專利名稱：語音控制電子報時鐘的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種電子產(chǎn)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(shù)：
語音處理技術(shù)得到了迅速發(fā)展，產(chǎn)生于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(fā)展并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(xiàn)代語音處理領(lǐng)域的重要理論基礎(chǔ)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(shù)據(jù)存儲器(RAM)、輸入/輸出端口(I/O)及時鐘、計數(shù)器和中斷系統(tǒng)等集成在一塊芯片上，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(shù)的發(fā)展出現(xiàn)了十六位微處理器單片機，片內(nèi)的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器容量進一步擴大，實時處理能力更加增強，體現(xiàn)了現(xiàn)代控制技術(shù)的鮮明特征，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(tǒng)提供具有較高速度的16位×16位乘法運算指令和內(nèi)積運算指令，為其應用增添了DSP功能，使得它在復雜的數(shù)字信號處理和語音處理方面非常便利。
程序控制技術(shù)是計算機為了解決某些具體、實際的問題而開發(fā)和研制的各種程序。匯編語言是計算機系統(tǒng)提供的最快、最有效的語言，也是能對硬件直接編程的語言。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(shè)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(jié)構(gòu)復雜并對運行速度要求比較高的工程，通常用C和匯編語言混合編程來將兩者的優(yōu)缺點互補。
目前，時鐘利用聲音實現(xiàn)報時多采用定時的方式，或者采用按鍵方式實現(xiàn)。而直接通過人的提問，時鐘回答提問自動報時的產(chǎn)品市場上還沒有出現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)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(fā)、按鍵觸發(fā)，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(gòu)造了一種語音控制電子報時鐘，包括單片機系統(tǒng)，以及分別與所述單片機系統(tǒng)連接的語音輸出模塊、鍵盤模塊、電源模塊；單片機系統(tǒng)通過語音通道連接語音輸入模塊；單片機系統(tǒng)采用芯片型號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于，單片機系統(tǒng)還連接有外存儲器模塊；外存儲器模塊為型號SPR1024A的閃存。
本實用新型的語音控制電子報時鐘其進一步改進還在于，單片機系統(tǒng)設(shè)置有程序下載端口。
通過上述技術(shù)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(zhì)量穩(wěn)定；(3)程序控制走時，計時精確，誤差?。?4)操作按鍵少，根據(jù)語音提示調(diào)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(fā)明的有益效果是生產(chǎn)制作成語音控制電子報時鐘產(chǎn)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；應用于玩具生產(chǎn)行業(yè)，生產(chǎn)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(chǎn)品附加值；能應用于某些特殊的生產(chǎn)行業(yè)，如比較黑暗的工作環(huán)境、攝影暗室等場所；集成到特定功能的產(chǎn)品可以方便殘疾人使用。


圖1是微處理器芯片SPCE061A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖；圖2是微處理器芯片SPCE061A內(nèi)存映射表；圖3是外存儲器模塊存儲芯片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(jié)構(gòu)圖；圖5是語音命令模型庫訓練流程圖；圖6是微處理器芯片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(shù)參數(shù)表；圖10是本實用新型語音控制電子報時鐘按鍵調(diào)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(nèi)容表；圖12、13和14構(gòu)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(jié)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(tǒng)，以及分別與所述單片機系統(tǒng)連接的語音輸出模塊、鍵盤模塊、電源模塊；單片機系統(tǒng)通過語音通道連接語音輸入模塊。其中，單片機系統(tǒng)采用臺灣凌陽公司生產(chǎn)的微處理器SPCE061A芯片，芯片上集成64K字節(jié)的FLASH(閃存)和4K字節(jié)的SRAM(靜態(tài)存儲器)。此外單片機系統(tǒng)還連接有外存儲器模塊；外存儲器模塊為型號SPR1024A的閃存，外部擴展的SPR1024A存儲器其內(nèi)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(shè)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(shù)的調(diào)整和語音訓練的提示。而電源模塊包括置于電池盒5中留有電源端口的電池。此外，作為單片機系統(tǒng)的微處理器SPCE061A設(shè)置有程序下載接口，通過程序下載端口將程序下載到FLASH存儲器中。而上述的語音輸出模塊通常連接單片機系統(tǒng)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(diào)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(jié)合本語音控制電子報時鐘硬件電路圖12進一步說明。硬件電路主要包括SPCE061A最小系統(tǒng)(如圖12所示芯片U1)、鍵盤模塊、麥克風通道(MIC_IN，圖12中的MICROPHONE)、與單片機系統(tǒng)10位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC連接的語音輸入模塊、外存儲器模塊(圖12中的芯片SPR1024A)和連接單片機系統(tǒng)數(shù)/模轉(zhuǎn)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)。
