語音控制電子報時鐘的製作方法
2023-10-07 16:22:54 2
專利名稱：語音控制電子報時鐘的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種電子產品，更具體地說，涉及一種響應語音信號報時的電子時鐘單元。
背景技術：
語音處理技術得到了迅速發展，產生於二十世紀六七十年代，卻從二十世紀八十年代中期開始得到極大發展並成為語音處理研究熱點的隱馬爾科夫模型HMM(Hidden Markov Models)，逐漸成為現代語音處理領域的重要理論基礎之一。
單片機把計算機的主要組成單元微處理器(CPU)、程序存儲器(ROM)和數據存儲器(RAM)、輸入/輸出埠(I/O)及時鐘、計數器和中斷系統等集成在一塊晶片上，這樣的一塊集成電路具有一臺計算機的屬性。隨著單片機技術的發展出現了十六位微處理器單片機，片內的程序存儲器和數據存儲器容量進一步擴大，實時處理能力更加增強，體現了現代控制技術的鮮明特徵，臺灣凌陽公司推出的十六位單片機SPCE061A帶有高尋址能力的ROM和RAM、多功能的I/O口，指令系統提供具有較高速度的16位×16位乘法運算指令和內積運算指令，為其應用增添了DSP功能，使得它在複雜的數位訊號處理和語音處理方面非常便利。
程序控制技術是計算機為了解決某些具體、實際的問題而開發和研製的各種程序。彙編語言是計算機系統提供的最快、最有效的語言，也是能對硬體直接編程的語言。高級語言代碼清晰，易維護，模塊化較好，近年來在單片機的程序設計上增加了對高級語言的支持，C語言簡單靈活，可移植性好，許多微處理器加入了對C語言的支持，凌陽微處理器SPCE061A可以使用C語言編程。結構複雜並對運行速度要求比較高的工程，通常用C和彙編語言混合編程來將兩者的優缺點互補。
目前，時鐘利用聲音實現報時多採用定時的方式，或者採用按鍵方式實現。而直接通過人的提問，時鐘回答提問自動報時的產品市場上還沒有出現。
發明內容
本實用新型針對上述問題，提供了一種能夠進行語音訓練、識別人的語音、按照不同的語音命令播報日期或時間的語音控制電子報時鐘，解決了目前時鐘報時多為定時觸發、按鍵觸發，少有語音控制報時方式的問題。
為了解決上述問題，本實用新型構造了一種語音控制電子報時鐘，包括單片機系統，以及分別與所述單片機系統連接的語音輸出模塊、鍵盤模塊、電源模塊；單片機系統通過語音通道連接語音輸入模塊；單片機系統採用晶片型號SPCE061A的微處理器。
本實用新型的語音控制電子報時鐘其進一步改進還在於，單片機系統還連接有外存儲器模塊；外存儲器模塊為型號SPR1024A的快閃記憶體。
本實用新型的語音控制電子報時鐘其進一步改進還在於，單片機系統設置有程序下載埠。
通過上述技術方案，本實用新型的語音控制電子報時鐘主要有如下特點(1)一改通常人們用視力看時間和日期的方式，由聲音和聽力獲取，新穎活潑；(2)應用集成電路，體積小，功能強，質量穩定；(3)程序控制走時，計時精確，誤差小；(4)操作按鍵少，根據語音提示調時和語音訓練，使用者操作起來很方便；(5)語音識別正確率高，能識別訓練特定人或者非特定人的語音；(6)電池供電，功耗小。
從而帶來本發明的有益效果是生產製作成語音控制電子報時鐘產品，用語音方式提供日期和時間信息，方便人們的工作和生活；應用於玩具生產行業，生產可以通過語音辨識播放當前日期和時間的智能化玩具，增加產品附加值；能應用於某些特殊的生產行業，如比較黑暗的工作環境、攝影暗室等場所；集成到特定功能的產品可以方便殘疾人使用。
