基于16位微控制器的小车语音控制系统
图1 系统硬件结构图
方案论证
主控模块和语音处理模块的选择
较MCS-51系列单片机而言， SPCE061A单片机内部集成有32KB的ROM、2KB的SRAM，更能满足软件对空间的要求，且不需要扩展相关存储器。另外，该类单片机完全支持C语言，软件编写比较方便，语音处理模块采用凌阳的语音压缩算法，也用软件来实现。该单片机内部集成有A/D、D/A转换功能，方便实现语音录放功能。
电机模块的选择
电机模块选择直流电机。与步进电机相比较而言，直流电机具有转速快、控制方便等特点，更能够满足小车较高速行驶情况的要求，如图2所示。
图2 电机控制模块原理图
测路程方案的选择
本文利用红外对管来实现对小车的路程测量。在小车的车轮转轴上安装一个不透光转盘，在转盘边缘均匀地打N个孔，当红外发射管发射的红外光经小孔照射到接收管时，接收管的反向端电平将发生变化，单片机通过检测这种电平的变化便可以自行计算出小车的运行路程。红外对管还具有体积较小、安装较霍尔传感器更方便、成本低等特点。
系统硬件结构
语音控制小车的系统硬件结构主要由两部分组成：一部分是SPCE061A精简开发板，另外一部分是电机控制板。SPCE061A精简开发板为系统主控模块，电机控制板则驱动小车的前后两个电机按系统的要求工作。
小车控制板主要包括接口模块、电机控制模块、预留传感器接口以及电源模块等几部分。其中，电源模块采用集成稳压芯片 L7805，在输出端(控制板的JP11)并接了一个470μF的去耦电容和一个 0.1μF的滤波电容，增强了系统电压的稳定性和抗干扰性能。
电机控制模块是整个控制板的核心部分，其根据61板的具体输出信号启动或停止相应的电机，并调整电机的正反转方向，实现小车的前进、倒退等功能。后电机的控制电路包括方向控制和速度控制两个单元，前电机的控制电路则只有方向控制单元。控制单元负责小车电机的正转、反转和停止三态控制。速度控制单元是扩展单元，以适应不同的场合需求。
红外对管测小车运行路程部分的原理图如图3所示。
图3 红外对管电路原理图
红外发光管D2和接收管U4安装在同一水平线上，发射管D2一直处于发射工作状态。当D2和U4间没有被挡住，即D2发射的红外线照射在U4上时，U4的2脚和3脚导通，同时2脚和1脚也导通，此时晶体管Q1的基极电压为Ub=VDD×R12/(R12+R10)，Q1导通，SPEED端近似于接地，呈低电平状态。当D2和U4间被挡住时，即D2发射的红外线不能照射在U4上时，U4的2脚和3脚截止，同时2脚和1脚也截止，此时Q1的基极经电阻R12和R10接地，即基极电压为0V，此时Q1截止，SPEED端经电阻R11接到VDD，呈高电平状态。单片机通过检测这种高低电平的变化来实现小车的路程测量。
软件部分
主程序流程
小车的主程序流程图如图4所示，主要分为四部分：初始化部分、训练部分、识别部分和重训操作。
图4 主程序流程图
初始化部分的初始化操作会将SPCE061A单片机上的IOB13~IOB10设置为输出端，用以控制电机。将其IOA的低8位IOA0~IOA7设置为下拉的输入端，用来连接按键。
训练部分完成的工作是建立语音模型。程序一开始会判断小车是否被训练过，如果没有训练过，系统会要求对其进行训练，并且会在训练成功之后将训练的模型存储到Flash中;如果已经训练过则会把存储在Flash中的模型调出，装载到辨识器中。
在识别环节当中，如果辨识结果是名字，直接置待命标志，然后等待动作命令。只有检测到待命标志，小车才会根据相应的辨识结果执行动作。如果没有待命标志，即使识别到动作命令也不会执行动作。小车在执行完对应的命令之后清除待命标志，结束待命状态。
考虑到有重新训练的需求，这里设置了重新训练的按键。程序运行时循环扫描该按键，什么时间检测到此键按下，则将擦除语音模型存储区首单元(0xe000)所在的页，等待复位到来。复位后，程序重新从头开始执行，当检测到语音模型存储区首地址为0xffff(擦除后的值)时，系统会要求重新对其进行训练。
FIQ中断服务程序
FIQ中断服务程序用来调用语音辨识子程序，并对a2000格式的语音进行解码播放。
调试及性能分析
系统的调试以程序为主。硬件调试时，首先检查电路的焊接是否正确，然后用万用表测试或通电检测。软件调试则需要分别进行主程序、FIQ中断服务程序、显示子程序等的编程及调试。本程序采用单片机汇编语言编写，用KEIL uVision2编译器编程调试。软件调试直到语音能够控制小车的行驶状态，并显示出小车的行驶距离等功能为止。
结语
本文设计的语音控制系统主要采用16位单片机SPCE061A来实现。软件编程则是采用C语言和汇编语言的混合编程来实现的，集两种语言的优点于一体，实现对硬件的实时控制。通过实验验证，该语音控制系统主要可实现以下功能：
(1) 可以通过语音命令来控制小车的行驶状态，实现前进、后退、左转、右转等功能;
(2) 显示小车的运行时间以及运行路程;
(3) 可以扩展控制板的调速环节，利用系统的PWM资源，实现小车的PWM调速;
(4) 预留多路开关型传感器接口，可以自行安装各类传感器，配合程序实现小车的循迹、避障等功能。