張 偉，沈福周

（1.北京奇虎科技有限公司 360未來(lái)安全研究院，北京 朝陽(yáng) 100015；2.揚(yáng)州大學(xué) 信息工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225001）

0 引 言

裸眼3D顯示系統(tǒng)因其獨(dú)特的3D顯示視覺(jué)效果，已經(jīng)從公共信息展示等商業(yè)應(yīng)用向消費(fèi)類多媒體應(yīng)用滲透，也成為了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。光立方作為一種新型裸眼3D信息發(fā)布媒介，給人們帶來(lái)了全新的視覺(jué)體驗(yàn)。然而，現(xiàn)有的光立方存在顯示色彩單一、分辨率不高、人機(jī)交互性能差、設(shè)計(jì)復(fù)雜、成本較高等問(wèn)題，嚴(yán)重阻礙了光立方三維動(dòng)態(tài)顯示技術(shù)的推廣應(yīng)用。

為使光立方更好地改善智能化生活，設(shè)計(jì)了一種基于語(yǔ)音控制的3D動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)，采用RGB全彩LED制作了12×12×12分辨率的光立方，高階全彩的動(dòng)態(tài)顯示效果極大地?cái)U(kuò)充了顯示色域，增強(qiáng)了三維視覺(jué)享受；采用SM16126串轉(zhuǎn)并級(jí)聯(lián)驅(qū)動(dòng)輸出電路設(shè)計(jì)，為高階光立方的設(shè)計(jì)提供了一種可行的實(shí)現(xiàn)方案。

另外，隨著語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)的不斷發(fā)展，在諸多領(lǐng)域展現(xiàn)了出色的應(yīng)用效果，成為了新型智能人機(jī)交互方式。本系統(tǒng)采用基于LD3320的語(yǔ)音識(shí)別模塊控制其工作，提高了人機(jī)交互性能，拓寬了其應(yīng)用范圍，使生活更加智能化、人性化。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本智能語(yǔ)音3D動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)主要分為語(yǔ)音識(shí)別模塊和12×12×12全彩光立方兩大部分，采用語(yǔ)音識(shí)別模塊、硬件驅(qū)動(dòng)電路、STM32F407核心控制器控制不同立體位點(diǎn)的LED亮滅和顏色變換，顯示多種炫彩三維動(dòng)態(tài)畫面。光立方采用RGB全彩LED焊接完成，構(gòu)成三維顯示陣列；通過(guò)讀取外設(shè)SD卡內(nèi)的數(shù)據(jù)流，并送入級(jí)聯(lián)的SM16126芯片控制每個(gè)LED燈的顏色；采用語(yǔ)音識(shí)別模塊對(duì)非特定人聲語(yǔ)音指令進(jìn)行識(shí)別，并將結(jié)果通過(guò)UART串口發(fā)送給STM32控制光立方顯示相應(yīng)的動(dòng)畫，并播放背景音樂(lè)。另外，STM32的UART2串口連接藍(lán)牙模塊，可使用手機(jī)藍(lán)牙控制光立方顯示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 LED的選擇

LED發(fā)光體的體積越小，光立方整體的通透性就越好，即后排的LED就越不容易被前排的LED擋?。涣硪环矫?，使用直徑更大或是霧面的LED越容易看到光點(diǎn)。此外，還要注意LED光點(diǎn)的可視角度，霧狀LED比光面LED更大。

綜上分析，本系統(tǒng)使用的LED燈為5 mm、RGB霧狀散光共陽(yáng)極LED燈，其最大電流為20 mA，電壓范圍為3.0～3.5 V，波長(zhǎng)460～465 nm。實(shí)物如圖2所示。

圖2 4腳RGB LED

2.2 光立方模塊

光立方采用RGB全彩LED焊接完成，實(shí)現(xiàn)三維顯示陣列。將光立方模塊分成3個(gè)4×12×12的子立方，每層48個(gè)LED的陽(yáng)極連在一起，由2片74HC138構(gòu)成4～16選擇器實(shí)現(xiàn)對(duì)層（12層）的選擇，控制某一層和/或某幾層燈的亮滅；豎直方向同列的R、G、B引腳分別連接SM16126的輸出端口，控制每個(gè)LED的顏色（具體實(shí)現(xiàn)如圖3和圖4所示）。此外，由于構(gòu)成光立方的LED燈數(shù)量巨大，對(duì)電流的要求很高，故選擇74HC245作為數(shù)據(jù)的強(qiáng)驅(qū)動(dòng)緩沖器，同時(shí)SM16126能夠提供極為精確的穩(wěn)定電流輸出，保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作。