圖1是微處理器晶片SPCE061A的內部結構圖；圖2是微處理器晶片SPCE061A內存映射表；圖3是外存儲器模塊存儲晶片SPR1024A的引腳圖；圖4是本實用新型語音控制電子報時鐘的原理結構圖；圖5是語音命令模型庫訓練流程圖；圖6是微處理器晶片SPCE061A對語音處理流程圖；圖7是非特定語音命令識別流程圖；
圖8是本實用新型語音控制電子報時鐘的主程序流程圖；圖9是本實用新型語音控制電子報時鐘的主要技術參數表；圖10是本實用新型語音控制電子報時鐘按鍵調整日期時間表；圖11是本實用新型語音控制電子報時鐘語音命令訓練內容表；圖12、13和14構成本實用新型語音控制電子報時鐘的電路示意圖。
其中，1功能選擇按鍵； 2增加按鍵； 3減小按鍵； 4復位按鈕；5電池盒； 6程序下載接口； 7喇叭具體實施方式
以下結合附圖和具體實施方式
對本實用新型進一步說明。
本實用新型的語音控制電子報時鐘包括單片機系統，以及分別與所述單片機系統連接的語音輸出模塊、鍵盤模塊、電源模塊；單片機系統通過語音通道連接語音輸入模塊。其中，單片機系統採用臺灣凌陽公司生產的微處理器SPCE061A晶片，晶片上集成64K字節的FLASH(快閃記憶體)和4K字節的SRAM(靜態存儲器)。此外單片機系統還連接有外存儲器模塊；外存儲器模塊為型號SPR1024A的快閃記憶體，外部擴展的SPR1024A存儲器其內部有128K×8bits FLASH。
如圖4所示，本實用新型的語音控制電子報時鐘，其鍵盤模塊至少設置4個功能鍵，分別為功能選擇按鍵1、增加按鍵2、減小按鍵3和復位按鈕4，前三個按鍵進行日期時間參數的調整和語音訓練的提示。而電源模塊包括置於電池盒5中留有電源埠的電池。此外，作為單片機系統的微處理器SPCE061A設置有程序下載接口，通過程序下載埠將程序下載到FLASH存儲器中。而上述的語音輸出模塊通常連接單片機系統DAC通道的喇叭7，該喇叭7用來播放語音信息。
本語音控制電子報時鐘是具有時間日期調整、語音命令訓練和辨識、2Hz時基計時計算當前時間和日期、語音播報時間和日期等功能。
結合本語音控制電子報時鐘硬體電路圖12進一步說明。硬體電路主要包括SPCE061A最小系統(如圖12所示晶片U1)、鍵盤模塊、麥克風通道(MIC_IN，圖12中的MICROPHONE)、與單片機系統10位模/數轉換器ADC連接的語音輸入模塊、外存儲器模塊(圖12中的晶片SPR1024A)和連接單片機系統數/模轉換器DAC的語音輸出模塊(圖12中的SPEAKER單元)，以及電源模塊(圖12中的POWER單元)。
硬體系統具體說明一、凌陽十六位微處理器的內部結構如圖1所示。其主要工作性能包括(1)16位μ′nSPTM微處理器；(2)工作電壓(CPU)VDD2.6～3.6V，(I/O)VDDH2.4～5.5V；(3)CPU時鐘0.32MHz～49.152MHz；(4)內置2K字SRAM；(5)內置32K字FLASH；(6)可編程音頻處理；(7)系統處於備用狀態下(時鐘處於停止狀態)，耗電僅為2μA/3.6V；(8)2個16位可編程定時器/計數器(可自動預置初始計數值)(9)2個10位DAC(數/模轉換)輸出通道；(10)32位通用可編程輸入/輸出埠；(11)14個中斷源，來自定時器A/B、時基、2個外部時鐘源輸入和鍵喚醒；(12)鎖相環PLL振蕩器提供系統時鐘信號；(13)7通道10位電壓模-數轉換器(ADC)和1通道聲音模-數轉換器；(14)聲音模-數轉換器輸入通道內置麥克風放大器和自動增益控制(AGC)功能；(15)具有串行設備接口；(16)具有低電壓復位(LVR)功能和低電壓監測(LVD)功能；(17)內置在線仿真電路ICE(In-Circuit Emulator)接口；(18)具有WatchDog功能。
