CN2867402Y

CN2867402Y - 语音控制电子报时钟

Info

Publication number: CN2867402Y
Application number: CNU2005201368924U
Authority: CN
Inventors: 邵力耕
Original assignee: Dalian Jiaotong University
Current assignee: Dalian Jiaotong University
Priority date: 2005-12-08
Filing date: 2005-12-08
Publication date: 2007-02-07
Anticipated expiration: 2015-12-08

Abstract

本实用新型公开了一种语音控制电子报时钟，包括单片机系统，以及分别与所述单片机系统连接的语音输出模块、键盘模块、电源模块；单片机系统通过语音通道连接语音输入模块；单片机系统为芯片型号SPCE061A的微处理器。本语音控制电子报时钟改变了人们用眼看时间的方式，而是由声音和听力获取时间信息；通过应用集成电路、程序控制走时，具有体积小、功能强、质量稳定计时精确、使用方便、电池供电，功耗小、新颖活泼、语音识别正确率高的特点。适用于智能化玩具的制造以及可以集成到特定功能的电子产品中。

Description

语音控制电子报时钟

技术领域

本实用新型涉及一种电子产品，更具体地说，涉及一种响应语音信号报时的电子时钟单元。

背景技术

语音处理技术得到了迅速发展，产生于二十世纪六七十年代，却从二十世纪八十年代中期开始得到极大发展并成为语音处理研究热点的隐马尔科夫模型HMM(Hidden Markov Models)，逐渐成为现代语音处理领域的重要理论基础之一。

单片机把计算机的主要组成单元微处理器(CPU)、程序存储器(ROM)和数据存储器(RAM)、输入/输出端口(I/O)及时钟、计数器和中断系统等集成在一块芯片上，这样的一块集成电路具有一台计算机的属性。随着单片机技术的发展出现了十六位微处理器单片机，片内的程序存储器和数据存储器容量进一步扩大，实时处理能力更加增强，体现了现代控制技术的鲜明特征，台湾凌阳公司推出的十六位单片机SPCE061A带有高寻址能力的ROM和RAM、多功能的I/O口，指令系统提供具有较高速度的16位×16位乘法运算指令和内积运算指令，为其应用增添了DSP功能，使得它在复杂的数字信号处理和语音处理方面非常便利。

程序控制技术是计算机为了解决某些具体、实际的问题而开发和研制的各种程序。汇编语言是计算机系统提供的最快、最有效的语言，也是能对硬件直接编程的语言。高级语言代码清晰，易维护，模块化较好，近年来在单片机的程序设计上增加了对高级语言的支持，C语言简单灵活，可移植性好，许多微处理器加入了对C语言的支持，凌阳微处理器SPCE061A可以使用C语言编程。结构复杂并对运行速度要求比较高的工程，通常用C和汇编语言混合编程来将两者的优缺点互补。

目前，时钟利用声音实现报时多采用定时的方式，或者采用按键方式实现。而直接通过人的提问，时钟回答提问自动报时的产品市场上还没有出现。

发明内容

本实用新型针对上述问题，提供了一种能够进行语音训练、识别人的语音、按照不同的语音命令播报日期或时间的语音控制电子报时钟，解决了目前时钟报时多为定时触发、按键触发，少有语音控制报时方式的问题。

为了解决上述问题，本实用新型构造了一种语音控制电子报时钟，包括单片机系统，以及分别与所述单片机系统连接的语音输出模块、键盘模块、电源模块；单片机系统通过语音通道连接语音输入模块；单片机系统采用芯片型号SPCE061A的微处理器。

本实用新型的语音控制电子报时钟其进一步改进还在于，单片机系统还连接有外存储器模块；外存储器模块为型号SPR1024A的闪存。

本实用新型的语音控制电子报时钟其进一步改进还在于，单片机系统设置有程序下载端口。

通过上述技术方案，本实用新型的语音控制电子报时钟主要有如下特点：

(1)一改通常人们用视力看时间和日期的方式，由声音和听力获取，新颖活泼；(2)应用集成电路，体积小，功能强，质量稳定；(3)程序控制走时，计时精确，误差小；(4)操作按键少，根据语音提示调时和语音训练，使用者操作起来很方便；(5)语音识别正确率高，能识别训练特定人或者非特定人的语音；(6)电池供电，功耗小。

从而带来本发明的有益效果是：生产制作成语音控制电子报时钟产品，用语音方式提供日期和时间信息，方便人们的工作和生活；应用于玩具生产行业，生产可以通过语音辨识播放当前日期和时间的智能化玩具，增加产品附加值；能应用于某些特殊的生产行业，如比较黑暗的工作环境、摄影暗室等场所；集成到特定功能的产品可以方便残疾人使用。

