基于AVR和51單片機的機器魚語音控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

摘要：為了實現(xiàn)人和機器魚之間的交流，提出一種基于AVR和51單片機語音控制識別系統(tǒng)設計。在理論分析和實驗觀察基礎上，設計了51單片機主控M-LD3320語音識別模塊的語音識別系統(tǒng)，以及AVR主控魚體產生魚體波的動力系統(tǒng)。語音識別系統(tǒng)識別到語音，就通過WAP200B無線通訊模塊將命令傳送給魚體的動力系統(tǒng)，AVR再根據(jù)命令產生相應的魚體波。實驗結果表明，該方案可以實現(xiàn)語音控制機器魚。
關鍵詞：LD3320語音識別；WAP200B無線通訊；ATmega128單片機；魚體波；51單片機

    近年來，海洋資源開發(fā)日趨焦點，機器魚作為一項現(xiàn)代化的新成果，具有廣泛的現(xiàn)實意義，它可以更逼真的模擬魚的游動原理，在水下的運動更符合流體力學原理，具有更好的加速和轉向能力，利用它可以探測海洋資源，尋找和檢測海域中受污染的地方，也可以用來勘探地形等等。隨著科技的發(fā)展，人類對智能化產品的研究步伐在不斷加快。但是，作為一項比較新的產品，機器魚的智能化程度還遠遠不夠，伴隨著研究的加深，機器魚的功能也會更趨完善。語音識別作為一門交叉學科，它的出現(xiàn)實現(xiàn)了長期以來人們渴望與機器交流的夢想。語音識別技術就是讓機器通過識別和理解過程把語音信號轉變?yōu)橄鄳奈谋净蛎畹母呒夹g。近年來，語音識別技術發(fā)展迅速，取得顯著進步，并且已經(jīng)開始被應用于通信、家庭服務、汽車電子、醫(yī)療、家電、消費電子產品等各個領域。截至目前，還沒有出現(xiàn)針對語音識別系統(tǒng)和機器魚結合的設計。本文實現(xiàn)了機器魚和語音識別系統(tǒng)結合的硬件設計。

1 芯片介紹
1．1 LD3320語音芯片介紹
    LD3320是一顆基于ASR技術非特定人語音識別的語音識別芯片。語音識別ASR技術，是基于關鍵詞語列表識別的技術。只需要軟件編輯好要識別的關鍵詞語列表，并把這些關鍵詞語以字符形式傳送到芯片內部，就可以對人說出的關鍵詞語進行識別，不需要作任何錄音。比如，在51單片機編程中，簡單地設置語音芯片的寄存器，諸如把“ni hao”這樣的識別關鍵詞動態(tài)地傳入芯片中，芯片就可以識別這個關鍵詞語了。并且在同一時刻，最多可以在50條關鍵詞語中進行識別，可以根據(jù)場景需要，在終端隨時編輯和更新這50條關鍵詞語。另外，芯片上集成了高精度的D／A和A／D接口，并且接有Flash和RAM，只需把麥克風接在芯片的AD引腳上即可實現(xiàn)語音識別／聲控／人機對話功能。
1．2 AVR芯片介紹
    本例使用ATmega128單片機作為魚體控制芯片，ATmega128具有以下特點：低功耗的8位微處理器，有133條指令，且大多數(shù)指令可以在一個時鐘周期內完成；53個可編程I／O口線；128K字節(jié)的系統(tǒng)內可編程Flash；4K字節(jié)的EEPROM；優(yōu)化的外部存儲器空間多達64K字節(jié)；兩個帶有獨立預分頻器和比較器的8位定時器／計數(shù)器；兩個帶有預分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時器／計數(shù)器；兩路8位PWM；6路分辨率可變(2到16位)的PWM；兩個可編程的串行USART；8路10位的ADC。

2 硬件設計實現(xiàn)
2．1 整體設計方案
    語音識別系統(tǒng)識別到語音數(shù)據(jù)會產生一個中斷信號給51單片機，然后單片機通過程序判斷語音數(shù)據(jù)的正確性(可能是噪音)，如果正確就通過P0口讀取語音數(shù)據(jù)，并且將數(shù)據(jù)通過WAP200B無線通訊模塊發(fā)送給魚體主控芯片AVR單片機，此時AVR就可以根據(jù)命令產生相應占空比的PWM波。整體方案設計如圖1所示。

