長江大學電子信息學院 羅貴舟 熊曉東

基于LD3320的智能LED照明系統(tǒng)研究

長江大學電子信息學院 羅貴舟 熊曉東

針對目前國內(nèi)家居照明系統(tǒng)控制方式單一、智能化程度低等問題，提出了一種基于LD3320非特定人語音識別芯片的智能LED照明系統(tǒng)的構(gòu)想。該系統(tǒng)以STM32F103ZET6為主控制器，通過SPI串行總線與LD3320通訊，控制器根據(jù)識別結(jié)果智能調(diào)節(jié)驅(qū)動3路白色LED燈的PWM占空比，實現(xiàn)人燈交流，智能調(diào)光的效果。該設計在智能家居領域具有較廣的應用前景。

語音識別；LD3320；STM32F103ZET6；智能照明

0 引言

隨著智能家居理念不斷深入人心，人們對于家具照明設備已不再滿足手動控制，而是追求操作更加智能的燈。而近年來人工智能和高效節(jié)能的LED相結(jié)合的研究越來越引起關(guān)注，不斷推動著語音識別技術(shù)走向日常照明領域[1]，進而讓LED燈聽得懂人類語言成為了可能。這有力的促進了智能照明行業(yè)產(chǎn)品的推陳出新。本文在研究語音識別技術(shù)的基礎上，將語音識別與家居照明相結(jié)合，設計出一套基于語音識別的智能LED照明裝置。選用LD3320作為語音識別芯片，根據(jù)關(guān)鍵詞列表判斷語音命令，并通過總線將識別結(jié)果反饋給STM32F103ZET6，進而調(diào)節(jié)3路PWM占空比來控制LED燈的亮度，實現(xiàn)了人燈交流，智能調(diào)光的效果。本文研究內(nèi)容具有一定的前沿性，設計的產(chǎn)品也具有較廣的應用價值。

1 語音識別關(guān)鍵技術(shù)

語音識別技術(shù)根據(jù)不同特點大體可分為三類[2]：（1）特定人與非特定人語音識別系統(tǒng)；（2）大規(guī)模詞匯和有限詞匯語音識別系統(tǒng)；（3）獨立詞語與連續(xù)語音識別系統(tǒng)。它們雖各有區(qū)別，但識別流程基本一致，如圖1所示，從圖中可知，語音識別主要涉及預處理、特征提取和匹配識別等過程。

圖1 語音識別一般流程圖

1.1 預處理技術(shù)

預處理主要包括語音信號的預加重、加窗、端點檢測等技術(shù)。聲音是由復雜的發(fā)聲器官共同作用產(chǎn)生的，屬于非平穩(wěn)時變信號，但在“短時”（10ms～30ms）內(nèi)是平穩(wěn)的，被稱為幀長，短時分析技術(shù)是預處理的基礎。預加重通常是利用一階數(shù)字濾波器補償聲音在傳播過程中高頻衰減部分[3]（800Hz以上）；加窗則是利用矩形窗或漢明窗對語音信號進行分幀處理，以便獲取短時平穩(wěn)信號。為保證信號的連續(xù)，幀與幀之間需要有小于二分之一幀長的重疊；端點檢測用于判斷語音信號的起點和終點，這有利于有效聲音的判斷，減少系統(tǒng)的計算和誤識別。

1.2 LPCC與MFCC

線性預測編碼倒譜系數(shù)（LPCC）和梅爾尺度倒譜系數(shù)（MFCC）是兩種提取語音信號特征參數(shù)的關(guān)鍵技術(shù)。LPCC[4]模擬了聲道的發(fā)音系統(tǒng)，它利用線性預測編碼提取語音特征，再對系數(shù)做傅里葉變換，最后求反變換得到特征量。而MFCC[5]則是對人耳聽覺系統(tǒng)進行模擬，先對語音信號做傅里葉變換，再將信號通過濾波器組，最后由濾波信號做離散余弦變換得出特征系數(shù)。由于MFCC魯棒性好，抗噪聲能力強，且LPCC對輔音的識別效果較差，目前常用MFCC對語音信號進行特征提取。公式1-1為MFCC數(shù)學表達式：