凌陽微處理器SPCE061A封裝方式為PLCC84，在OSCO、OSCI端接上晶振及諧振電容，在鎖相環壓控振蕩器的阻容輸入VCP端接上相應的電容電阻後即可工作，其他不用的電源端和地端接上0.1μF的去耦電容提高抗幹擾能力。
SPCE061A的片內存儲器地址映射如圖2所示。
二、鍵盤模塊；擴展了1×3鍵盤電路，接到IOA的低3位，鍵盤是用戶和語音電子報時鐘信息交互的通道，可以調整日期時間參數和進行語音命令訓練。共三個按鍵，分別是調整參數的選擇按鍵、增加按鍵和減小按鍵。
三、語音輸入模塊；微處理器SPCE061A有一路通道(MIC_IN)用於語音輸入，模擬信號經過自動增益控制器和放大器後進行A/D轉換。
在ADC內，由數/模轉換器DAC0和逐次逼近寄存器SAR組成逐次逼近式模/數轉換器。向數據寄存器P_ADC_Ctrl(0×7015)單元第0位(ADE)寫入1用以激活ADC。系統默認設置為ADE＝0，即屏蔽ADC。
ADC採用自動方式工作。硬體ADC的最高速率定為(fosc/32)Hz，如果超過此值，從轉換結果寄存單元讀出數據會發生錯誤。在ADC自動方式被啟用後，會產生一個啟動信號。DAC0的電壓模擬量輸出值與外部的電壓模擬量輸入值進行比較，以儘快找出外部電壓模擬量的數字量輸出值。逐次逼近式一直延續到10位中的所有位都被測試之後，A/D轉換的結果保存在SAR內。當10位A/D轉換完成時，用戶讀取10位A/D轉換的數據。從MIC_IN輸入的模擬信號則要經過緩衝器和放大器，AGC功能將通過MIC_IN通道輸入的模擬信號的放大值控制在一定範圍內，然後放大信號經採樣/保持模塊被送至比較器參與A/D轉換值的確定，最後送入數據寄存器P_ADC(0×7014)單元。
四、外存儲器模塊；存儲晶片選用SPR1024A，晶片引腳如圖3所示。SPR1024A是有128K×8bits的FLASH快閃記憶體，有兩種接口方式BMI(Bus Memory Interface)和SIF(SerialInterface)，在設計中採用SIF方式。SIF方式是串行同步傳送數據，一條是發送/接收，一條是時鐘線。RESET是復位信號，低電平有效；SEL為片選信號，高電平有效，在設計中接高電平。
存儲晶片SPR1024A和微處理器SPCE061A數據通訊用串行輸入輸出埠SIO。SIO提供了一個1位的串行接口，用於與其它設備進行數據傳輸。在SPCE061A內通過IOB0和IOB1這兩個埠實現與設備進行串行數據交換功能，其中，IOB0用來作為時鐘埠(SCK)，IOB1用來作為數據埠(SDA)，用於串行數據的接收和發送。
五、語音輸出模塊；SPCE061A提供的音頻輸出方式為雙通道DAC方式。在此方式下，DAC1和DAC2轉換輸出的模擬量電流信號分別通過AUD1和AUD2引腳輸出，輸出的數字量分別寫入數據寄存器P_DAC1(0×7017)P_DAC2(0×7016)。
本時鐘在音頻處理技術上實現方法如下一、數字音頻的採樣和量化將模擬(連續)的聲音波形數位化(離散化)，可方便數字計算機進行處理的過程，數字音頻的處理主要包括採樣和量化兩個方面。數字音頻的質量取決於採樣頻率和量化位數這兩個重要參數。此外，聲道的數目、相應的音頻設備也是影響音頻質量的原因。