圖3 SM16126串轉(zhuǎn)并強(qiáng)驅(qū)動(dòng)級(jí)聯(lián)電路

圖4 強(qiáng)上拉驅(qū)動(dòng)和4～16層選擇電路

采用SM16126串轉(zhuǎn)并級(jí)聯(lián)驅(qū)動(dòng)輸出和公共端強(qiáng)上拉設(shè)計(jì)，多個(gè)光立方可自由拼接，為高階光立方的設(shè)計(jì)提供了一種可行的實(shí)現(xiàn)方案。一面LED燈組裝示意圖如圖5所示，光立方組裝測(cè)試如圖6所示，光立方組裝完成圖如圖7所示。

圖5 一面LED燈組裝示意圖

圖6 光立方組裝測(cè)試

圖7 光立方組裝完成圖

2.3 語(yǔ)音識(shí)別模塊

LDV5語(yǔ)音識(shí)別模塊主要包括LD3320非特定人聲識(shí)別芯片和STM32F103微處理器。LD3320芯片內(nèi)部集成了高精度的A/D接口，無(wú)需外接輔助FLASH和RAM即可實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別、聲控、人機(jī)對(duì)話功能，并且識(shí)別的關(guān)鍵詞語(yǔ)列表可動(dòng)態(tài)編輯。

該模塊具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）LDV5模塊具備USB接口及TF卡讀取U盤功能。

（2）支持最大4G mini 低速TF卡讀取。

（3）可實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，具有播放MP3、播放歌曲及對(duì)話等功能。

（4）具備串口輸出識(shí)別碼功能，支持1～12字節(jié)自定義十六進(jìn)制輸出。

（5）支持口令識(shí)別方式，例如：定義模塊為“小光”，只有每次喊“小光”后，模塊才能接收其他操作指令。另外，還支持普通識(shí)別模式、按鍵觸發(fā)模式，以適應(yīng)不同應(yīng)用環(huán)境。

（6）具備看門狗復(fù)位功能，系統(tǒng)更穩(wěn)定。

模塊上有一個(gè)TF卡，加入語(yǔ)音模塊后，只需對(duì)TF卡內(nèi)容進(jìn)行修改就可對(duì)該模塊進(jìn)行操作。圖8所示主菜單文件中的串口輸出識(shí)別碼01、02，分別為語(yǔ)音模塊響應(yīng)時(shí)通過(guò)串口發(fā)送給STM32主控制器的識(shí)別結(jié)果。

圖8 TF卡主菜單文件

2.4 音頻輸出電路

LM358是雙運(yùn)算放大器，內(nèi)部包括2個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)算放大器，適合于電源電壓范圍寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無(wú)關(guān)。其使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場(chǎng)合。本系統(tǒng)用其進(jìn)行音頻播放。音頻輸出電路如圖9所示。

圖9 音頻輸出電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)概述

系統(tǒng)啟動(dòng)后，將處于休眠模式，顯示開(kāi)機(jī)動(dòng)畫，語(yǔ)音識(shí)別模塊在后臺(tái)進(jìn)行語(yǔ)音監(jiān)聽(tīng)。考慮到使用環(huán)境的多樣性，程序設(shè)定了語(yǔ)音指令“小光”來(lái)喚醒語(yǔ)音交互功能，并播放語(yǔ)音提示“在呢在呢”，顯示相應(yīng)動(dòng)畫。此后，在限定的時(shí)間內(nèi)檢測(cè)語(yǔ)音指令，并將識(shí)別碼通過(guò)串口發(fā)送給STM32，控制顯示相應(yīng)的動(dòng)畫、播放背景音樂(lè)。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程

3.2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)軟件源代碼目錄如圖11所示。

圖11 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

結(jié)合具體的源文件分析每層實(shí)現(xiàn)的功能。

（1）寄存器接口層

寄存器接口層是外設(shè)驅(qū)動(dòng)層和單片機(jī)硬件之間的橋梁，它直接操縱單片機(jī)內(nèi)部的寄存器，封裝實(shí)現(xiàn)I/O輸入輸出模塊、定時(shí)器模塊、ADC模塊和串口模塊。其中，STM32F4xx.h頭文件中定義了單片機(jī)的型號(hào)以及相關(guān)I/O口寄存器等。sys.c中封裝了I/O管腳的地址偏移；usart.c中封裝了串口模塊；TIM.c中封裝了定時(shí)器模塊。

