王小英，徐全

（常熟理工學院電氣與自動化工程學院，江蘇常熟215500）

一種新型羽毛球步伐訓練器的設計與實現(xiàn)

王小英，徐全

（常熟理工學院電氣與自動化工程學院，江蘇常熟215500）

為了使初中級羽毛球愛好者快速掌握正確的步伐，本文設計了一款操作簡單、集語音與紅外遙控于一體的新型羽毛球步伐訓練器，給出了系統(tǒng)的軟、硬件框架，并對訓練器進行了多方位的實際測試與分析，驗證了其具有較好的穩(wěn)定性和實用性.

羽毛球步伐；語音識別；紅外遙控

羽毛球是奧運會的正式比賽項目，同時也是老少皆宜的一項大眾體育項目，同時由于其趣味性強，極具競爭性，深受廣大民眾的喜愛.但是，目前在市面出售的一些訓練器械不僅笨重、攜帶不方便，而且步法相對固定，不能根據(jù)鍛煉者的要求調(diào)節(jié)速度和更換步法，功能較單一.本文設計的羽毛球步伐訓練器從現(xiàn)有的科學訓練方法出發(fā)，基于嵌入式系統(tǒng)以STC系列單片機為主控核心，外圍配合語音遠程識別系統(tǒng)和紅外遙控系統(tǒng)調(diào)控訓練速度和更換各種步法，使用者只要通過語音和紅外遙控即可任意調(diào)節(jié)步法“加快”或“減速”，更改跑動線路指示節(jié)奏，設置稍高于自身運動水平的節(jié)奏進行長距離、中距離、短距離跑動訓練或直接連貫跑動等訓練［1］，能迅速提高使用者的啟動、反應、銜接以及綜合比賽能力，較好地解決了傳統(tǒng)羽毛球步伐訓練器的缺陷.

1　系統(tǒng)總體設計

步伐訓練器采用ABS塑料制作，是按照羽毛球半場仿制的裝置，實物及現(xiàn)場使用效果如圖1所示.主要用來固定步法指示燈和安放PCB控制板，并給訓練者步法指示.步伐訓練器指示板的背面有一個可以安裝3節(jié)AA電池的電池盒，給整個訓練器供電.

圖1　步伐訓練器實物及現(xiàn)場使用效果

主控制器是集成STC51系列單片機模塊、LD3320語音識別模塊、SYN6288語音合成模塊、HX1838紅外接收器模塊為一體的板塊，實現(xiàn)的功能主要有：

1）多種基本步法訓練模式：包括直線前后步法、斜線步法、左右接殺步法、左右網(wǎng)前步法、全場米字步法等隨機步法.

2）速度和步法調(diào)節(jié)：共設3個初始速度檔位，并可根據(jù)訓練者需要加速或減速.運用遙控系統(tǒng)和無線語音控制系統(tǒng)進行速度調(diào)節(jié)，初中高級訓練者都能使用.

3）模擬真人發(fā)聲：當語音識別時，有語音合成發(fā)聲說出步法和速度的種類，便于控制.并且當指示燈顯示位置的同時，有仿真人發(fā)聲說出準確位置，利于訓練.

2　系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件框架如圖2所示，主控系統(tǒng)采用宏晶科技公司生產(chǎn)的增強型高速51系列單片機，內(nèi)部集成10位高速A/D，最高轉(zhuǎn)換速度可達250 kHZ.語音識別模塊采用LD3320芯片，它是一款基于非特定人語音識別和關鍵詞語列表技術的語音識別/聲控模塊芯片，集成了微處理器MCU和A/D、D/A轉(zhuǎn)換器、MIC接口等一些必要的外部電路，且不需要外接任何的輔助芯片，如Flash、RAM，提供了真正的單芯片語音識別解決方案［2］.語音合成模塊采用一款端口簡單的常用中高端語音合成模塊SYN6288芯片，可合成任意的中文文本、英文字母并且語音清晰、自然、準確.同時還具有文本分析處理智能算法，可正確識別時間、日期、數(shù)值、號碼及常用的度量衡符號.紅外接收器使用的是HX1838接收器，不需要外接任何元器件就可以完成紅外線接收、輸出、TTL電平信號轉(zhuǎn)換，且抗干擾能力強，能抵御環(huán)境光線等的干擾.

圖2　系統(tǒng)硬件框架圖

紅外遙控系統(tǒng)以STC52單片機為主控核心，紅外接收器通過外部中斷0與主控通訊.非特定語音識別控制系統(tǒng)以STC12單片機為主控核心，外圍語音識別和語音合成通過串行口與主控通訊.考慮到訓練器的穩(wěn)定性、實用性和可操作性，控制板塊采用PCB板作為承載模塊的主板，根據(jù)各個模塊的大小、規(guī)格、使用的方便性設計端口和布局.

圖3　系統(tǒng)軟件框圖

3　系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件主要包括主控系統(tǒng)、紅外遙控控制系統(tǒng)和非特定語音識別控制系統(tǒng)3個部分，控制系統(tǒng)的軟件主要是圍繞語音識別模塊開展.主控系統(tǒng)通過串行口RXD端口通訊接收LD3320語音識別模塊發(fā)送過來的語音代碼，將對應的語音合成文本和命令用串行口TXD發(fā)送給SYN6288語音合成模塊合成播放輸出.紅外遙控系統(tǒng)通過外部中斷0與主控系統(tǒng)通訊，接收模塊將信號接收并發(fā)送給主控系統(tǒng)進行解碼，獲得相應指令去控制相關電路.