2．2 語音控制部分
    M-LD3320進行語音識別時，需要有較高純凈度的3．3V直流電源供電和合適的晶振信號(我們使用了12M正方形有源晶振)。使用51單片機編寫程序主控LD3320芯片，來實現(xiàn)語音識別功能。同時必須保證51單片機和語音模塊的最終供電電源統(tǒng)一。
    麥克風采集到聲音，不管是否識別到正常結果，芯片都會產生一個中斷信號通過IRO管腳返回給51單片機，并且將數(shù)據(jù)通過ICR_P0～ICR_P7傳送給51單片機進行處理，然后中斷程序要根據(jù)寄存器的值分析結果，如果識別成功，就將識別得到的數(shù)據(jù)通過無線通訊模塊發(fā)送出去。由于本文在語音模塊傳送數(shù)據(jù)給MCU時采用并行方式，所以MD直接接地，如果采用串行方式需要使MD管腳置高。它與51單片機(基于STC89C52)的連接示意圖如圖2所示。

    模塊PCB板已經(jīng)將連接麥克風的引腳接到模塊的MIC插座上，所以在連接電路的時候11～19和22～31引腳懸空不用。與51單片機連接時，ICR_P0～ICR_P7(2和33-39引腳)必須連接在單片機的數(shù)據(jù)總線上，同時需要在P0-P7，以及RDB，MD，INTB，WRB，CSB這些控制管腳上焊接1K ／10K的上拉電阻(上拉到3．3V即可)，這樣可以輔助系統(tǒng)穩(wěn)定運行。CLK引腳的連接有兩種選擇：1)直接將51單片機的晶振信號通過導線輸入到LD3320的CLK管腳，但是導線不宜過長。2)將正方形有源晶振直接焊接在模塊上預留的連接點，此時CLK管腳需要懸空。本文采用的第二種方法。
2．3 AVR控制部分
    AVR是魚體的主控MCU，主要用來控制機器魚的的動力部分。機器魚的動力來自舵機，設計關節(jié)數(shù)為三個，即有三個舵機。每個舵機由十五位的不同占空比的PWM波來控制轉動不同的角度，三個舵機需要配合形成魚體波來控制魚體擺動。魚體結構如圖3。

    魚體波是利用桿系機器魚對真實魚游動形態(tài)的擬合，可以認為魚體波曲線是魚體波幅包絡線和正弦曲線的合成，它開始于魚體慣性力的中心，延伸至尾柄，其曲線方程可表示為
   
    式中，yboby是魚體的橫向位移(背腹軸)，x是魚體的軸向位侈(頭尾軸)，c1是魚體波波幅包絡線的一次項系數(shù)，c2是魚體波波幅包絡線的二次項系數(shù)，k是波長倍數(shù)(k=2π／λ)，λ是魚體波的波長，w是魚體波的頻率(w=2πf=2π／T)。
    由于計算機控制是一種離散的數(shù)字量，魚體波曲線也需要離散化，所以把時間參數(shù)t從魚體波運動函數(shù)yboby(x，t)中分離出來，方程即為
   
    式中，i表示一個擺動周期內的樣條曲線序列的第i個變量；N表示魚體波分辨率，即在一個擺動周期內整個魚體波被離散的程度，其上限不能大于驅動機構擺動的最高頻率。
    為了更好地表征魚體波動的參數(shù)，提高魚體方向控制特別是轉彎過程中的靈活性，在方程2的特征參數(shù)基礎上，增加波長倍數(shù)k相對于x的二次增益，修改后的方程如下
   
    通過調整k1和k2的值，根據(jù)x的變化可以得到更多的魚體波曲線。同時，在機器魚的設計過程中，可通過微調身體波參數(shù)來增加運動的機動性和靈活性。
    根據(jù)實際魚體選擇合適的魚體波參數(shù)，通過仿真工具模擬出一個擺動周期內i從0～N的所有魚體波，就可以計算舵機在各種情況下所需轉動的角度，然后就可以設定各個舵機的PWM波占空比，就可以產生所需要的魚體波。本文設定參數(shù)為c1=0．05；c2=0．09；k1=0.5；k2=0.1；N=10的一條魚體波曲線如圖4，直線段為實際中三節(jié)舵機配合形成的魚體波，曲線為理想魚體波曲線。

