基于DSP和ZigBee无线智能语音控制系统设计_边红昌

Proceedings of the 26th Chinese Control ConferenceJuly 26-31, 2007, Zhangjiajie, Hunan, China基于DSP和ZigBee无线智能语音控制系统设计边红昌，程德福，祁玉林，张坤吉林大学-TI DSP联合实验室, 长春130026E-mail: hongchangbian@摘要：介绍了以DSP为语音控制模块与以PIC单片机和无线传输芯片CC2420为核心构成的ZigBee无线传输模块建立的无线智能语音控制系统。

给出了系统硬件总体结构及各模块的具体设计方案，语音识别算法和系统软件的实现方法。

针对DSP对语音识别算法进行优化，且对ZigBee协议栈进行优化精简，最终实现了独立运行、识别率高及操作方便的家庭智能语音控制系统。

关键词：语音识别, DSP, ZigBee, 智能控制Design of Wireless Intelligent Speech Control SystemBased on DSP and ZigBeeBian Hongchang, Cheng Defu, Qi Yulin, Zhang KunJilin University-TI DSP Laboratory, Changchun 130026, P. R. ChinaE-mail: hongchangbian@Abstract: Introduce a Wireless Intelligent Speech Control System based on DSP as Speech Control Model and PIC Micro-controller & wireless transmit chip CC2420 as the ZigBee Wireless Transmit Model. Hardware design, Speech Recognition Algorithm and Program design are given in this paper. Especially Speech Recognition Algorithm is optimized toward DSP and ZigBee Protocol Stack is reduced. Independent, high recognition rate and convenient operation family intelligent speech control system is realized in our system.Key Words: Speech Recognition, DSP, ZigBee, Intelligent Control1 引言(Introduction)随着智能设备微型化、人工智能化、多功能化等功能的发展，而通常的人机控制如按键、图形菜单等不再能满足用户的需求，因而本文提出了基于DSP 和ZigBee无线智能语音控制系统。

该系统在DSP芯片上实现对语音控制信号的识别，通过低功耗ZigBee 无线发射模块将控制命令发送至智能设备。

由于识别模块与发送模块相互独立，所以此系统有很好的扩展性。

大规模集成电路的发展给高运算量的信号处理设备带来了方便，利用TI-54系列DSP从而可以实现小词汇量语音的实时识别。

且可以外扩人机接口方便用户，扩展数据FLASH用于程序的并行加载，从而实现系统的独立运行。

ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，适合于自动控制和远程控制领域。

它的传输距离10～75 米的范围内，且在有障碍时也可以进行传输，因而适合作为家庭智能化传输的媒介。

结合上述，研制了基于DSP和ZigBee无线智能语音控制系统。

该系统可应用于智能家居、消费类电子、智能仪器等设备的无线智能语音控制。

本文结构如下：无线智能语音控制系统的结构设计在第2节介绍；在第3节介绍控制系统的软件设计，包括语音识别算法、DSP应用程序和命令无线发送；第4节总结本文。

2 控制系统结构设计(Design of Control Sys-tem Structure)2.1 系统总体结构(Whole Structure of System )无线智能语音控制系统结构主要由基于DSP的语音控制模块和基于ZigBee的无线发射模块构成。

两模块之间通过中断方式对控制命令进行发送。

如图1所示为主节点硬件结构图。

从节点由ZigBee模块和被控制对象组成。

本文中无线控制网络的拓扑形式为星型，即一个主节点与多个从节点采用星形方式连接。

语音控制模块针对DSP系统对语音识别算法进行优化，并集成FLASH可以保存模板信息和实现在线训练及保存。

ZigBee无线发射模块由低功耗PIC 单片机PIC18LF4620和CC2420组成，两者通过SPI 进行通信。

PIC单片机实在上层软件和ZigBee协议栈精简，CC2420实现物理层数据无线收发及数据校验。

ZigBee节点分全功能设备主节点和精简功能从节点。

2.2 语音控制模块(Speech Control Module)该模块主要由DSP、音频CODEC、存储器及外围电路组成。

DSP利用TI-TMS320VC5402 (简称VC5402)芯片。

VC5402具有高性能的改进哈佛总线结构，具有17×17 bit的并行乘法器和专用的40 bit加法器相结合完成乘加操作(MAC)，单周期定点指令执行时间为58910 ns，且提供了强大的片内外围电路如增强型8位并行口(HPI)、两个16位定时器、两个多通道缓冲串行口、6通道DMA控制器等。

适合于中小语音信号处理平台的设计。

图1 主节点硬件结构音频CODEC利用TI-TLC320AD50C(简称AD50)，为A/D和D/A转换功能集成在一起的模拟接口电路(AIC)，采用过模样Σ-Δ技术，且为专用音频芯片，与DSP实现无缝连接。