（2）外設(shè)驅(qū)動(dòng)層

外設(shè)驅(qū)動(dòng)層主要由SM16126驅(qū)動(dòng)模塊、SPI總線驅(qū)動(dòng)和SD卡讀取驅(qū)動(dòng)構(gòu)成。其中，SM16126.c中封裝了SM16126驅(qū)動(dòng)模塊，通過(guò)MCU模擬IC通信對(duì)SM16126寄存器進(jìn)行操作，可調(diào)用底層的I/O輸入輸出模塊以及定時(shí)器模塊。diskio.c中封裝了SD卡讀寫驅(qū)動(dòng)，可調(diào)用寄存器層的I/O輸入輸出模塊。SPI_MSD0_Driver.c中封裝了SPI總線驅(qū)動(dòng)，可調(diào)用底層的I/O輸入輸出模塊以及定時(shí)器模塊，搭建了基于DMA傳輸?shù)腟PI通信協(xié)議。

（3）應(yīng)用層

應(yīng)用層設(shè)計(jì)主要面向用戶并且負(fù)責(zé)處理具體事務(wù)。主要包括顯示系統(tǒng)、語(yǔ)音系統(tǒng)以及FATFs文件系統(tǒng)。main.c文件中封裝了整個(gè)程序的入口函數(shù)main（），負(fù)責(zé)啟動(dòng)任務(wù)模塊。LED_CUBE.c文件中封裝了顯示系統(tǒng)的操作函數(shù)，同時(shí)其頭文件LED_CUEB.h對(duì)所用管腳以及各全局變量進(jìn)行了定義，如圖12所示。

該文件已經(jīng)完成了數(shù)十種動(dòng)畫的播放，并封裝成了相應(yīng)的函數(shù)，如圖13所示。

圖12 LED_CUBE.h（1）

圖13 LED_CUBE.h（2）

TFCard.c中封裝了FATFs文件系統(tǒng)調(diào)用的相關(guān)配置。借助基于DMA傳輸?shù)腟PI總線對(duì)內(nèi)存卡的扇區(qū)進(jìn)行快速讀寫操作，同時(shí)該文件的頭文件TFCard.h中也封裝了所占用的具體管腳以及DMA總線的初始化內(nèi)容。

3.3 TF讀卡程序

通過(guò)移植FATFs系統(tǒng)對(duì)文件進(jìn)行快速讀寫。初始化SPI總線，掛載文件系統(tǒng)，在DMA方式下讀取文件數(shù)據(jù)，關(guān)閉文件。

TF讀卡程序如下：

3.4 SM16126驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

通過(guò)模擬IC總線來(lái)驅(qū)動(dòng)SM16126芯片，同時(shí)通過(guò)多次頻繁的寫入數(shù)據(jù)，模擬PWM脈寬調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)多灰度的顯示。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

（1）數(shù)據(jù)端口準(zhǔn)備數(shù)據(jù)；

（2）時(shí)鐘端口拉高，發(fā)送數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)；

（3）時(shí)鐘端口拉低，鎖存數(shù)據(jù)；

（4）鎖存器使能端打開(kāi)，輸出控制數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于語(yǔ)音控制的3D動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)，通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別控制高階全彩光立方顯示動(dòng)畫，改善了現(xiàn)有光立方顯示色彩單一、分辨率低、人機(jī)交互性能差、設(shè)計(jì)復(fù)雜等問(wèn)題，提高了三維顯示系統(tǒng)的視覺(jué)體驗(yàn)。

本3D顯示系統(tǒng)相較于其他顯示系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢(shì)：

（1）采用LD3320語(yǔ)音識(shí)別模塊控制其工作，提高了人機(jī)交互性能，拓寬了其應(yīng)用范圍，使生活更加智能化和人性化；

（2）采用RGB全彩LED制作了12×12×12高分辨率的光立方，高階全彩的動(dòng)態(tài)顯示效果極大地?cái)U(kuò)充了顯示色域，增強(qiáng)了三維視覺(jué)體驗(yàn)；

（3）采用SM16126串轉(zhuǎn)并級(jí)聯(lián)驅(qū)動(dòng)輸出和公共端強(qiáng)上拉的電路設(shè)計(jì)，多個(gè)光立方可自由拼接，為高階光立方的設(shè)計(jì)提供了一種可行的實(shí)現(xiàn)方案；

（4）采用DMA方式讀取外設(shè)SD卡，動(dòng)畫修改更方便，讀取時(shí)不占用系統(tǒng)資源，顯示效果更加流暢。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果如圖14所示。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，本系統(tǒng)能夠達(dá)到預(yù)期的效果，對(duì)推進(jìn)3D顯示技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用具有一定的意義。

圖14 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果