引言

現(xiàn)在汽車上使用的電器越來越多,，駕駛員需要手動操作的電器開關(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(以下簡稱STM32)芯片為控制核心,，采用高性能LD3320語音識別芯片，設(shè)計基于語音識別的汽車空調(diào)控制系統(tǒng),。該系統(tǒng)可以用語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

運用語音識別技術(shù),，結(jié)合各種傳感器對車身內(nèi)外的環(huán)境(如氣溫、陽光強(qiáng)度等)以及制冷壓縮機(jī)的狀態(tài)等多種參數(shù)進(jìn)行實時檢測,，與設(shè)定參數(shù)相比較,，微控制器經(jīng)過運算處理做出判斷,，輸出相應(yīng)的調(diào)節(jié)和控制信號。執(zhí)行機(jī)構(gòu)經(jīng)過實時調(diào)整和修正,，實現(xiàn)對車廂內(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的采集、語音信號的收發(fā)和汽車空調(diào)控制信號的輸出,。

1．2 語音識別模塊

語音識別芯片選用的是ICRoute公司的LD3320芯片,。該芯片集成了語音識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)品中即可以實現(xiàn)語音識別功能。識別的關(guān)鍵詞語列表是可以任意動態(tài)編輯的,。


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

1．3 SD卡存儲模塊

要實現(xiàn)具有人機(jī)交互功能的語音識別控制系統(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,，語音識別關(guān)鍵詞也存放在SD卡上,，這樣可以很方便地更改要識別的關(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CS,、數(shù)據(jù)輸入信號DI,、數(shù)據(jù)輸出信號DO、時鐘信號SCLK分別與STM32的PC11,、PD2,、PC8、PC12引腳連接,。



1．4 傳感器模擬信號輸入模塊

傳感器模擬信號是控制系統(tǒng)的輸入信號源,。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)通過檢測這些傳感器信號來判斷系統(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為絕對溫度下T1時的電阻值，T為要檢測的溫度,，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)信號輸入端得到的電壓為：


根據(jù)公式(2)電壓計算出當(dāng)前溫度傳感器的電阻,，再由公式(1)計算出要檢測的溫度,。
1．5 壓縮機(jī)驅(qū)動模塊

壓縮機(jī)的動力是由發(fā)動機(jī)提供的，連接發(fā)動機(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)自動控制系統(tǒng)的重要任務(wù),。



1．6 風(fēng)門電動機(jī)驅(qū)動模塊

汽車空調(diào)伺服電機(jī)選用直流電動機(jī),。伺服電機(jī)根據(jù)功能分為內(nèi)外循環(huán)電動機(jī)、混合風(fēng)門電動機(jī),、模式風(fēng)門電動機(jī),。電機(jī)采用兩個TA8083F系列芯片驅(qū)動，每個芯片可以驅(qū)動兩個伺服電機(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)動模塊

鼓風(fēng)機(jī)驅(qū)動電路如圖6所示,。用四合一集成運算放大器LM2902將單片機(jī)的PWM輸出信號T050放大，經(jīng)放大后的信號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Blowoff control作為控制鼓風(fēng)機(jī)的開關(guān)信號,。2SC2412作為控制鼓風(fēng)機(jī)運轉(zhuǎn)的開關(guān),。當(dāng)單片機(jī)輸出高電平時，2SC2412導(dǎo)通,，鼓風(fēng)機(jī)停止運轉(zhuǎn),；當(dāng)單片機(jī)輸出低電平時，2SC2412反向截止，鼓風(fēng)機(jī)正常運轉(zhuǎn),。


1．8 后除霜驅(qū)動模塊

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(或流動的空氣),，達(dá)到清除結(jié)霜的目的。對后擋風(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

本系統(tǒng)軟件設(shè)計采用C語言開發(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)的主要模塊包括語音識別模塊,、語音播放模塊、SD卡模塊以及空調(diào)控制模塊,。

2．1 語音識別模塊

語音識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、寫入識別列表,、開始識別,、中斷響應(yīng)并獲取識別結(jié)果。語音識別流程如圖8所示,。在初始化程序里,，主要完成軟復(fù)位、模式設(shè)定,、時鐘頻率設(shè)定和FIFO設(shè)定,。在寫入識別列表之前，首先要讀取寄存器B2的值,，檢查LD3320是否處于空閑狀態(tài),；然后,，把識別語音列表信息寫入LD3320的05和B9寄存器中，每個識別條目是標(biāo)準(zhǔn)普通話的漢語拼音(小寫),，每兩個漢語拼音之間用一個空格間隔,。在完成添加語音識別列表后，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，識別距離也越遠(yuǎn),，但是可能產(chǎn)生較多的誤識別,；值越小代表麥克的音量越小，需要近距離說話才能啟動語音識別功能,，識別率也高,。設(shè)定寄存器37值為06H，啟動語音識別,，即可開始語音識別,。如果麥克風(fēng)采集到聲音，不管是否識別出正常結(jié)果,，都會產(chǎn)生一個中斷信號,。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2B的值；若為1,，表示語音識別有結(jié)果產(chǎn)生,。寄存器BF讀到數(shù)值為0x35，可以確定是一次語音識別流程正常結(jié)束,。寄存器BA表示語音識別有幾個識別候選結(jié)果,。最后，可以讀取寄存器C5,，獲取識別結(jié)果,。


2．2 語音播放模塊

語音播放的軟件設(shè)計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,，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，首先要設(shè)置寄存器BD的值為02H,，啟動MP3播放模塊,；然后，向寄存器17寫入48H,，激活DSP,。語音播放模塊的音量分為16級，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)播放語音時，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,，順序?qū)P3數(shù)據(jù)放入寄存器01(每次1個字節(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文件的總長度時,，就跳出循環(huán)。等到芯片播放該段后會發(fā)出中斷請求,，而中斷函數(shù)會不斷接收數(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,，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個時鐘,，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個時鐘周期，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，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,。若點火開關(guān)正常啟動，信號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,，接下來就要判斷是否滿足壓縮機(jī)的啟動條件,。若滿足條件，啟動壓縮機(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,，直到滿足條件。最后,，判斷是否滿足除霜條件,，若滿足則啟動后除霜繼電器。

在軟件設(shè)計上,，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”定時器,，實時監(jiān)測程序的運行,；運用CPU運算與控制功能，采用算術(shù)平均法,，實現(xiàn)數(shù)字濾波,，消除傳感器通道的千擾信號。
結(jié)語

本文介紹了基于語音識別的汽車空調(diào)控制系統(tǒng),，分別對硬件電路和軟件設(shè)計進(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)測試表明，本系統(tǒng)具有一定的應(yīng)用價值,，可以用于中低檔汽車,。