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(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)行機構(gòu)主要包括溫度風(fēng)門電機,、模式風(fēng)門電機、循環(huán)風(fēng)門電機,、鼓風(fēng)機,、壓縮機、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(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,。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(guān)系。單片機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 壓縮機驅(qū)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(jù)汽車空調(diào)運行情況和壓縮機開關(guān)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(dāng)蒸發(fā)器溫度一旦低于設(shè)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(diào)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(fēng),，從而達到制冷的目的?？刂普舭l(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)門電動機驅(qū)動模塊

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

鼓風(fēng)機驅(qū)動電路如圖6所示。用四合一集成運算放大器LM2902將單片機的PWM輸出信號T050放大,，經(jīng)放大后的信號Blwc傳送給風(fēng)機調(diào)速模塊,，從而調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機的轉(zhuǎn)速。單片機輸出信號Blowoff control作為控制鼓風(fēng)機的開關(guān)信號,。2SC2412作為控制鼓風(fēng)機運轉(zhuǎn)的開關(guān),。當(dāng)單片機輸出高電平時，2SC2412導(dǎo)通,，鼓風(fēng)機停止運轉(zhuǎn),；當(dāng)單片機輸出低電平時，2SC2412反向截止,，鼓風(fēng)機正常運轉(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(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(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,，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)門電機控制模塊,、鼓風(fēng)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(diào)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(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)機啟動條件,。若滿足條件,，則設(shè)置風(fēng)機PWM占空比，進而調(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(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(yīng)用價值,，可以用于中低檔汽車。