    使用AVR的USART0與無線通信模塊連接。當51單片機通過無線通訊模塊將數(shù)據(jù)傳送到AVR時，AVR單片機軟件控制會產生一個串行中斷，此時可以判斷接收到的命令，根據(jù)命令改變PWM波的占空比，從而改變機器魚的游動方向。
2．4 WAP200B無線通訊傳輸部分
    無線模塊WAP200B總共有10個管腳：VCC_CPU為MCU電源輸入，VCC_RF為RF短路電源，VCC_PA為RF功放電源，它們三個管腳接DC3．3V；SET為配置或者正常工作模式選擇信號輸入管腳，低電平時WAP200B為配置模式，此時串口的數(shù)據(jù)作為配置指令而不會被傳送出去，高電平(3．3V)時模塊使能接發(fā)功能；RXD／TXD是串口數(shù)據(jù)從WAP200B輸入／輸出的管腳，3．3V／5V兼容TTL邏輯電平，RESET為復位信號輸入管腳，正常工作接高電平；ANTENNA為天線接口。連接方式如圖5所示。

    無線通訊模塊的TXD／RXD分別與51單片機的RXD／TD相連，就相當于51單片機的一個串口。在使用無線通汛模塊之前，需要配置它的波特率、串口模式、頻道以及發(fā)射功率(SET置低)，兩個互相通訊的模塊必須保證具有相同的波特率和頻道，同時51單片機串口的波特率也必須和通訊模塊一致，發(fā)射功率可以根據(jù)發(fā)射的距離遠近設定。

3 控制軟件設計流程
    51單片機是語音芯片的主控CPU，它的軟件主要包括主程序，串口初始化(波特率和串口模式設定需要和無線通訊模塊一致)，語音系統(tǒng)的識別控制，命令數(shù)據(jù)的發(fā)送。51程序流程如圖6所示。

    AVR是魚體主控芯片，它的軟件主要包括主程序，串口初始化(波特率和串口模式需要同上一致，還設置接收中斷打開狀態(tài))，產生使機器魚直游的PWM波，無論在什么狀態(tài)，只要串口接收到命令就會產生中斷，就需要根據(jù)命令改變PWM波的占空比，從而改變機器魚的游動方向，需要注意的是在改變PWM波占空比以后，只需要保持此占空比一段時間(該時間段內有可能有新的命令)，在魚體改變方向以后就需要再次將占空比改為直游。AVR控制流程如圖7所示。

4 實驗結果
    此語音控制系統(tǒng)在實驗中已經(jīng)得到實現(xiàn)。我們在51單片機中編輯了“zuo”、 “you”、 “qian”等命令：在AVR單片機的接受中斷編輯了相應命令的PWM波占空比；所有串口通訊參數(shù)設置為：波特率9600bps；串口模式為8個數(shù)據(jù)位，1個停止位，無校驗位；頻道設置為28；發(fā)射功率設為最大(FF)。使用了奧林巴斯ME52的麥克風作為語音接收設備。

    表1是魚在直游(前)的時候，三個舵機在十個離散周期各自的轉角。在轉向的時候，前兩個舵機偏轉，第三個舵機保持不變；在進行“左”轉命令時，舵機1和舵機2在直游基礎上加上負40°；“右”轉時加上正40°。由于舵機轉角與PWM波占空比是線性關系，在此基礎上，我們匹配了PWM波占空比與舵機轉角的數(shù)學關系式
   
    jiaodu是定義的直游時各舵機的轉角數(shù)組，j是舵機號，i是周期，pianjiao是左轉右轉等附加給直游時的角度(正負40°)；xiuzheng是實際中需要調試的補償角度。
    實際操作中，當發(fā)出“左”、 “右”、 “前”等命令時，機器魚會立即做出相應的動作。

5 結束語
    文中主要介紹了語音識別技術在機器魚上的應用以及魚體波的產生原理，實現(xiàn)了語音控制機器魚的游動方向，相信隨著機器魚的研究深入，可以在語音系統(tǒng)基礎上實現(xiàn)更多功能，使機器魚更加趨于智能化，最終可以為人類探索海洋提供更多幫助和便利。