技术是具有长久研究价值的先进技术。通过语音控制的智能设备，使用十分便捷迅速，解放了人类的双手，很具有商业价值，也将对人民生活有巨大帮助。语音控制技术大量应用于智能家电、养老中心、驾驶导航、智能音箱等领域[1-3]。
1语音识别原理概述
运用了声音信号采集设备装置对其进行了采集,将其中的语音信号经过采样和滤波,之后通过加窗、对频谱信息进行了分析等一系列预处理操作,然后将其中有关的特征量提取出来,对其中的特征量经训练后得到参考模型,并将其输送至参考模式匹配系统,与其中的参考模型数据库进行对比,最后判断出语音识别的结果[4]。语音识别过程如图1所示。
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图1 语音识别过程示意图
Fig. 1 Schematic diagram of speech recognition process
本文所采取的方案主要是基于一个嵌入式系统,运用了语音识别芯片LD3320以及其他相关驱动、辅助电路组合而形成。
2总体方案设计
整个系统主要包括核心主控制电路和语音识别分析电路两个部分。主控制电路采用STM系列单片机，语音识别分析采用LD3320语音识别芯片。系统结构框图如图2所示。
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图2 系统结构框图
Fig. 2 System structure block diagram
在非特定人语音输入后，在辅助电路的帮助下LD3320将语音命令分析，随后把处理过的结果传输到控制板STM32，主控制器将传输过来的数字信号处理后，发送命令数据到外部设备，达到语音控制的目的。
3硬件电路设计
硬件电路主要包括由单片机构成的控制电路和语音采集、分析电路。关键在于 LD3320对语音命令进行采集，读取和判断。
3.1 主控制电路
硬件电路图如图3所示，控制设备包括两个LED灯，一个28BYJ48步进电机，一个小风扇。当设备开启后，LD3320就会采集非特定语音，之后就会将语音命令与之前设定好的语音识别列表进行匹配，无论匹配是否成功，都会将分析的结果以数字信号的方式传输到主控制电路 ，主控制器分析处理后，会将命令数据发送到端口，端口将命令语句传输到外围设备。本文选用 STM32F103C8T6控制板，结合 LD3320语音模块搭建智能家居样机。智能窗帘控制采用 28BYJ48步进电机来实现，通过正反旋转实现对家用窗帘的控制；其次，智能灯采用 LED 灯来实现，并通过单片机 PB12和PB13端口实现打开和关断的控制。
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图3 硬件电路结构示意图
Fig. 3 Schematic diagram of hardware circuit structure
3.2 LD3320模块电路
该项在题目的电路设计过程中，LD3320采用了一个并行的电路方式直接与主控制板相接,运用500Ω的外部电阻进行上拉,B1中的电平高低用于判别该区域存储的是地址还是数据;同时控制器的外部复位电路信号通过1kΩ电阻作为上拉电阻直接与控制板电路相连;该两个电路之间共享一个外部的电路时钟;发光放电二极管中的LED0用来同时显示该电路的信号初始化。
4软件系统设计
软件系统设计主要包括嵌入式操作系统keil5和语音识别程序设计。
4.1嵌入式操作系统keil5程序设计
嵌入式操作系统开发环境keil5很大优势就是内部含有大量的的例子，便于我们学习。编好main函数，再调用各个功能函数就能实现功能，轻松便捷。
4.2语音识别程序设计
本文主要参考LD3320开发人员中断使用手册[5]，应用中断方式工作，其工作流程分为语音识别初始化一写入识别列表一开始识别一响应中断。语音识别流程如图4所示：
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图4 语音识别流程图
Fig. 4 Speech recognition flowchart
⑴语音识别初始化。设置寄存器，时钟频率设定，模式设定。
⑵将其他字写进辨识器认识字类别列。各个可以识别的执行命令和文件编号都必须一一进行配置。该芯片最多用户可以同时支持50个已经识别好的命令,每个已经识别好的命令都必须正确使用由两个汉语拼音字母组合起来构成的中文标准拼音普通话,相邻的两个汉语拼音之间可以使用一个小的空格进行间隔。本文主要使用了连续不断的符号识别和简单编号，表1为简单编号示例。
表1 识别列表示例
Table I Example recognition list
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⑶系统启动信号识别。先初始化足够多的语音信号和写入相关数据寄存器。之后我们便发现可以在初始和优化后的时间节点后开始自动进行声音信号识别,其语音识别流程图如图4所示。打开带有模数转换电路中的通道，麦克风就可以录制你的声音,麦克风的控制音量由一个模数转换电路通道增益器来控制。
5性能测试
首先对设计硬件进行检查和功能测试，然后针对语音识别准确率进行测试，具体操作如下：采用手机以相同的音量，在不同的距离依次播放“开卧室灯”“关卧室灯”“开客厅灯”“关客厅灯”“开窗帘”“关窗帘”“开风扇”“关风扇”共8 条语音，重复循环100次，然后统计误识别率和正确识别率，如表2 所示。
表2 语音智能家居识别率
Table II Voice smart home recognition rate
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本设计主要运用LD3320语音识别模块，在STM32F103单片机系统下，进行了语音智能控制系统的总体框架、主电路和语音识别芯片LD3320的设计,完成了基于非特殊一类人的语音识别系统的实验测试。在距离0.1-1m之间都进行了测试，语音识别正确率都高达85%以上。
6结语
本文根据“懒人时代”的要求，搭建了一款性价比很高的语音控制的智能家居样机。该系统稳定性强，识别率高，有很大的市场前景。
参考文献：
[1]张晨燕，孙成立.非特定人孤立词语音识别系统的片上实现[J] 计算机工程与应用，2007（13）:194-196.
[2]崔浩斌 刘伟 .基于STM32单片机的智能家居控制系统设计研究[J].微处理机 ,2020,41(1):61-64.
[3]孙兵.基于单片机的机械手声控系统设计[J].机械工程与自动化，2007（6）：113-117
[4]赵力.语音信号处理（第2版）M北京：机械工业出版社，2009
[5]ICRoute．LD332X数据手册 [EB／()L]．[2010—03—10]．
指导教师：孙锋 项目类型：大学生创新训练项目(201910183x471)*