語音識別采用中斷方式工作，其工作流程為：語音識別初始化（通用初始化）---導入關鍵字識別列表---開始識別---響應中斷，如圖4所示.

圖4　語音識別流程圖

（1）導入關鍵字識別列表.每個關鍵識別條目對應一個特定的編號（1個字節(jié)）.編號可以相同，可以不連續(xù)，但是數(shù)值要小于256（00H～FFH）.比如系統(tǒng)中的“訓練器”和“控制臺”對應同一編號，因此這兩個詞會有相同的結(jié)果返回.本系統(tǒng)芯片最多支持50個識別條目，每個識別條目是標準普通話的漢語拼音（小寫），每2個字（漢語拼音）之間用一個空格間隔.本系統(tǒng)采取了連續(xù)不同編號的識別條目［3］，表1為簡單示例.

表1　識別列表

（2）開始識別.在開始語音識別之前，要設置幾個有關的寄存器，圖4給出了相關流程.其中，ADC通道即為麥克風輸入通道，ADC增益即為麥克風音量，可設定值00H～7FH，建議設置值為40H～6FH.值越大代表MIC音量越大，識別啟動越敏感，但可能帶來較多誤識別；值越小代表MIC音量越小，需要近距離說話才能啟動識別功能，好處是對遠處的干擾語音響應較小.本文中設定值為4FH［4］，并且可根據(jù)使用環(huán)境進行調(diào)節(jié).

4　系統(tǒng)測試評估

本文主要針對語音對訓練器控制的有效距離和系統(tǒng)誤識別概率進行測試.考慮到電路設計可靠性和中間阻擋物以及使用的環(huán)境噪音因素，試驗進行了多次對比測試和實際運用測試.紅外控制的測試與語音識別系統(tǒng)的測試方法基本一致，所以這里以語音識別測試為例.

4.1誤識別測試

本文根據(jù)不同的咬字清晰度和語速來測試，使用者與訓練器之間的距離為1 m，周圍環(huán)境分為較安靜和較嘈雜；語速分為3種慢速、快速和中速；咬字清晰度視使用者個人而定，這里分為兩類，一類為清晰，另一類為不清晰.周圍環(huán)境較安靜與較嘈雜測試如表2和表3所示.

表2　誤識別測試

表3　語音距離測試

表2顯示本設計在較安靜的環(huán)境、咬字清楚、語速正常的情況下，語音識別靈敏度高，基本沒有誤識別.當周圍的環(huán)境較嘈雜時，語音識別靈敏度降低，會有誤識別出現(xiàn).

4.2有效距離測試

LD3320模塊標準規(guī)格的識別距離為3 m，考慮到MIC靈敏度和實際運用等一些因素，將測試距離分為4 m， 3 m，2 m，1 m這4檔來測試，并對使用者與訓練器的MIC之間是否有無阻擋物進行測試.測試數(shù)據(jù)如表3所示.

從表3可以看出，語音識別的有效距離在3 m左右，使用者與訓練器中間如果有阻擋物，基本上識別不到語音信號，與紅外遙控的距離測試大致相同.由于標準羽毛球場地長13.4 m，寬6.1 m，步伐訓練通常在半場離網(wǎng)2.6 m位置啟動，因此完全可以滿足訓練的要求.

5　總結(jié)

本文針對傳統(tǒng)訓練器械智能化程度不高，功能單一和攜帶不方便等不足，設計制作了一款以非特定語音識別遠程控制和紅外遙控控制的羽毛球步伐訓練器.對訓練器多方位的實際測試與分析表明：該訓練器操作簡單，攜帶方便，并且具有多種基本步法和速度可調(diào)，能夠使羽毛球初、中級愛好者快速掌握正確的羽毛球步伐，具有較好的實用性.

［1］李海林.基于模糊設計方法的羽毛球運動專項輔助練習器的優(yōu)化設計［D］.成都：西南交通大學，2011.

［2］蘇鵬，周風余，陳磊.基于STM32的嵌入式語音識別模塊設計［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2011，11（2）：121-130.

［3］金鑫，田犇，闕大順.基于LD3320的語音控制系統(tǒng)設計實現(xiàn)［J］.電腦與信息技術，2011，19（6）：111-152.

［4］唐繼賢.51單片機應用系統(tǒng)開發(fā)［M］.上海：上?？茖W技術出版社，2012：112-120.

A Kind of Novel Badminton Footwork Training Device Based on Embeddedsystem

WANG Xiaoying，XU Quan
（School of Electrical and Automation Engineering，Changshu Institute of Technology，Changshu 215500，China）

Badminton is a kind of masssports for all ages，for it is easy to grasp.In order to enable the junior badminton enthusiasts to master the correct footwork quickly，this paper designed a kind of badminton footwork training device combined with voice and infrared remote control.Thesystem's hardware andsoftware framework andsome key procedures are given.A multi-faceted test and analysis verify that the footwork training device has a good performance withstability and practicability.

badminton footwork；speech recognition；infrared remote control

TP391.9

A

1008-2794（2015）04-0081-04

2016-04-10

國家自然科學基金項目“基于螞蟻智能搜索行為的多細胞自動跟蹤及其應用研究”（61273312）

王小英，副教授，工學博士，IEEE計算機協(xié)會會員，研究方向：嵌入式實時系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡，E-mail：xiaoying_wang@cslg.edu.cn.