附图说明

图1是微处理器芯片SPCE061A的内部结构图；

图2是微处理器芯片SPCE061A内存映射表；

图3是外存储器模块存储芯片SPR1024A的引脚图；

图4是本实用新型语音控制电子报时钟的原理结构图；

图5是语音命令模型库训练流程图；

图6是微处理器芯片SPCE061A对语音处理流程图；

图7是非特定语音命令识别流程图；

图8是本实用新型语音控制电子报时钟的主程序流程图；

图9是本实用新型语音控制电子报时钟的主要技术参数表；

图10是本实用新型语音控制电子报时钟按键调整日期时间表；

图11是本实用新型语音控制电子报时钟语音命令训练内容表；

图12、13和14构成本实用新型语音控制电子报时钟的电路示意图。

其中，1功能选择按键； 2增加按键； 3减小按键； 4复位按钮；5电池盒； 6程序下载接口； 7喇叭

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进一步说明。

本实用新型的语音控制电子报时钟包括单片机系统，以及分别与所述单片机系统连接的语音输出模块、键盘模块、电源模块；单片机系统通过语音通道连接语音输入模块。其中，单片机系统采用台湾凌阳公司生产的微处理器SPCE061A芯片，芯片上集成64K字节的FLASH(闪存)和4K字节的SRAM(静态存储器)。此外单片机系统还连接有外存储器模块；外存储器模块为型号SPR1024A的闪存，外部扩展的SPR1024A存储器其内部有128K×8bits FLASH。

如图4所示，本实用新型的语音控制电子报时钟，其键盘模块至少设置4个功能键，分别为功能选择按键1、增加按键2、减小按键3和复位按钮4，前三个按键进行日期时间参数的调整和语音训练的提示。而电源模块包括置于电池盒5中留有电源端口的电池。此外，作为单片机系统的微处理器SPCE061A设置有程序下载接口，通过程序下载端口将程序下载到FLASH存储器中。而上述的语音输出模块通常连接单片机系统DAC通道的喇叭7，该喇叭7用来播放语音信息。

本语音控制电子报时钟是具有时间日期调整、语音命令训练和辨识、2Hz时基计时计算当前时间和日期、语音播报时间和日期等功能。

结合本语音控制电子报时钟硬件电路图12进一步说明。硬件电路主要包括SPCE061A最小系统(如图12所示芯片U1)、键盘模块、麦克风通道(MIC_IN，图12中的MICROPHONE)、与单片机系统10位模/数转换器ADC连接的语音输入模块、外存储器模块(图12中的芯片SPR1024A)和连接单片机系统数/模转换器DAC的语音输出模块(图12中的SPEAKER单元)，以及电源模块(图12中的POWER单元)。

硬件系统具体说明

一、凌阳十六位微处理器的内部结构如图1所示。其主要工作性能包括

(1)16位μ′nSP^TM微处理器；(2)工作电压(CPU)V_DD2.6～3.6V，(I/O)V_DDH2.4～5.5V；(3)CPU时钟0.32MHz～49.152MHz；(4)内置2K字SRAM；(5)内置32K字FLASH；(6)可编程音频处理；(7)系统处于备用状态下(时钟处于停止状态)，耗电仅为2μA/3.6V；(8)2个16位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值)(9)2个10位DAC(数/模转换)输出通道；(10)32位通用可编程输入/输出端口；(11)14个中断源，来自定时器A/B、时基、2个外部时钟源输入和键唤醒；(12)锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号；(13)7通道10位电压模-数转换器(ADC)和1通道声音模-数转换器；(14)声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制(AGC)功能；(15)具有串行设备接口；(16)具有低电压复位(LVR)功能和低电压监测(LVD)功能；(17)内置在线仿真电路ICE(In-Circuit Emulator)接口；(18)具有WatchDog功能。

凌阳微处理器SPCE061A封装方式为PLCC84，在OSCO、OSCI端接上晶振及谐振电容，在锁相环压控振荡器的阻容输入VCP端接上相应的电容电阻后即可工作，其他不用的电源端和地端接上0.1μF的去耦电容提高抗干扰能力。

SPCE061A的片内存储器地址映射如图2所示。

二、键盘模块；

扩展了1×3键盘电路，接到IOA的低3位，键盘是用户和语音电子报时钟信息交互的通道，可以调整日期时间参数和进行语音命令训练。共三个按键，分别是调整参数的选择按键、增加按键和减小按键。

