一种基于LD3320的电梯语音控制系统设计

石戈戈

(四川信息职业技术学院，四川 广元 628040)

1 硬件设计

1.1 语音识别模块

20世纪60年代开始，语音识别技术进入了全新的探索时期，期间最具代表性的是线性预测分析(LP)和动态规划(DP)，主要解决了语音识别过程中特征参数提取和训练音频与测试音频特征参数不等长匹配的难题。20世纪90年代以后，人们则开始思考如何让语音识别技术产品化，期间IBM、Apple、 AT&T等科技巨头纷纷投入大量资源进行相关产品开发。理论方面，各种改进和优化算法仍然是语音识别领域的一大热点，期望进一步提高算法的识别能力和识别速度。目前，市场上基于语音识别技术的产品越来越多，比如智能玩具、智能家电、智能汽车电子产品等，当然，目前的语音识别技术无论在理论上还是在应用上距离真正的人机无障碍交流还有较大差距，与此同时，众多研究人员也在通过自己的努力推动语音识别技术的不断进步。从整体流程来看，语音识别部分的工作主要有以下几点：(1)信号预处理过程。由于我们在采集指令发出者发出的原始语音信号时不可避免地会将周围噪声一起采入，而这些噪声或多或少都会影响我们识别结果的准确性，甚至淹没所需信号，致使无法识别。所以，在对原始语音信号进行特征参数提取前我们需要先进行采样、滤波降噪、加窗分帧、端点检测等一系列操作，为后续的特征提取做好铺垫。(2)将经过预处理的信号进行分析，从中提取出我们需要的语音特征，如过零率、能量、幅值等时域参数和频谱、功率谱、基频等频域参数。(3)模式识别即特征参数匹配过程。将原始信号经过处理提取出的特征参数与模板库数据采用一定的规则进行比较，筛选出匹配度最高的模板后通过查表等手段即可得到最终的识别结果。由于电梯的使用人群各种各样，所以在本设计中语音识别模块应该针对非特定人群。本设计选用了LD3320实现将使用者语音信号转变为控制芯片能识别的电信号。LD3320芯片作为一个较为常用的语音识别芯片，不仅是一个语音识别处理器，而且还集成了语音输入接口(麦克风接口)和语音输出接口(声音播放设备接口)、模数转换、数模转换等外部电路，大大减轻了开发者的工作量。LD3320芯片中有内部RAM、Flash，开发者通过操作寄存器资源就可以实现相应的各种功能。

本设计的语音识别模块不仅要实现语音识别的功能，还需要用输出的识别信号控制相应继电器动作。因此，语音识别模块中不仅需要LD3320实现语音信号的识别，与此同时还需要一个单片机来实现整个模块的控制。采用语音识别模块和电梯主控分别采用单片机控制的方式主要是为了让语音识别模块和传统电梯控制电路各自“独立”开来，以便于使用此模块去改造传统电梯的控制方式时更加便于操作。在本次设计中并没有单独使用语音控制选层，而是将语音识别模块的继电器和相应的传统电梯按键并联起来，实现语音、按键并行的多元化控制方式，增加控制的可靠性和人性化。

图1 语音识别电路

为了方便设计，基于LD3320的语音识别模块采用数字电路电源、数字逻辑电路电源和模拟电路电源，均采用3.3V的电源供电。为了方便观察芯片复位后是否上电，在3.3V电源和29号管脚直接串联了一个LED，当芯片上电时该LED就会被点亮。与此同时，该串联电路中串联了一个1K的电阻，其作用是为了降低回路中的电流，以防止LED指示灯被烧坏。电路中MICP和MICN分别作为麦克风的正极端输入和负极端输入，用来输入麦克风输出的语音信号。SPOP和SPON分别作为扬声器的正负极输出，以此实现语音的播报功能。EQ1、EQ2和EQ3为扬声器的外部控制端，通过调整R5和R6的电阻值可以实现扬声器音量增益的外部调整。

1.2 电梯主控及执行模块

本次设计以8层电梯的控制为例进行说明。硬件部分主要由负责全局计算和逻辑判断等全局控制的主控芯片，主要由便于使用者观察的显示模块(LED或点阵显示)、电梯到层提示的蜂鸣器、继电器模块等组成。

