基于語(yǔ)音識(shí)別的汽車空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

現(xiàn)在汽車上使用的電器越來越多，駕駛員需要手動(dòng)操作的電器開關(guān)也越來越多，不但增加了駕駛員的負(fù)擔(dān)，還影響了行車安全。本文以STM32F103VET6(以下簡(jiǎn)稱STM32)芯片為控制核心，采用高性能LD3320語(yǔ)音識(shí)別芯片，設(shè)計(jì)基于語(yǔ)音識(shí)別的汽車空調(diào)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以用語(yǔ)音有效控制汽車空調(diào)，減輕了駕駛員的操作負(fù)擔(dān)，保證行車過程中的安全。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

運(yùn)用語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)，結(jié)合各種傳感器對(duì)車身內(nèi)外的環(huán)境(如氣溫、陽(yáng)光強(qiáng)度等)以及制冷壓縮機(jī)的狀態(tài)等多種參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，與設(shè)定參數(shù)相比較，微控制器經(jīng)過運(yùn)算處理做出判斷，輸出相應(yīng)的調(diào)節(jié)和控制信號(hào)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)經(jīng)過實(shí)時(shí)調(diào)整和修正，實(shí)現(xiàn)對(duì)車廂內(nèi)空氣環(huán)境全方位、多功能的調(diào)節(jié)和控制。系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括溫度風(fēng)門電機(jī)、模式風(fēng)門電機(jī)、循環(huán)風(fēng)門電機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、除霜控制繼電器等。圖1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。



1．1 主控制器

主控制器為基于ARM Cortex—M3內(nèi)核的32位微控制器STM32F103VET6，內(nèi)置64 KB RAM、512 KBFlash，以及豐富的增強(qiáng)I／O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)，主要控制傳感器模擬信號(hào)的采集、語(yǔ)音信號(hào)的收發(fā)和汽車空調(diào)控制信號(hào)的輸出。

1．2 語(yǔ)音識(shí)別模塊

語(yǔ)音識(shí)別芯片選用的是ICRoute公司的LD3320芯片。該芯片集成了語(yǔ)音識(shí)別處理器和一些外部電路，包括A／D轉(zhuǎn)化器、D／A轉(zhuǎn)換器、麥克風(fēng)接口、聲音輸出接口等。本芯片在設(shè)計(jì)上注重節(jié)能與高效，不需要外接任何的輔助芯片(如Flash、RAM等)，直接集成在現(xiàn)有的產(chǎn)品中即可以實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別功能。識(shí)別的關(guān)鍵詞語(yǔ)列表是可以任意動(dòng)態(tài)編輯的。

參照LD3320數(shù)據(jù)手冊(cè)，語(yǔ)音識(shí)別控制電路采用LD3320與STM32通過SPI串行方式進(jìn)行連接。語(yǔ)音識(shí)別模塊控制電路如圖2所示。首先，要將MD接高電平，芯片時(shí)鐘信號(hào)CLK連接到STM32時(shí)鐘信號(hào)輸出引腳MCO(PA8)上。引腳MBS是麥克風(fēng)偏置，接了一個(gè)RC電路，保證能輸出一個(gè)浮動(dòng)電壓給麥克風(fēng)。

1．3 SD卡存儲(chǔ)模塊

要實(shí)現(xiàn)具有人機(jī)交互功能的語(yǔ)音識(shí)別控制系統(tǒng)，需要存放大量的MP3音頻文件。本系統(tǒng)中，MP3音頻播放文件存放在SD卡上，語(yǔ)音識(shí)別關(guān)鍵詞也存放在SD卡上，這樣可以很方便地更改要識(shí)別的關(guān)鍵詞，而不需要更改程序內(nèi)容。主控STM32將MP3數(shù)據(jù)依次從SD卡讀出來，送入LD33 20芯片內(nèi)部，這樣就可以從芯片的相應(yīng)的引腳輸出聲音。SD卡硬件連接如圖3所示。SD卡與STM32通過SPI方式進(jìn)行通信。將SD卡片選信號(hào)CS、數(shù)據(jù)輸入信號(hào)DI、數(shù)據(jù)輸出信號(hào)DO、時(shí)鐘信號(hào)SCLK分別與STM32的PC11、PD2、PC8、PC12引腳連接。



