SPCE061A的语音识别系统设计
目 录
引言 4
一 总体设计方案 5
（一） MIC输入模块 5
（二） SPCE061A单片机 6
（三） 功放和喇叭输出模块 6
（四） LED显示电路 6
（五） 通信模块 6
二 凌阳SPCE061A单片机介绍 8
（一） 凌阳SPCE061A单片机概述 8
（二） SPCE061A的I/O说明 8
（三） SPCE061A芯片性能 9
（四） SPCE061A指令系统 9
（五） 适用于本系统主要特点 10
三 系统硬件电路设计 11
（一） 电源电路 11
（二） 音频输出电路模块 12
（三） MIC输入模块 12
（四） 通信接口电路 13
四 系统软件的设计 14
五 系统的检测与结果的分析 16
六 结论 16
七 致谢 16
八 参考文献 17
附录 18
附录1 语音信号处理和识别的C语言程序片段 18
附录2 原理图 21
附录3 PCB布线图 22
引言
随着信息网络技术的发展，人类社会已经不仅仅是人类之间的交流，信息社会的特点越来越明显，已经进步在人与机器之间。在我们的日常生活中，可以明显发现人与机器无时无刻都在进行大量的信息交流。人机自然语音对话意味着计算机具有语音输入和输出的功能，这就是我的研究调查的内容——语音合成功能。
所谓的语音信号处理即通过数字信号处理技术（DSP）对语音信号进行处 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
理。作为一门新兴学科，语音信号处理涉及多个领域。其主要研究内容包括语音识别及语音增强、语音的合成与分析等。
语音信号处理与其他许多技术相辅相成共同发展，近几年，语音识别技术应用于民用、军事、医学、交通、工业等各方面，尤其在自动控制、通信与电子系统、信息系统、计算机等领域中。此种技术的广泛应用直接推动了计算机、模式识别、信号处理、声学等众多技术的发展。
从目前的市场来看，语音识别产品在人机交互的应用中已经占据很大一部分比例。现在市场上已经研究出很多兼具不同使用价值的新型识别芯片，这些新型语音识别芯片都离不开对语音算法的深入研究以及集成电路技术的迅猛发展，其市场前景极为广阔。
一 总体设计方案
在本设计中主要部件采用了SPCE061A单片机，硬件电路相对比较简单（图1位硬件系统组成）。麦克风输入模块将采集到的语音信号发送到SPCE061A单片机模块再由其输出至功放和喇叭输出模块、LED显示模块和通信模块等，故这几个模块共同组成本设计的硬件系统部分。
（一） MIC输入模块
SPCE061A单片机中的A／D转换器共有8个通道，其中MIC IN通道为麦克风通道，作为音频信号的输入通道，选用驻极体话筒。因此麦克风通道将采样得到的音频信号经转换后得到电信号，其次再输入至单片机中的前置放大器。在该单片机中的内部带有AGC（自动增益控制电路），其主要作用是通过追踪与监视的手段保证从放大器输出进入到A/D的音频信号始终保持在最佳电平。本系统中的输入电路就相对简单，电路中外接3个电阻和电容对电流信号起到滤波作用。
（二） SPCE061A单片机
首先，本系统利用SPCE061单片机的16位乘法运算器对语音信号进行处理，其最高运算速度能够达到49MHz。其次语音信号的数字化处理是通过SPCE061单片机中的A／D来转换以及I/O口和D/A转换对识别的结果进行验证。此外，所有的程序及有关语音都存储在SPCE061单片机的32KB FLASH存储器中，故存储器不需要再额外扩展。因为本系统的语音识别是建立在语音训练的基础上才能够被识别，所以我们可以将训练过程中所建立的参考语音模式库等特征参数全部存放在SPCE061单片机中的2KB的RAM中。
（三） 功放、喇叭输出模块
由于SPCE061A单片机中的DAC是电流输出．故在本系统中将负载电阻同三极管8050共同组成的功放电路作为输出电路，从而达到驱动扬声器SPEAKER发音的目的。SPEAKERSK部分可以选用4欧姆或者8欧姆的扬声。
（四） LED显示模块
LED显示模块主要用于显示语音控制的现象，我们可以通过LED显示对本系统进行分析，判断。可以将其作为检验语音识别正确与否的方法之一。电路中与LED相连接的一千欧姆的电阻在此起限流作用。
（五） 通信模块
电路中选用标准的 RS-232C 串行接口是异步串行通信中应用最广泛的标准。因为SPCE06lA单片机的串行口同RS-232电平无法相容，所以在接口处要进行电平转换。通过外接电容、外接5V电源在MAX232芯片上，从而产生正负10V的电源形成232C收发器。本设计中设有通信电路的用处是把语音数据处理上传到PC上面，通过PC来完成。
二 凌阳SPCE061A单片机介绍