主控电路如图2所示，主要由主控单片机芯片、晶振电路和复位电路构成。单片机主控芯片选用主流的STC89C52芯片。复位操作则采用按键复位的形式，当系统需要进行复位操作时只需按下按键S1，电路便会提供一个实现复位功能需要的高电平给主控单片机STC89C52的RST引脚，从而实现复位操作。按键S1断开后，电源则会开始对电容C1进行充电操作，此时输入单片机RST引脚的高电平会“缓慢”降低，最终回到低电平位置，单片机则开始重新工作。

图2 主控电路

图3是蜂鸣器报警电路，此电路主要实现电梯到达相应楼层后提醒的功能。具体实现原理：当电梯到达指定楼层后，单片机STC89C52的P37引脚就会输出一个低电平信号给三极管Q1的基极，此时三极管Q1就会导通，电源就会通过三极管给蜂鸣器供电，蜂鸣器便会报警提醒。

图3 蜂鸣器报警电路

图4是按键选层电路，该电路由8个按键组成。本次设计并未直接用语音识别模块的继电器将传统按键代替，而是将两者并联，使用者可以根据自己的习惯对电梯进行选层等操作，与此同时还可以提高系统的可靠性。

图4 按键选层电路

2 软件设计

在系统硬件搭建完毕后，需要进行软件设计。本系统的软件设计主要包含语音识别模块软件设计和电梯主控部分软件设计2部分。软件设计主要采用的是模块化的设计方式，也就是主程序通过调用各个具有一定独立功能的子程序来实现既定功能。

语音识别模块的软件设计主要实现语音信号的识别、相应语音播报和控制继电器动作等功能。语音识别的工作流程如下所示：

(1)进行初始化设置，对寄存器进行相应配置。

(2)根据需求写入关键词查询列表。LD3320配备了50个词条资源，本次设计以八层电梯为载体，所以LD3320具有的词条资源可以满足设计要求。在进行词条列表设置时应注意，词条必须是以语音命令的小写汉语拼音形式写入。与此同时，字与字之间应该用空格隔开，否则系统会将其视为一个字，从而产生错误。词条长度不应过长，最长不能超过79个字节的拼音串，在本设计中采用的是1楼、2楼、3楼……的形式，词条长度在规定范围内。如“3楼”写入时就应该为“san lou”。在LD3320中为每个词条都配备了一个字节的存储资源来对词条进行编号，该编号并不要求连续或者不同。在某些应用场景中，我们可以将两个或者多个词条的编号设为一样，以此来实现不同语音命令产生相同控制结果的功能，提高识别的效率和整体系统的人性化程度。

(3)进行语音识别。将麦克风采集到的语音信号进行相应处理后通过列表查询的方式匹配对应的词条。识别结果输入单片机产生的相应控制信号，该信号经由相应的驱动电路实现对应继电器的动作。

LD3220内部集成了模数转换、数模转换、功率放大等电路，可以方便地实现语音播报的功能。语音播报的实现流程主要包含以下几个部分：

①初始化设置。

②进行内部音量设置。通过设置相应寄存器的值来实现播放音量的内部调整，该寄存器的值由4位二进制数表示。

③通过扬声器播放相应语音。

电梯主控部分的工作流程主要包含以下几点：

①初始化设置。

②语音识别模块输出识别结果，驱动其相应继电器动作后会产生一个选层信号输入电梯主控单片机STC89C52的对应引脚。首先，通过按键或者语音信号产生的各个选层信号将存入主控单片机为其配置的相应寄存器中。然后，主控单片机会根据设定好的控制策略，完成各个选层信号的优先级排序。最终结合驱动电路控制电梯到达指定楼层。

3 结语

本文以LD3320语音识别芯片为基础，设计了一种语音控制和按键控制相结合的电梯控制系统。该系统在传统电梯按键控制的基础上加入了语音控制，实现了电梯的非接触、多元化的控制，使电梯使用更加便捷、卫生和人性化，与此同时，该系统整体识别率高、稳定性较强，具有一定的应用前景。