基于FPGA的语音智能操控系统

设计摘要：

1、设计意图

科学技术水平的发展，使人们的生活受到潜移默化的影响，并逐渐改变人们的生活习惯，不断地提高人们的生活质量。比如由于全自动洗衣机、微波炉等智能化设备的出现，我们不必按键操控每一步过程，机器可以自动完成整个过程，用户也可以遥控他们。

智能化所带来的方便、快捷带给人们更加舒适的生活，但是随着家用电器的不断增多，需要的遥控器也不断增多，给人们造成许多的不便，因此，一种能够解放人们双手并且实时、快速、方便的语音智能操控系统的概念应运而生。语音智能操控系统可以取代多个遥控器，当需要控制某一家电时，只需说出所需调节的内容（如，空调开，温度25℃），语音智能操控系统就能通过对操控者的语音识别，完成匹配并发出遥控信息完成相应的操作。

基于FPGA实现语音智能操控系统具有：

（一）设计灵活、操作方便、快捷

（二）准确度高，工作范围大

（三）可随时用语音操控带有遥控装置的用电器

（四）可扩展性强，增强了系统的外接功能

（五）便于更新和系统升级，可随时嵌入更新系统程序

（六）设计周期短、开发费用低、功耗低等独特优点。

2、适用范围

语音智能操控系统主要控制的家用电器有两类，第一类是开关型家电，包括家居照明、饮水机、电饭煲、抽风机、充电器、电风扇等；第二类是红外遥控型家电，包括空调、电视机、DVD、电动窗帘、电动闸门等。还有很多有待开发的应用领域，范围很广。

3、主板

该系统利用FPGA板块，可自主嵌入应用程序，用户可根据自己需求植入语音信息，以待匹配。如果用户不需要某项语音匹配信息，可删除，灵活性非常高。同时，由FPGA主板设计ASIC电路，具有设计周期短、开发费用低、功耗低的优点。系统控制核心都在FPGA内部实现，可以极为方便的更新和升级系统，大大的提高了系统的通用性和可提高性。

功能描述：

由FPGA实现语音智能操控系统的系统构架图如图2-1所示，它是以FPGA为主板，嵌入语音识别系统并结合红外遥控系统完成的智能操控系统。

图2?1 由FPGA实现语音智能操控系统的系统构架图

FPGA中嵌入的语音识别系统分为两种工作模式：训练模式和识别模式首先，用户在训练模式下，完成相应的语音信息的输入和特征存储工作，建立完整的语音信息特征数据库。然后，在识别模式下，由语音输入设备输入语音信息进行比对，匹配后即发出相应操作的信号，遥控设备。系统框图如图2-2所示

图2-2 语音识别系统的框图

该系统分为五个模块：语音信息特征提取模块、语音信息特征数据库建立模块、语音信息输入采集与预处理模块、语音信息比对模块、操控指令连接发送模块。

1、语音信息特征提取模块，即对接收到的语音信息通过语音识别算法提取相关特征匹配数据，其中用到语音信息输入采集模块。

2、语音信息特征数据库建立模块，即对特征提取模块所得匹配数据存储到存储器中，以备对比匹配使用。

3、语音信息输入采集模块，即通过麦克风输入语音信息，当满足要求时，通过信息特征提取模块对输入的语音信息的特征数据进行提取，保存到缓冲区，等待对比。

4、语音信息比对模块，即用保存到缓冲区的特征数据和数据库中的数据进行比对，是否与某一数据匹配。

5、操控指令连接发送模块，即当输入的语音信息与某一库存信息匹配时，就完成主板与红外发射装置的连接并发出相应的操作指令信息，完成操作。

整个过程由嵌入到FPGA芯片内的程序完成。另外，基于NiosII的SOPC系统帮助我们完成了上述功能。同时，我们通过开发工具SOPC Builder，在FPGA上创建软硬件开发的基础平台，可以很快的将硬件系统（包括处理器、存储器、外设接口和用户逻辑电路）与常规软件集成在单一可编程芯片中。而且，SOPC Builder 还提供了标准的接口方式以便我们将自己的外围电路做成Nios Ⅱ软核可以添加的外设模块。这种设计方式更加方便了我们对系统的调试。

性能参数：

1. 系统的性能参数：

麦克风参数：

灵敏度：-34~2dB（0dB=1V/Pa at 1kHz）

频率响应：20Hz~20KHz

阻抗：50Ω±30% (at 1kHz) 负载阻抗：≥1000Ω

等效噪声级：13/14/15dB

信噪比：81/80/79 dB

最大声压级：135dB (at 1kHz≤1% T.H.D)

耗电电流：3mA

2、 工作环境：

工作温度:

相对湿度:

3、 通信协议参数：

波特率：9600bit/s；起始位;1bit;

数据位：8bit; 停止位：1bit.

4、 算法参数：

5、 耗时：

6、 系统资源利用情况：

设计结构：

本设计以FPGA 系列Spartan-6开发板为设计平台，开发板、麦克风、红外模块组成完整的硬件平台，整个系统简洁美观，无杂乱的连线，系统中语音采集和控制