1．4 傳感器模擬信號(hào)輸入模塊

傳感器模擬信號(hào)是控制系統(tǒng)的輸入信號(hào)源。傳感器把非電量的物理量變成電量后并不一定適合A／D轉(zhuǎn)換器直接應(yīng)用，還必須經(jīng)過放大、濾波、隔離及保護(hù)措施，才能送給單片機(jī)。單片機(jī)通過檢測(cè)這些傳感器信號(hào)來判斷系統(tǒng)的溫度、濕度等是否滿足用戶的要求。以車內(nèi)溫度傳感器為例分析，溫度信號(hào)采集硬件連接圖如圖4所示。本系統(tǒng)采用NTC公司的高精度車內(nèi)溫度傳感器Rntc，Rntc和電阻R0分壓后輸入到單片機(jī)。Rntc電阻值可以近似地用如下公式表達(dá)：

其中，R1為絕對(duì)溫度下T1時(shí)的電阻值，T為要檢測(cè)的溫度，Rntc為該溫度下的電阻值，B值反映了溫度變化與阻值變化的關(guān)系。單片機(jī)信號(hào)輸入端得到的電壓為：

根據(jù)公式(2)電壓計(jì)算出當(dāng)前溫度傳感器的電阻，再由公式(1)計(jì)算出要檢測(cè)的溫度。

1．5 壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

壓縮機(jī)的動(dòng)力是由發(fā)動(dòng)機(jī)提供的，連接發(fā)動(dòng)機(jī)和壓縮機(jī)的重要電子部件是電磁離合器。根據(jù)汽車空調(diào)運(yùn)行情況和壓縮機(jī)開關(guān)的工作電壓，單片機(jī)控制繼電器吸合或斷開，以此控制壓塑機(jī)電磁離合器的吸合與斷開。當(dāng)蒸發(fā)器溫度一旦低于設(shè)定值，壓縮機(jī)就停止工作；反之，壓塑機(jī)保持正常工作，開始制冷。汽車空調(diào)蒸發(fā)器就是一個(gè)熱交換器，通過熱交換將進(jìn)入蒸發(fā)器的氣體變?yōu)槔滹L(fēng)，從而達(dá)到制冷的目的。控制蒸發(fā)器溫度是空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要任務(wù)。



1．6 風(fēng)門電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

汽車空調(diào)伺服電機(jī)選用直流電動(dòng)機(jī)。伺服電機(jī)根據(jù)功能分為內(nèi)外循環(huán)電動(dòng)機(jī)、混合風(fēng)門電動(dòng)機(jī)、模式風(fēng)門電動(dòng)機(jī)。電機(jī)采用兩個(gè)TA8083F系列芯片驅(qū)動(dòng)，每個(gè)芯片可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)伺服電機(jī)。該芯片的輸入端口可以直接和單片機(jī)連接，STM32單片機(jī)的PE0～PE3引腳分別與驅(qū)動(dòng)芯片DI1A、DI2A、DI1B、DI2B引腳相連接。其硬件電路如圖5所示。

根據(jù)輸入信號(hào)的不同，電機(jī)工作狀況也不同，具體的工作情況如表1所列。



1．7 鼓風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

鼓風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示。用四合一集成運(yùn)算放大器LM2902將單片機(jī)的PWM輸出信號(hào)T050放大，經(jīng)放大后的信號(hào)Blwc傳送給風(fēng)機(jī)調(diào)速模塊，從而調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。單片機(jī)輸出信號(hào)Blowoff control作為控制鼓風(fēng)機(jī)的開關(guān)信號(hào)。2SC2412作為控制鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的開關(guān)。當(dāng)單片機(jī)輸出高電平時(shí)，2SC2412導(dǎo)通，鼓風(fēng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)單片機(jī)輸出低電平時(shí)，2SC2412反向截止，鼓風(fēng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。



