基于STM32F103的語音識別汽車空調控制系統(tǒng)設計

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也越來越多，不但增加了駕駛員的負擔，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，設計基于語音識別的汽車空調控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以用語音有效控制汽車空調，減輕了駕駛員的操作負擔，保證行車過程中的安全。

1 系統(tǒng)硬件設計

運用語音識別技術，結合各種傳感器對車身內外的環(huán)境(如氣溫、陽光強度等)以及制冷壓縮機的狀態(tài)等多種參數(shù)進行實時檢測，與設定參數(shù)相比較，微控制器經過運算處理做出判斷，輸出相應的調節(jié)和控制信號。執(zhí)行機構經過實時調整和修正，實現(xiàn)對車廂內空氣環(huán)境全方位、多功能的調節(jié)和控制。系統(tǒng)的執(zhí)行機構主要包括溫度風門電機、模式風門電機、循環(huán)風門電機、鼓風機、壓縮機、除霜控制繼電器等。圖1為系統(tǒng)結構框圖。



1．1 主控制器

主控制器為基于ARM Cortex—M3內核的32位微控制器STM32F103VET6，內置64 KB RAM、512 KBFlash，以及豐富的增強I／O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設，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轉化器、D／A轉換器、麥克風接口、聲音輸出接口等。本芯片在設計上注重節(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)有的產品中即可以實現(xiàn)語音識別功能。識別的關鍵詞語列表是可以任意動態(tài)編輯的。

參照LD3320數(shù)據手冊，語音識別控制電路采用LD3320與STM32通過SPI串行方式進行連接。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是麥克風偏置，接了一個RC電路，保證能輸出一個浮動電壓給麥克風。

1．3 SD卡存儲模塊

要實現(xiàn)具有人機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，語音識別關鍵詞也存放在SD卡上，這樣可以很方便地更改要識別的關鍵詞，而不需要更改程序內容。主控STM32將MP3數(shù)據依次從SD卡讀出來，送入LD33 20芯片內部，這樣就可以從芯片的相應的引腳輸出聲音。SD卡硬件連接如圖3所示。SD卡與STM32通過SPI方式進行通信。將SD卡片選信號CS、數(shù)據輸入信號DI、數(shù)據輸出信號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轉換器直接應用，還必須經過放大、濾波、隔離及保護措施，才能送給單片機。單片機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公司的高精度車內溫度傳感器Rntc，Rntc和電阻R0分壓后輸入到單片機。Rntc電阻值可以近似地用如下公式表達：

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系。單片機信號輸入端得到的電壓為：

根據公式(2)電壓計算出當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 壓縮機驅動模塊

壓縮機的動力是由發(fā)動機提供的，連接發(fā)動機和壓縮機的重要電子部件是電磁離合器。根據汽車空調運行情況和壓縮機開關的工作電壓，單片機控制繼電器吸合或斷開，以此控制壓塑機電磁離合器的吸合與斷開。當蒸發(fā)器溫度一旦低于設定值，壓縮機就停止工作；反之，壓塑機保持正常工作，開始制冷。汽車空調蒸發(fā)器就是一個熱交換器，通過熱交換將進入蒸發(fā)器的氣體變?yōu)槔滹L，從而達到制冷的目的?？刂普舭l(fā)器溫度是空調自動控制系統(tǒng)的重要任務。



1．6 風門電動機驅動模塊

汽車空調伺服電機選用直流電動機。伺服電機根據功能分為內外循環(huán)電動機、混合風門電動機、模式風門電動機。電機采用兩個TA8083F系列芯片驅動，每個芯片可以驅動兩個伺服電機。該芯片的輸入端口可以直接和單片機連接，STM32單片機的PE0～PE3引腳分別與驅動芯片DI1A、DI2A、DI1B、DI2B引腳相連接。其硬件電路如圖5所示。