（一） 凌阳SPCE061A单片机简介
SPCE061A单片机是一个十六位结构的微控制器。内核采用(Microcontroller and Signal Processor)16位微处理器芯片，为台湾凌阳科技公司自主研制的。SPCE061A单片机优势极为明显，低电压，低功耗，可靠便捷集成度高的同时运行速度快，功能更强大，指令系统简单易学，性价比较高。
（二） SPCE016A的I/O说明
（三） SPCE061A芯片性能
（四） SPCE061A指令系统
SPCE061A指令系统，指令执行迅速快是其突出特点，因此有能力对复杂的数字信号进行处理，且提供了对高级语言的支持，功能更强大。此外，SPCE06IA的内核为台湾凌阳科技公司独立研发，故也配有自己的指令系统，大大缩短了产品的开发时间。
SPCE061A单片机指令可划分为：
1．数据传送类指令：压栈、出栈、立即数寻址、寄存器寻址、变址寻址等操作；
2．算逻运算类指令：加、减、乘、n项内积运算、比较、逻辑与、或、异或等操作；
3．程序转移类指令：逻辑左/右移、循环左/右移、子程序调用、中断返回等操作；
4．其他控制类指令：开中断、关中断、空操作等操作。
在上述指令中寻址方式共有6种，分别是立即寻址、直接寻址、变址寻址、PC相对寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址。
（五） 适用于本系统主要特点
SPCE061A单片机在A／D转换和D／A转换中都可以实现对语音信号针对处理的功能。当然，为了让它在将来可以更好的应用在语音识别和声控等领域，而且更加快捷便利的实现语音识别的功能，我们可以配合使用A／D、D／A转换接121与其内核一nSprM的DSP运算功能。
（二） 音频输出电路模块
图8为语音识别过程流程图。将模型库训练流程图（图7）同语音识别过程流程图（图8）相比较，我们可以发现矢量量化是训练与识别的分水岭。前面的流程相同，其区别是语音模型库训练过程中多了一个模板训练，即用户将所需要识别的命令或者是词汇表中每个词依次说一遍，并将其作为模板，最终建立语音模板库。而语音识别过程中加有独特的模板匹配，目的在于将待识别的语音模式与语音模板库中的语音模式进行一一匹配(模板匹配），从中选择匹配后的对应模板作为识别结果。
引言 4
一 总体设计方案 5
（一） MIC输入模块 5
（二） SPCE061A单片机 6
（三） 功放和喇叭输出模块 6
（四） LED显示电路 6
（五） 通信模块 6
二 凌阳SPCE061A单片机介绍 8
（一） 凌阳SPCE061A单片机概述 8
（二） SPCE061A的I/O说明 8
（三） SPCE061A芯片性能 9
（四） SPCE061A指令系统 9
（五） 适用于本系统主要特点 10
三 系统硬件电路设计 11
（一） 电源电路 11
（二） 音频输出电路模块 12
（三） MIC输入模块 12
（四） 通信接口电路 13
四 系统软件的设计 14
五 系统的检测与结果的分析 16
六 结论 16
七 致谢 16
八 参考文献 17
附录 18
附录1 语音信号处理和识别的C语言程序片段 18
附录2 原理图 21
附录3 PCB布线图 22
引言
随着信息网络技术的发展，人类社会已经不仅仅是人类之间的交流，信息社会的特点越来越明显，已经进步在人与机器之间。在我们的日常生活中，可以明显发现人与机器无时无刻都在进行大量的信息交流。人机自然语音对话意味着计算机具有语音输入和输出的功能，这就是我的研究调查的内容——语音合成功能。
所谓的语音信号处理即通过数字信号处理技术（DSP）对语音信号进行处 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
理。作为一门新兴学科，语音信号处理涉及多个领域。其主要研究内容包括语音识别及语音增强、语音的合成与分析等。
语音信号处理与其他许多技术相辅相成共同发展，近几年，语音识别技术应用于民用、军事、医学、交通、工业等各方面，尤其在自动控制、通信与电子系统、信息系统、计算机等领域中。此种技术的广泛应用直接推动了计算机、模式识别、信号处理、声学等众多技术的发展。
从目前的市场来看，语音识别产品在人机交互的应用中已经占据很大一部分比例。现在市场上已经研究出很多兼具不同使用价值的新型识别芯片，这些新型语音识别芯片都离不开对语音算法的深入研究以及集成电路技术的迅猛发展，其市场前景极为广阔。
一 总体设计方案
在本设计中主要部件采用了SPCE061A单片机，硬件电路相对比较简单（图1位硬件系统组成）。麦克风输入模块将采集到的语音信号发送到SPCE061A单片机模块再由其输出至功放和喇叭输出模块、LED显示模块和通信模块等，故这几个模块共同组成本设计的硬件系统部分。