三、语音输入模块；

微处理器SPCE061A有一路通道(MIC_IN)用于语音输入，模拟信号经过自动增益控制器和放大器后进行A/D转换。

在ADC内，由数/模转换器DAC0和逐次逼近寄存器SAR组成逐次逼近式模/数转换器。向数据寄存器P_ADC_Ctrl(0×7015)单元第0位(ADE)写入1用以激活ADC。系统默认设置为ADE＝0，即屏蔽ADC。

ADC采用自动方式工作。硬件ADC的最高速率定为(f_osc/32)Hz，如果超过此值，从转换结果寄存单元读出数据会发生错误。在ADC自动方式被启用后，会产生一个启动信号。DAC0的电压模拟量输出值与外部的电压模拟量输入值进行比较，以尽快找出外部电压模拟量的数字量输出值。逐次逼近式一直延续到10位中的所有位都被测试之后，A/D转换的结果保存在SAR内。当10位A/D转换完成时，用户读取10位A/D转换的数据。从MIC_IN输入的模拟信号则要经过缓冲器和放大器，AGC功能将通过MIC_IN通道输入的模拟信号的放大值控制在一定范围内，然后放大信号经采样/保持模块被送至比较器参与A/D转换值的确定，最后送入数据寄存器P_ADC(0×7014)单元。

四、外存储器模块；

存储芯片选用SPR1024A，芯片引脚如图3所示。SPR1024A是有128K×8bits的FLASH闪存，有两种接口方式：BMI(Bus Memory Interface)和SIF(SerialInterface)，在设计中采用SIF方式。SIF方式是串行同步传送数据，一条是发送/接收，一条是时钟线。RESET是复位信号，低电平有效；SEL为片选信号，高电平有效，在设计中接高电平。

存储芯片SPR1024A和微处理器SPCE061A数据通讯用串行输入输出端口SIO。SIO提供了一个1位的串行接口，用于与其它设备进行数据传输。在SPCE061A内通过IOB0和IOB1这两个端口实现与设备进行串行数据交换功能，其中，IOB0用来作为时钟端口(SCK)，IOB1用来作为数据端口(SDA)，用于串行数据的接收和发送。

五、语音输出模块；

SPCE061A提供的音频输出方式为双通道DAC方式。在此方式下，DAC1和DAC2转换输出的模拟量电流信号分别通过AUD1和AUD2引脚输出，输出的数字量分别写入数据寄存器P_DAC1(0×7017)P_DAC2(0×7016)。

本时钟在音频处理技术上实现方法如下

一、数字音频的采样和量化

将模拟(连续)的声音波形数字化(离散化)，可方便数字计算机进行处理的过程，数字音频的处理主要包括采样和量化两个方面。数字音频的质量取决于采样频率和量化位数这两个重要参数。此外，声道的数目、相应的音频设备也是影响音频质量的原因。

二、音频压缩算法

实际应用中，未经压缩编码的音频资料量很大，进行传输或存储是不现实的。所以要通过对信号趋势的预测和冗余信息处理，进行资料的压缩，这样就可以用较少的资源建立更多的信息。通过对资料的压缩，达到高效率存储和转换资料的结果，即在保证一定声音质量的条件下，以最小的资料率来表达和传送声音信息。

凌阳音频压缩算法根据不同的压缩比分为以下三种：

SACM_A2000：压缩比为8∶1，8∶1.25，8∶1.5；

SACM_S480：压缩比为80∶3，80∶4.5；

SACM_S240：压缩比为80∶1.5。

凌阳压缩算法中SACM_A2000、SACM_S480和SACM_S240主要是用来播放语音。根据设计的具体情况，语音控制电子报时钟选择用SACM_S480。

语音处理技术主要包括语音命令模型库训练、语音识别和语音播放。

语音命令模型库训练过程如图5所示。语音输入是用SPCE061A系统采集语音信号，通过通信模块将语音信号传送到PC机上保存，能够保证训练用语音特征与识别一致性，从而减少硬件系统不一致带来的误差。

预处理包括预加重和端点检测。端点检测一般采用时域参数。根据现有SPCE061A的性能，采用线性预测倒谱系数作为特征矢量。模板训练采用离散的隐马尔可夫模型，虽然训练隐马尔可夫模型需要很长时间，而且计算复杂，但这是在PC机上完成的，与实时语音识别系统没有关系。由于连续的隐马尔可夫模型占用的存储器大，且识别准确率高一些，但总体考虑还是离散的隐马尔可夫模型更适合语音识别系统。由于采用离散的隐马尔可夫模型，就需要将连续的特征矢量进行量化，其中包括码字训练和聚类分析技术。