二、音頻壓縮算法實際應用中，未經壓縮編碼的音頻資料量很大，進行傳輸或存儲是不現實的。所以要通過對信號趨勢的預測和冗餘信息處理，進行資料的壓縮，這樣就可以用較少的資源建立更多的信息。通過對資料的壓縮，達到高效率存儲和轉換資料的結果，即在保證一定聲音質量的條件下，以最小的資料率來表達和傳送聲音信息。
凌陽音頻壓縮算法根據不同的壓縮比分為以下三種SACM_A2000壓縮比為8∶1，8∶1.25，8∶1.5；SACM_S480壓縮比為80∶3，80∶4.5；SACM_S240壓縮比為80∶1.5。
凌陽壓縮算法中SACM_A2000、SACM_S480和SACM_S240主要是用來播放語音。根據設計的具體情況，語音控制電子報時鐘選擇用SACM_S480。
語音處理技術主要包括語音命令模型庫訓練、語音識別和語音播放。
語音命令模型庫訓練過程如圖5所示。語音輸入是用SPCE061A系統採集語音信號，通過通信模塊將語音信號傳送到PC機上保存，能夠保證訓練用語音特徵與識別一致性，從而減少硬體系統不一致帶來的誤差。
預處理包括預加重和端點檢測。端點檢測一般採用時域參數。根據現有SPCE061A的性能，採用線性預測倒譜係數作為特徵矢量。模板訓練採用離散的隱馬爾可夫模型，雖然訓練隱馬爾可夫模型需要很長時間，而且計算複雜，但這是在PC機上完成的，與實時語音識別系統沒有關係。由於連續的隱馬爾可夫模型佔用的存儲器大，且識別準確率高一些，但總體考慮還是離散的隱馬爾可夫模型更適合語音識別系統。由於採用離散的隱馬爾可夫模型，就需要將連續的特徵矢量進行量化，其中包括碼字訓練和聚類分析技術。
SPCE061A提供了各種音頻編碼的算法及API函數庫，即SACM_LIB。該庫將A/D、編碼、解碼、存儲及D/A做成相應的模塊，每個模塊都有其應用程式接口API。了解每個模塊所要實現的功能及其參數的內容，然後調用該API函數即可實現該功能。
SPCE061A作語音存儲和播放系統，其原理框圖如圖6所示。
此外，本實用新型在應用軟體程序上的設計主要包括語音辨識、日期時間調整和計量、語音播放的功能方面。如下詳細說明一、語音辨識子程序語音辨識中先辨識觸發名稱，然後發出語音命令。語音分普通人語音辨識和特定人語音辨識。普通人語音辨識是根據不同年齡、不同性別、不同口音的人進行訓練，在識別時不需要訓練就可以識別人的語音。其程序框圖如圖7。
特定人語音識別是語音模板由單人訓練，對訓練人的語音命令識別準確率高，而其他人的語音命令識別的準確率較低或者不識別，在語音控制電子報時鐘中，訓練三條語音命令。
二、日期時間調整和計量程序按照模塊化設計，流程圖如圖8所示。
利用2Hz中斷作時鐘源進行計時，每兩次中斷秒加1，並進行年曆計算，年曆範圍為2001-2099年。在進行年曆計算時，有平閏年計算問題。閏年的條件是能被400整除，或者能被4整除，但不能被100整除。
三、語音播放語音控制電子報時鐘採用SACM_S480算法，它有完整的庫函數供程序調用。其相關API函數如下int SACM_S480_Initial(ing Init_Index)初始化void SACM_S480_ServiceLoop(void) 獲取語音資料，填入解碼隊列void SACM_S480_Play(int Speech_Index，int Channel，int Ramp_Set) 播放void SACM_S480_Stop(void)停止播放void SACM_S480_Pause(void) 暫停播放void SACM_S480_Resume(void) 暫停後恢復void SACM_S480_Volume(void) 音量的控制