（一） MIC输入模块
SPCE061A单片机中的A／D转换器共有8个通道，其中MIC IN通道为麦克风通道，作为音频信号的输入通道，选用驻极体话筒。因此麦克风通道将采样得到的音频信号经转换后得到电信号，其次再输入至单片机中的前置放大器。在该单片机中的内部带有AGC（自动增益控制电路），其主要作用是通过追踪与监视的手段保证从放大器输出进入到A/D的音频信号始终保持在最佳电平。本系统中的输入电路就相对简单，电路中外接3个电阻和电容对电流信号起到滤波作用。
（二） SPCE061A单片机
首先，本系统利用SPCE061单片机的16位乘法运算器对语音信号进行处理，其最高运算速度能够达到49MHz。其次语音信号的数字化处理是通过SPCE061单片机中的A／D来转换以及I/O口和D/A转换对识别的结果进行验证。此外，所有的程序及有关语音都存储在SPCE061单片机的32KB FLASH存储器中，故存储器不需要再额外扩展。因为本系统的语音识别是建立在语音训练的基础上才能够被识别，所以我们可以将训练过程中所建立的参考语音模式库等特征参数全部存放在SPCE061单片机中的2KB的RAM中。
（三） 功放、喇叭输出模块
由于SPCE061A单片机中的DAC是电流输出．故在本系统中将负载电阻同三极管8050共同组成的功放电路作为输出电路，从而达到驱动扬声器SPEAKER发音的目的。SPEAKERSK部分可以选用4欧姆或者8欧姆的扬声。
（四） LED显示模块
LED显示模块主要用于显示语音控制的现象，我们可以通过LED显示对本系统进行分析，判断。可以将其作为检验语音识别正确与否的方法之一。电路中与LED相连接的一千欧姆的电阻在此起限流作用。
（五） 通信模块
电路中选用标准的 RS-232C 串行接口是异步串行通信中应用最广泛的标准。因为SPCE06lA单片机的串行口同RS-232电平无法相容，所以在接口处要进行电平转换。通过外接电容、外接5V电源在MAX232芯片上，从而产生正负10V的电源形成232C收发器。本设计中设有通信电路的用处是把语音数据处理上传到PC上面，通过PC来完成。
二 凌阳SPCE061A单片机介绍
（一） 凌阳SPCE061A单片机简介
SPCE061A单片机是一个十六位结构的微控制器。内核采用(Microcontroller and Signal Processor)16位微处理器芯片，为台湾凌阳科技公司自主研制的。SPCE061A单片机优势极为明显，低电压，低功耗，可靠便捷集成度高的同时运行速度快，功能更强大，指令系统简单易学，性价比较高。
（二） SPCE016A的I/O说明
（三） SPCE061A芯片性能
（四） SPCE061A指令系统
SPCE061A指令系统，指令执行迅速快是其突出特点，因此有能力对复杂的数字信号进行处理，且提供了对高级语言的支持，功能更强大。此外，SPCE06IA的内核为台湾凌阳科技公司独立研发，故也配有自己的指令系统，大大缩短了产品的开发时间。
SPCE061A单片机指令可划分为：
1．数据传送类指令：压栈、出栈、立即数寻址、寄存器寻址、变址寻址等操作；
2．算逻运算类指令：加、减、乘、n项内积运算、比较、逻辑与、或、异或等操作；
3．程序转移类指令：逻辑左/右移、循环左/右移、子程序调用、中断返回等操作；
4．其他控制类指令：开中断、关中断、空操作等操作。
在上述指令中寻址方式共有6种，分别是立即寻址、直接寻址、变址寻址、PC相对寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址。
（五） 适用于本系统主要特点
SPCE061A单片机在A／D转换和D／A转换中都可以实现对语音信号针对处理的功能。当然，为了让它在将来可以更好的应用在语音识别和声控等领域，而且更加快捷便利的实现语音识别的功能，我们可以配合使用A／D、D／A转换接121与其内核一nSprM的DSP运算功能。
（二） 音频输出电路模块
图8为语音识别过程流程图。将模型库训练流程图（图7）同语音识别过程流程图（图8）相比较，我们可以发现矢量量化是训练与识别的分水岭。前面的流程相同，其区别是语音模型库训练过程中多了一个模板训练，即用户将所需要识别的命令或者是词汇表中每个词依次说一遍，并将其作为模板，最终建立语音模板库。而语音识别过程中加有独特的模板匹配，目的在于将待识别的语音模式与语音模板库中的语音模式进行一一匹配(模板匹配），从中选择匹配后的对应模板作为识别结果。
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