根據輸入信號的不同，電機工作狀況也不同，具體的工作情況如表1所列。



1．7 鼓風機驅動模塊

鼓風機驅動電路如圖6所示。用四合一集成運算放大器LM2902將單片機的PWM輸出信號T050放大，經放大后的信號Blwc傳送給風機調速模塊，從而調節(jié)鼓風機的轉速。單片機輸出信號Blowoff control作為控制鼓風機的開關信號。2SC2412作為控制鼓風機運轉的開關。當單片機輸出高電平時，2SC2412導通，鼓風機停止運轉；當單片機輸出低電平時，2SC2412反向截止，鼓風機正常運轉。



1．8 后除霜驅動模塊

前、側擋風玻璃上的霜層通常是通過在汽車空調系統(tǒng)的風道中，調整模式風門的位置，利用空調系統(tǒng)中產生的暖氣(或流動的空氣)，達到清除結霜的目的。對后擋風玻璃的除霜，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部，各線兩端相接，形成并聯(lián)電路。當兩端加上電壓后，電熱線就會升溫而加熱玻璃，從而達到防止或清除霜層的目的。后除霜控制電路如圖7所示。IG2為汽車空調電源，單片機輸出信號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，來達到后除霜的目的。

2 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)軟件設計采用C語言開發(fā)，用Keil uVision4軟件進行編譯。開發(fā)過程按照模塊化分塊進行，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、中斷響應并獲取識別結果。語音識別流程如圖8所示。在初始化程序里，主要完成軟復位、模式設定、時鐘頻率設定和FIFO設定。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，每個識別條目是標準普通話的漢語拼音(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，設定寄存器35的值為45H。此處設定的值越大，代表麥克的音量越大，識別距離也越遠，但是可能產生較多的誤識別；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。如果麥克風采集到聲音，不管是否識別出正常結果，都會產生一個中斷信號。進入中斷函數(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，表示語音識別有結果產生。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束。寄存器BA表示語音識別有幾個識別候選結果。最后，可以讀取寄存器C5，獲取識別結果。


2．2 語音播放模塊

語音播放的軟件設計流程包括通用初始化、MP3播放初始化、播放音量調節(jié)、開始播放聲音以及中斷響應。通用初始化時，首先連續(xù)讀取寄存器06，相當于激活了芯片；然后，按順序設置相關寄存器的值。MP3播放初始化時，首先要設置寄存器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位二進制表示，這里需要設置寄存器8E的第2～5位的值來調節(jié)播放音量。當播放語音時，首先需要清零，開始播放位置。將寄存器1B的第3位設為1，然后執(zhí)行循環(huán)。當播放條件為真時，順序將MP3數(shù)據放入寄存器01(每次1個字節(jié))，播放位置值增加1。當寄存器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，直到FIFO-DA-TA裝滿或聲音數(shù)據結束。

2．3 SD卡模塊

此模塊分為SD卡初始化和SD卡數(shù)據讀取。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)送復位命令CMD0。發(fā)送復位命令后等待8個時鐘周期，進入SPI總線模式，接著發(fā)送CMD1命令。如果正確接收響應信號，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。判斷響應值是否全為0，然后，判斷接收數(shù)據開始令牌是否為0xfe，如果是，就可以接收正式數(shù)據和CRC碼。

2．4 空調控制模塊

空調控制模塊主要包括信號采集模塊、風門電機控制模塊、鼓風機控制模塊、壓塑機控制模塊、后除霜控制模塊5個子模塊。空調控制流程如圖9所示。首先，進行系統(tǒng)的初始化。若點火開關正常啟動，信號采集模塊開始采集傳感器數(shù)據，根據采集到的數(shù)據，判斷是否滿足風機啟動條件。若滿足條件，則設置風機PWM占空比，進而調節(jié)風量的大小。當風量大小滿足要求時，接下來就要判斷是否滿足壓縮機的啟動條件。若滿足條件，啟動壓縮機；如果不滿足條件，則判斷風門位置是否滿足條件。如果不滿足條件，則調節(jié)風門電機轉動，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。

在軟件設計上，采用了指令冗余、軟件陷阱和重復設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，采用算術平均法，實現(xiàn)數(shù)字濾波，消除傳感器通道的千擾信號。

結語

本文介紹了基于語音識別的汽車空調控制系統(tǒng)，分別對硬件電路和軟件設計進行了詳細的介紹。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)具有一定的應用價值，可以用于中低檔汽車。