硬件系統(tǒng)具體說明一、凌陽十六位微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(nèi)置2K字SRAM；(5)內(nèi)置32K字FLASH；(6)可編程音頻處理；(7)系統(tǒng)處于備用狀態(tài)下(時鐘處于停止狀態(tài))，耗電僅為2μA/3.6V；(8)2個16位可編程定時器/計數(shù)器(可自動預置初始計數(shù)值)(9)2個10位DAC(數(shù)/模轉(zhuǎn)換)輸出通道；(10)32位通用可編程輸入/輸出端口；(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(huán)PLL振蕩器提供系統(tǒng)時鐘信號；(13)7通道10位電壓模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和1通道聲音模-數(shù)轉(zhuǎn)換器；(14)聲音模-數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入通道內(nèi)置麥克風放大器和自動增益控制(AGC)功能；(15)具有串行設(shè)備接口；(16)具有低電壓復位(LVR)功能和低電壓監(jiān)測(LVD)功能；(17)內(nèi)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(huán)壓控振蕩器的阻容輸入VCP端接上相應的電容電阻后即可工作，其他不用的電源端和地端接上0.1μF的去耦電容提高抗干擾能力。
SPCE061A的片內(nèi)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(diào)整日期時間參數(shù)和進行語音命令訓練。共三個按鍵，分別是調(diào)整參數(shù)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)用于語音輸入，模擬信號經(jīng)過自動增益控制器和放大器后進行A/D轉(zhuǎn)換。
在ADC內(nèi)，由數(shù)/模轉(zhuǎn)換器DAC0和逐次逼近寄存器SAR組成逐次逼近式模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。向數(shù)據(jù)寄存器P_ADC_Ctrl(0×7015)單元第0位(ADE)寫入1用以激活ADC。系統(tǒng)默認設(shè)置為ADE＝0，即屏蔽ADC。
ADC采用自動方式工作。硬件ADC的最高速率定為(fosc/32)Hz，如果超過此值，從轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存單元讀出數(shù)據(jù)會發(fā)生錯誤。在ADC自動方式被啟用后，會產(chǎn)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，以盡快找出外部電壓模擬量的數(shù)字量輸出值。逐次逼近式一直延續(xù)到10位中的所有位都被測試之后，A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果保存在SAR內(nèi)。當10位A/D轉(zhuǎn)換完成時，用戶讀取10位A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。從MIC_IN輸入的模擬信號則要經(jīng)過緩沖器和放大器，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范圍內(nèi)，然后放大信號經(jīng)采樣/保持模塊被送至比較器參與A/D轉(zhuǎn)換值的確定，最后送入數(shù)據(jù)寄存器P_ADC(0×7014)單元。
四、外存儲器模塊；存儲芯片選用SPR1024A，芯片引腳如圖3所示。SPR1024A是有128K×8bits的FLASH閃存，有兩種接口方式BMI(Bus Memory Interface)和SIF(SerialInterface)，在設(shè)計中采用SIF方式。SIF方式是串行同步傳送數(shù)據(jù)，一條是發(fā)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(shè)計中接高電平。
存儲芯片SPR1024A和微處理器SPCE061A數(shù)據(jù)通訊用串行輸入輸出端口SIO。SIO提供了一個1位的串行接口，用于與其它設(shè)備進行數(shù)據(jù)傳輸。在SPCE061A內(nèi)通過IOB0和IOB1這兩個端口實現(xiàn)與設(shè)備進行串行數(shù)據(jù)交換功能，其中，IOB0用來作為時鐘端口(SCK)，IOB1用來作為數(shù)據(jù)端口(SDA)，用于串行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)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(zhuǎn)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(shù)字量分別寫入數(shù)據(jù)寄存器P_DAC1(0×7017)P_DAC2(0×7016)。
本時鐘在音頻處理技術(shù)上實現(xiàn)方法如下一、數(shù)字音頻的采樣和量化將模擬(連續(xù))的聲音波形數(shù)字化(離散化)，可方便數(shù)字計算機進行處理的過程，數(shù)字音頻的處理主要包括采樣和量化兩個方面。數(shù)字音頻的質(zhì)量取決于采樣頻率和量化位數(shù)這兩個重要參數(shù)。此外，聲道的數(shù)目、相應的音頻設(shè)備也是影響音頻質(zhì)量的原因。
二、音頻壓縮算法實際應用中，未經(jīng)壓縮編碼的音頻資料量很大，進行傳輸或存儲是不現(xiàn)實的。所以要通過對信號趨勢的預測和冗余信息處理，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(zhuǎn)換資料的結(jié)果，即在保證一定聲音質(zhì)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(jù)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(jù)設(shè)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(shù)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(tǒng)采集語音信號，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征與識別一致性，從而減少硬件系統(tǒng)不一致帶來的誤差。