unsigned int SACM_S480_Status(void)獲取模塊的狀態Call_F_FIQ_Service_SACM_S480 中斷服務函數SACM_S480的數據率有4.8kps和7.2kps兩種，可在同一模塊的幾種算法中自動選擇一種。中斷服務子程序中FFIQ_Service_SACM_S480必須放在FIQ_TMA中斷向量上，允許TimerA以所選的數據採樣率(計數溢出)中斷。S480以自動播放方式，在中斷FIQ的FIQ_TMA中斷源中通過void SACM_S480_ServiceLoop對語音數據進行解碼，然後將其送入DAC通道播放。
本實用新型語音控制電子報時鐘主要技術參數如表9所示。
本實用新型語音控制電子報時鐘使用方法如下按一次復位按鈕，語音控制電子報時鐘進入工作準備就緒狀態。
(1)日期時間調整日期時間調整見表10。按住功能選擇按鍵3秒鐘，進入日期時間調整狀態，並伴有要調整信息的語音提示。語音控制電子報時鐘按照年、月、日、時、和分鐘順序調整日期和時間，各鍵按下一次即有效，改變相應信息。
(2)語音命令訓練調整完分鐘後再按一次功能選擇按鍵，語音提示調整好的日期和時間，並進入語音訓練。語音命令訓練具體內容見表3，共訓練三條語音，每條語音訓練兩次，確認後進入下一條命令訓練。
第二條命令確認後，語音控制電子報時鐘用語音提示用戶訓練完畢，可以對用戶訓練的命令進行辨識，根據語音命令播報時間和日期。
(3)日期時間播報用戶在有效距離內用語音發出命令「Snoopy」，語控電子鐘會響應命令播報「在」，用戶問「幾點」，電子鐘播報當前時間；用戶在有效距離內用語音發出命令「Snoopy」，語控電子鐘會響應命令播報「在」，用戶問「幾號」，電子鐘播報當前日期。
以上所述，僅為本實用新型較佳的具體實施方式
，但本實用新型的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本實用新型披露的技術範圍內，根據本實用新型的技術方案及其實用新型構思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本實用新型的保護範圍之內。
權利要求1.一種語音控制電子報時鐘，包括單片機系統，以及分別與所述單片機系統連接的語音輸出模塊、鍵盤模塊、電源模塊；其特徵在於，所述單片機系統通過語音通道連接語音輸入模塊；所述單片機系統為晶片型號SPCE061A的微處理器。
2.根據權利要求1所述語音控制電子報時鐘，其特徵在於，所述單片機系統還連接有外存儲器模塊。
3.根據權利要求2所述語音控制電子報時鐘，其特徵在於，所述外存儲器模塊為型號SPR1024A的快閃記憶體。
4.根據權利要求1-3任一要求所述語音控制電子報時鐘，所述單片機系統設置有程序下載埠。
專利摘要本實用新型公開了一種語音控制電子報時鐘，包括單片機系統，以及分別與所述單片機系統連接的語音輸出模塊、鍵盤模塊、電源模塊；單片機系統通過語音通道連接語音輸入模塊；單片機系統為晶片型號SPCE061A的微處理器。本語音控制電子報時鐘改變了人們用眼看時間的方式，而是由聲音和聽力獲取時間信息；通過應用集成電路、程序控制走時，具有體積小、功能強、質量穩定計時精確、使用方便、電池供電，功耗小、新穎活潑、語音識別正確率高的特點。適用於智能化玩具的製造以及可以集成到特定功能的電子產品中。
文檔編號G04G13/00GK2867402SQ20052013689
公開日2007年2月7日 申請日期2005年12月8日 優先權日2005年12月8日
發明者邵力耕 申請人:大連交通大學