SPCE061A提供了各种音频编码的算法及API函数库，即SACM_LIB。该库将A/D、编码、解码、存储及D/A做成相应的模块，每个模块都有其应用程序接口API。了解每个模块所要实现的功能及其参数的内容，然后调用该API函数即可实现该功能。

SPCE061A作语音存储和播放系统，其原理框图如图6所示。

此外，本实用新型在应用软件程序上的设计主要包括语音辨识、日期时间调整和计量、语音播放的功能方面。如下详细说明：

一、语音辨识子程序

语音辨识中先辨识触发名称，然后发出语音命令。语音分普通人语音辨识和特定人语音辨识。普通人语音辨识是根据不同年龄、不同性别、不同口音的人进行训练，在识别时不需要训练就可以识别人的语音。其程序框图如图7。

特定人语音识别是语音模板由单人训练，对训练人的语音命令识别准确率高，而其他人的语音命令识别的准确率较低或者不识别，在语音控制电子报时钟中，训练三条语音命令。

二、日期时间调整和计量

程序按照模块化设计，流程图如图8所示。

利用2Hz中断作时钟源进行计时，每两次中断秒加1，并进行年历计算，年历范围为2001-2099年。在进行年历计算时，有平闰年计算问题。闰年的条件是：能被400整除，或者能被4整除，但不能被100整除。

三、语音播放

语音控制电子报时钟采用SACM_S480算法，它有完整的库函数供程序调用。其相关API函数如下：

int SACM_S480_Initial(ing Init_Index) 初始化

void SACM_S480_ServiceLoop(void) 获取语音资料，填入译码队列

void SACM_S480_Play(int Speech_Index，int Channel，int Ramp_Set) 播放

void SACM_S480_Stop(void) 停止播放

void SACM_S480_Pause(void) 暂停播放

void SACM_S480_Resume(void) 暂停后恢复

void SACM_S480_Volume(void) 音量的控制

unsigned int SACM_S480_Status(void) 获取模块的状态

Call_F_FIQ_Service_SACM_S480 中断服务函数

SACM_S480的数据率有4.8kps和7.2kps两种，可在同一模块的几种算法中自动选择一种。中断服务子程序中FFIQ_Service_SACM_S480必须放在FIQ_TMA中断向量上，允许TimerA以所选的数据采样率(计数溢出)中断。S480以自动播放方式，在中断FIQ的FIQ_TMA中断源中通过void SACM_S480_ServiceLoop()对语音数据进行解码，然后将其送入DAC通道播放。

本实用新型语音控制电子报时钟主要技术参数如表9所示。

本实用新型语音控制电子报时钟使用方法如下：

按一次复位按钮，语音控制电子报时钟进入工作准备就绪状态。

(1)日期时间调整

日期时间调整见表10。按住功能选择按键3秒钟，进入日期时间调整状态，并伴有要调整信息的语音提示。语音控制电子报时钟按照年、月、日、时、和分钟顺序调整日期和时间，各键按下一次即有效，改变相应信息。

(2)语音命令训练

调整完分钟后再按一次功能选择按键，语音提示调整好的日期和时间，并进入语音训练。语音命令训练具体内容见表3，共训练三条语音，每条语音训练两次，确认后进入下一条命令训练。

第二条命令确认后，语音控制电子报时钟用语音提示用户训练完毕，可以对用户训练的命令进行辨识，根据语音命令播报时间和日期。

(3)日期时间播报

用户在有效距离内用语音发出命令“Snoopy”，语控电子钟会响应命令播报“在”，用户问“几点”，电子钟播报当前时间；用户在有效距离内用语音发出命令“Snoopy”，语控电子钟会响应命令播报“在”，用户问“几号”，电子钟播报当前日期。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1、一种语音控制电子报时钟，包括单片机系统，以及分别与所述单片机系统连接的语音输出模块、键盘模块、电源模块；其特征在于，所述单片机系统通过语音通道连接语音输入模块；所述单片机系统为芯片型号SPCE061A的微处理器。

2、根据权利要求1所述语音控制电子报时钟，其特征在于，所述单片机系统还连接有外存储器模块。

3、根据权利要求2所述语音控制电子报时钟，其特征在于，所述外存储器模块为型号SPR1024A的闪存。

4、根据权利要求1-3任一要求所述语音控制电子报时钟，所述单片机系统设置有程序下载端口。