1．8 后除霜驅(qū)動(dòng)模塊

前、側(cè)擋風(fēng)玻璃上的霜層通常是通過在汽車空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)道中，調(diào)整模式風(fēng)門的位置，利用空調(diào)系統(tǒng)中產(chǎn)生的暖氣(或流動(dòng)的空氣)，達(dá)到清除結(jié)霜的目的。對(duì)后擋風(fēng)玻璃的除霜，常采用除霜熱線。除霜熱線是把數(shù)條電熱線(鎳鉻絲)均勻地粘在后窗玻璃內(nèi)部，各線兩端相接，形成并聯(lián)電路。當(dāng)兩端加上電壓后，電熱線就會(huì)升溫而加熱玻璃，從而達(dá)到防止或清除霜層的目的。后除霜控制電路如圖7所示。IG2為汽車空調(diào)電源，單片機(jī)輸出信號(hào)Defr通過三極管NIF5002N來控制繼電器的通斷，從而控制除霜熱線的通斷，來達(dá)到后除霜的目的。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言開發(fā)，用Keil uVision4軟件進(jìn)行編譯。開發(fā)過程按照模塊化分塊進(jìn)行，系統(tǒng)的主要模塊包括語(yǔ)音識(shí)別模塊、語(yǔ)音播放模塊、SD卡模塊以及空調(diào)控制模塊。

2．1 語(yǔ)音識(shí)別模塊

語(yǔ)音識(shí)別模塊采用中斷的方式進(jìn)行工作，其工作流程大致為芯片初始化、寫入識(shí)別列表、開始識(shí)別、中斷響應(yīng)并獲取識(shí)別結(jié)果。語(yǔ)音識(shí)別流程如圖8所示。在初始化程序里，主要完成軟復(fù)位、模式設(shè)定、時(shí)鐘頻率設(shè)定和FIFO設(shè)定。在寫入識(shí)別列表之前，首先要讀取寄存器B2的值，檢查L(zhǎng)D3320是否處于空閑狀態(tài)；然后，把識(shí)別語(yǔ)音列表信息寫入LD3320的05和B9寄存器中，每個(gè)識(shí)別條目是標(biāo)準(zhǔn)普通話的漢語(yǔ)拼音(小寫)，每?jī)蓚€(gè)漢語(yǔ)拼音之間用一個(gè)空格間隔。在完成添加語(yǔ)音識(shí)別列表后，設(shè)定寄存器35的值為45H。此處設(shè)定的值越大，代表麥克的音量越大，識(shí)別距離也越遠(yuǎn)，但是可能產(chǎn)生較多的誤識(shí)別；值越小代表麥克的音量越小，需要近距離說話才能啟動(dòng)語(yǔ)音識(shí)別功能，識(shí)別率也高。設(shè)定寄存器37值為06H，啟動(dòng)語(yǔ)音識(shí)別，即可開始語(yǔ)音識(shí)別。如果麥克風(fēng)采集到聲音，不管是否識(shí)別出正常結(jié)果，都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)。進(jìn)入中斷函數(shù)后，首先清零寄存器29和寄存器02；然后，檢查B2寄存器是否為0x21。若值為0x21，表示閑，可以檢測(cè)2B的值；若為1，表示語(yǔ)音識(shí)別有結(jié)果產(chǎn)生。寄存器BF讀到數(shù)值為0x35，可以確定是一次語(yǔ)音識(shí)別流程正常結(jié)束。寄存器BA表示語(yǔ)音識(shí)別有幾個(gè)識(shí)別候選結(jié)果。最后，可以讀取寄存器C5，獲取識(shí)別結(jié)果。