1.3 識別判斷技術(shù)

目前常用的識別判斷方法有動態(tài)時間規(guī)整（DTW）、矢量量化（VQ）和隱馬爾科夫模型（HMM）三種。DTW能有效判斷語音信號訓練前后的相似程度，解決不等長問題，并能夠求出規(guī)整函數(shù)，利用最小距離識別出結(jié)果；VQ起初應用在數(shù)據(jù)壓縮領域，它通過反復語音訓練，將特征參數(shù)組成矢量集后進行量化，再利用LBG算法生成碼本，最后通過歐氏距離求出的最小距離判斷識別結(jié)果。HMM[6]表征了觀察隱藏狀態(tài)和觀察序列之間的統(tǒng)計關(guān)系，它使語音識別技術(shù)從特定人識別走向非特定人識別，本文所使用LD3320芯片就是采用該技術(shù)。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 主控制器

由于LD3320的供電電壓為3.3V，則所選控制器因滿足該電壓范圍。本文選用意法半導體公司生產(chǎn)的STM32F103ZET6 32位增強型單片機作為主控制器，采用3.3V供電，時鐘頻率可達72MHz，自帶SPI接口，可以與LD3320直接連接通信。該控制器采用ARM Cortex-M3內(nèi)核架構(gòu)，內(nèi)含嵌套中斷向量控制器，支持多種調(diào)試方式。其內(nèi)部資源豐富，被廣泛應用于電機控制、打印機、視頻對話等領域。本文使用的4線SPI1接口對應引腳分別為PA4（NSS）、PA5（SCK）、PA7（MOSI）、PA8（MISO），3路PWM對應引腳為PB6～PB8。

2.2 語音識別模塊設計

LD3320[7]是ICRoute公司生產(chǎn)的基于非特定人的語音識別芯片，它起初由語言學家對不同人的聲音進行數(shù)學分析，建立語音模型，然后通過不斷訓練學習，分析出基元特征量以及不同基元之間差異，從而建立基元語音特征庫，最后由工程師將特征提取算法以及語音庫轉(zhuǎn)化為硬件集成芯片。用戶使用時無需訓練，只需將欲使用的命令以拼音字符串形式寫入寄存器中，形成關(guān)鍵詞識別列表，即可實現(xiàn)多達50條的語音命令。其內(nèi)部自帶A/D、D/A轉(zhuǎn)換器，外圍不需要其他存儲芯片，實現(xiàn)真正意義上單芯片語音識別功能。圖2為LD3320識別流程圖。

圖2 LD3320識別原理圖

圖3 為LD3320外圍電路圖，其中P46（MD）為通信方式選擇管腳，由于LD3320與控制器采用SPI串行方式通信，所以直接將其拉高。P47引腳為復位引腳，它可有效解決識別異?，F(xiàn)象，與STM32的PB15引腳相連，實現(xiàn)軟件控制。P0～P2以及CSB/SCS引腳為SPI通信接口，與STM控制器的PA4～PA8相連。LD3320提供了兩種音量控制方式：一種是利用其內(nèi)部寄存器0x35控制，另一種是通過EQ1、EQ2、EQ3引腳硬件控制增益。

圖3 LD3320外圍電路圖

2.3 PWM驅(qū)動電路

本文采用脈寬調(diào)制方式（PWM）控制3路LED的亮度，由于控制器輸出的三路PWM信號幅值為3.3V，而本文所使用的LED為+12V共陽極燈帶，所以需要電壓轉(zhuǎn)換，如圖4所示，Q2、Q3、Q4為三極管，用于將控制器輸出的3.3V PWM信號轉(zhuǎn)換為+12V信號，Q6、Q7、Q8為CMOS管，用于提高信號驅(qū)動能力。J8為3路LED燈和電源接口。