預處理包括預加重和端點檢測。端點檢測一般采用時域參數(shù)。根據(jù)現(xiàn)有SPCE061A的性能，采用線性預測倒譜系數(shù)作為特征矢量。模板訓練采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，而且計算復雜，但這是在PC機上完成的，與實時語音識別系統(tǒng)沒有關(guān)系。由于連續(xù)的隱馬爾可夫模型占用的存儲器大，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(tǒng)。由于采用離散的隱馬爾可夫模型，就需要將連續(xù)的特征矢量進行量化，其中包括碼字訓練和聚類分析技術(shù)。
SPCE061A提供了各種音頻編碼的算法及API函數(shù)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序接口API。了解每個模塊所要實現(xiàn)的功能及其參數(shù)的內(nèi)容，然后調(diào)用該API函數(shù)即可實現(xiàn)該功能。
SPCE061A作語音存儲和播放系統(tǒng)，其原理框圖如圖6所示。
此外，本實用新型在應用軟件程序上的設(shè)計主要包括語音辨識、日期時間調(diào)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(fā)名稱，然后發(fā)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(jù)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(diào)整和計量程序按照模塊化設(shè)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，并進行年歷計算，年歷范圍為2001-2099年。在進行年歷計算時，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采用SACM_S480算法，它有完整的庫函數(shù)供程序調(diào)用。其相關(guān)API函數(shù)如下int SACM_S480_Initial(ing Init_Index)初始化void SACM_S480_ServiceLoop(void) 獲取語音資料，填入譯碼隊列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) 暫停后恢復void SACM_S480_Volume(void) 音量的控制
unsigned int SACM_S480_Status(void)獲取模塊的狀態(tài)Call_F_FIQ_Service_SACM_S480 中斷服務(wù)函數(shù)SACM_S480的數(shù)據(jù)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(wù)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(shù)據(jù)采樣率(計數(shù)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(shù)據(jù)進行解碼，然后將其送入DAC通道播放。
本實用新型語音控制電子報時鐘主要技術(shù)參數(shù)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(tài)。
(1)日期時間調(diào)整日期時間調(diào)整見表10。按住功能選擇按鍵3秒鐘，進入日期時間調(diào)整狀態(tài)，并伴有要調(diào)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(diào)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(diào)整完分鐘后再按一次功能選擇按鍵，語音提示調(diào)整好的日期和時間，并進入語音訓練。語音命令訓練具體內(nèi)容見表3，共訓練三條語音，每條語音訓練兩次，確認后進入下一條命令訓練。
第二條命令確認后，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(jù)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(nèi)用語音發(fā)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(nèi)用語音發(fā)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范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本實用新型披露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本實用新型的技術(shù)方案及其實用新型構(gòu)思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種語音控制電子報時鐘，包括單片機系統(tǒng)，以及分別與所述單片機系統(tǒng)連接的語音輸出模塊、鍵盤模塊、電源模塊；其特征在于，所述單片機系統(tǒng)通過語音通道連接語音輸入模塊；所述單片機系統(tǒng)為芯片型號SPCE061A的微處理器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述語音控制電子報時鐘，其特征在于，所述單片機系統(tǒng)還連接有外存儲器模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述語音控制電子報時鐘，其特征在于，所述外存儲器模塊為型號SPR1024A的閃存。
4.根據(jù)權(quán)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(tǒng)設(shè)置有程序下載端口。
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(tǒng)，以及分別與所述單片機系統(tǒng)連接的語音輸出模塊、鍵盤模塊、電源模塊；單片機系統(tǒng)通過語音通道連接語音輸入模塊；單片機系統(tǒng)為芯片型號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(zhì)量穩(wěn)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。適用于智能化玩具的制造以及可以集成到特定功能的電子產(chǎn)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(yōu)先權(quán)日2005年12月8日
發(fā)明者邵力耕 申請人:大連交通大學