2．2 語(yǔ)音播放模塊

語(yǔ)音播放的軟件設(shè)計(jì)流程包括通用初始化、MP3播放初始化、播放音量調(diào)節(jié)、開始播放聲音以及中斷響應(yīng)。通用初始化時(shí)，首先連續(xù)讀取寄存器06，相當(dāng)于激活了芯片；然后，按順序設(shè)置相關(guān)寄存器的值。MP3播放初始化時(shí)，首先要設(shè)置寄存器BD的值為02H，啟動(dòng)MP3播放模塊；然后，向寄存器17寫入48H，激活DSP。語(yǔ)音播放模塊的音量分為16級(jí)，用4位二進(jìn)制表示，這里需要設(shè)置寄存器8E的第2～5位的值來調(diào)節(jié)播放音量。當(dāng)播放語(yǔ)音時(shí)，首先需要清零，開始播放位置。將寄存器1B的第3位設(shè)為1，然后執(zhí)行循環(huán)。當(dāng)播放條件為真時(shí)，順序?qū)P3數(shù)據(jù)放入寄存器01(每次1個(gè)字節(jié))，播放位置值增加1。當(dāng)寄存器06的第3位等于0或者播放位置小于MP3文件的總長(zhǎng)度時(shí)，就跳出循環(huán)。等到芯片播放該段后會(huì)發(fā)出中斷請(qǐng)求，而中斷函數(shù)會(huì)不斷接收數(shù)據(jù)，直到FIFO-DA-TA裝滿或聲音數(shù)據(jù)結(jié)束。

2．3 SD卡模塊

此模塊分為SD卡初始化和SD卡數(shù)據(jù)讀取。SD卡初始化時(shí)，在發(fā)送CMD命令之前，在片選有效的情況下，首先要發(fā)送至少74個(gè)時(shí)鐘，否則將有可能出現(xiàn)SD卡不能初始化的問題。然后，就可以發(fā)送復(fù)位命令CMD0。發(fā)送復(fù)位命令后等待8個(gè)時(shí)鐘周期，進(jìn)入SPI總線模式，接著發(fā)送CMD1命令。如果正確接收響應(yīng)信號(hào)，表示SD卡初始化完成，可以接受后續(xù)讀寫命令。初始化完成后，發(fā)送CMD17讀命令。判斷響應(yīng)值是否全為0，然后，判斷接收數(shù)據(jù)開始令牌是否為0xfe，如果是，就可以接收正式數(shù)據(jù)和CRC碼。

2．4 空調(diào)控制模塊

空調(diào)控制模塊主要包括信號(hào)采集模塊、風(fēng)門電機(jī)控制模塊、鼓風(fēng)機(jī)控制模塊、壓塑機(jī)控制模塊、后除霜控制模塊5個(gè)子模塊?？照{(diào)控制流程如圖9所示。首先，進(jìn)行系統(tǒng)的初始化。若點(diǎn)火開關(guān)正常啟動(dòng)，信號(hào)采集模塊開始采集傳感器數(shù)據(jù)，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，判斷是否滿足風(fēng)機(jī)啟動(dòng)條件。若滿足條件，則設(shè)置風(fēng)機(jī)PWM占空比，進(jìn)而調(diào)節(jié)風(fēng)量的大小。當(dāng)風(fēng)量大小滿足要求時(shí)，接下來就要判斷是否滿足壓縮機(jī)的啟動(dòng)條件。若滿足條件，啟動(dòng)壓縮機(jī)；如果不滿足條件，則判斷風(fēng)門位置是否滿足條件。如果不滿足條件，則調(diào)節(jié)風(fēng)門電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，直到滿足條件。最后，判斷是否滿足除霜條件，若滿足則啟動(dòng)后除霜繼電器。

在軟件設(shè)計(jì)上，采用了指令冗余、軟件陷阱和重復(fù)設(shè)置各種工作方式控制字等方法，消除干擾。使用“Watchdog”定時(shí)器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)程序的運(yùn)行；運(yùn)用CPU運(yùn)算與控制功能，采用算術(shù)平均法，實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波，消除傳感器通道的千擾信號(hào)。

結(jié)語(yǔ)

本文介紹了基于語(yǔ)音識(shí)別的汽車空調(diào)控制系統(tǒng)，分別對(duì)硬件電路和軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。本系統(tǒng)開發(fā)成本低、性能優(yōu)越，系統(tǒng)測(cè)試表明，本系統(tǒng)具有一定的應(yīng)用價(jià)值，可以用于中低檔汽車。