圖4 PWM驅(qū)動電路

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件主要包括語音識別程序和PWM程序。語音識別程序主要完成LD3320的初始化、設置關(guān)鍵詞列表、識別反饋程序；PWM程序是對STM定時器的配置，用以調(diào)節(jié)LED亮度。本文重點闡述語音識別程序部分。

(1)LD3320初始化：芯片初始化包括芯片復位、通用初始化、語音識別初始化。芯片復位是通過軟件對LD3320的P47引腳進行拉高拉低操作，避免芯片死鎖；通用初始化程序是向特定寄存器寫入特定值，以實現(xiàn)軟件復位、休眠DSP處理器、省電方式選擇、初始化拼音字符串長度配置等功能。

(2)關(guān)鍵詞列表設置：LD3320利用ID編號方式對語音命令進行表示，編號可以不必連續(xù)但不能超過50條語句。語音命令以對應小寫漢語拼音字符串的形式寫入寄存器，每兩個字拼音之間用空格隔開，本文設置了7條需要的語音命令，見表1所示。1～3號ID用于開啟三路LED燈，4～5號ID命令用于調(diào)節(jié)PWM占空比從而實現(xiàn)燈的亮暗程度，PWM按20%間隔變化，6～7號ID用于控制三路LED燈的開關(guān)狀態(tài)。圖5為添加關(guān)鍵字列表流程圖。

表1 語音命令列表

圖5 關(guān)鍵字列表配置流程圖

(3)識別反饋程序：在語音識別前，先設置好內(nèi)部音量增益寄存器0x35，以便語音信號被高效采集。0x2B、0xB2以及0x37是執(zhí)行語音識別程序的三個關(guān)鍵寄存器，其中0x2B第四位為識別結(jié)果產(chǎn)生位，0xB2為檢測DSP閑忙狀態(tài)，0x37用于觸發(fā)DSP執(zhí)行語音識別。當讀取0x2B第四位為“1”，0xB2中的值為21H，0x37中的值為06H，則說明語音識別程序已經(jīng)成功執(zhí)行，并將結(jié)果的標志信息保存于寄存器0xBA中，當其保存值為在1～4之間，表示識別結(jié)果已經(jīng)保存于相應寄存器中，若值不在1～4之間，則說明沒有識別結(jié)果產(chǎn)生。存儲識別結(jié)果ID的寄存器有：0xC5、0xC7、0xC9、0xCB，0xC5寄存器中保存最佳結(jié)果，其他的為候選結(jié)果。

4 測試與分析

實驗發(fā)現(xiàn)，音量增益大小、人與開發(fā)板距離都影響著系統(tǒng)的語音識別成功率。以增益大小為例，由上文可知，LD3320有兩種增益控制方式：硬件和寄存器控制，由于硬件調(diào)節(jié)增益比較繁瑣，且影響硬件穩(wěn)定性，擇優(yōu)選用了寄存器來控制增益。系統(tǒng)搭建好后，在距離相同情況下，通過設置0x35內(nèi)不同值并對著系統(tǒng)復述20次相同語音命令，得到實驗結(jié)果如表2所示：

Research on the system of intelligent LED lighting based on LD3320

Luo Guizhou Xiong Xiaodong
（College of Electronics and Information，Yangtze University，Hubei Jingzhou 434023）

In order to solve the problem of simple control model and low intelligence in the smart lighting system，a system of intelligent LED lighting is proposed based on the non-specifc speech recognition chip of LD3320.STM32F103ZET6 is the main controller in this system and communicates with LD3320 through the SPI serial bus.According to the recognition result，the controller intelligently adjusts the PWM duty cycle of the 3-channel white LED lamp.It comes true the human and lamp communication.It has the effect of the intelligent dimmer. The design has a wider application prospects in the feld of intelligent home.

Speech recognition；LD3320；STM32F103ZET6；Intelligent lighting