语音信号输入时首先经过低通滤波器，并把单输入变为差分信号输入到AD50。

输出时可经过功率放大器(用户选择)以提高输出的负载能力。

外部数据、程序SRAM扩展采用CYPRESS公司出产的CY7C1021，外部数据FLASH扩展采用SST 公司生产的SST39VF400实现独立并行加载。

2.3 ZigBee模块(ZigBee Module)该模块由PIC控制器和ZigBee射频电路组成。

PIC控制器采用PIC18LF4620芯片，它具有64K 字节FLASH程序存贮器、3986字节SRAM存贮器、1024字节EEPROM存贮器、10位13通道AD转换器及支持SPI数据通信。

空闲模式电流降至2.5μA，休眠模式电流仅为100nA。

ZigBee射频电路采用Chipcon公司推出的一款符合 2.4GHz IEEE 802.15.4标准的无线收发芯片CC2420，物理层采用O-QPSK调制。

无线通信设备支持数据传输率高达250 kbps支持16个信道,可以实现多点对多点的快速组网。

CC2420只需要少量的外围电路包括晶振时钟电路、射频输入/输出匹配电路和微控制器接口电路三个部分。

控制器通过SPI总线与射频电路相连。

PIC控制器充当SPI主器件而射频收发器充当从器件。

控制器实现了IEEE 892.15.4 MAC层和ZigBee协议层及特定应用的逻辑。

CC2420实现物理层数据收发和底层控制。

3 控制系统软件设计(Design of Control Sys-tem Software)系统软件主要包括语音识别算法、DSP应用程序和ZigBee模块程序。

3.1 语音识别算法(Speech Recognition Algorithm)语音识别的流程如图2。

语音特征参数为13维MFCC。

利用动态时间规划算法进行模板匹配。

图2 语音识别流程图预处理主要包括预加重、端点实时检测。

预加重的目的是提升高频部分，使信号的频谱变得平坦，以便于进行频谱分析。

由于在此为小词汇量语音识别，端点检测利用短时平均能量与适时过零率结合的方法。

通过自适应的阈值，实时检测出有效语音进行下一步分析。

分帧处理实质上就是用一个有限长的窗滑动截取语音信号，将其分为约20 ms一帧。

加窗的主要目的是将非平稳信号的语音信号加窗后转化为平稳信号进行处理。

在此选用哈明窗，利用有平滑的低通特性和最低的旁瓣高度以减少对信号特征的影响。

MFCC参数提取中的Mel频率滤波器组主要为平滑频谱系统。

Mel频率滤波器组是根据人耳听觉特性的非线性而得到。

Log对数能量有利用于使语音能量谱更具有统计特性，而且还可以防止数据溢出。

离散余弦变换(DCT)运算一方面可以使变换后能量更集中于低维，另一方面可以去掉信号的相关性从而使统计性独立的假设更为准确。

模板匹配利用动态时间规划(DTW)算法对每个词条进行匹配识别。

3.2 DSP应用程序(Application of DSP)DSP应用程序主要包括对系统的初始化、录音、语音识别算法的实现及向ZigBee模块发送控制命令。

主程序和串口中断子程序流程图如图3。

将语音识别算法移植至DSP需要考虑到存储空间效率及算法的实时性。

针对54系列DSP将程序作以下优化：①参数提取在整个识别过程中占据了较大的运算量。

其中FFT和DCT的优化最为关键，DCT的系数()C k与FFT系数()eX k有πj2()e()kNeC k X k-éù=êúëû。

可以调用CSL(Chip Support Library)中的FFT用于优化MFCC参数提取的实时性。

②Mel频率滤波器组为两维(29128´)稀疏矩阵，仅在对角线附近有值，其余为0。

通过仅保存有值点的行和列值，大大减少了其存储空间占用量。

③DTW算法在模板匹配的过程中，可在帧参数距离矩阵(N M´;N为模板帧数，M为输入语音帧数)590中可在原距离矩阵中替代路径代价函数矩阵而减少内存存储量开销。

图3 DSP主程序和中断子程序3.3 ZigBee模块程序(Program of ZigBee Module)ZigBee模块可分为全功能的主节点(FFD, Full Function Device)和精简功能节点(RFD, Reduced Function Device)。

RFD是FFD的精简版，在此主要介绍FFD的功能设置。

ZigBee协议栈层次结构主要由应用层、应用接口层、网络层、数据链路层和物理层组成。

其中数据链路层和物理层由IEEE802.15.4协议负责，其他由ZigBee联盟负责。