地鐵車廂乘車站名動(dòng)態(tài)顯示的設(shè)計(jì)和應(yīng)用摘要： 介紹一種基于專用的語(yǔ)音識(shí)別芯片HM2007，應(yīng)用于地鐵車廂內(nèi)乘車站名動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)，在車輛不作任何改動(dòng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)車廂內(nèi)廣播報(bào)站與站名顯示器的同步。關(guān)鍵詞： 語(yǔ)音識(shí)別 地鐵車廂廣播 車站名動(dòng)態(tài)顯示1.概述 語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)成為當(dāng)代數(shù)字時(shí)代的重要開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，在計(jì)算機(jī)應(yīng)用、多媒體技術(shù)應(yīng)用和遠(yuǎn)程工業(yè)自動(dòng)化控制應(yīng)用等等，成果令人屬目。語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)簡(jiǎn)單說(shuō)是指用電子裝置來(lái)識(shí)別某些人的某些特征語(yǔ)音，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，“君子動(dòng)口，不動(dòng)手”。語(yǔ)音識(shí)別的手段一般分為二大類，一類利用在PC機(jī)或微型計(jì)算機(jī)上開(kāi)發(fā)語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)，通過(guò)編程軟件達(dá)到對(duì)語(yǔ)音的識(shí)別，另一類采用專門(mén)的語(yǔ)音識(shí)別芯片來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)單的語(yǔ)音識(shí)別。前者對(duì)軟件、硬件要求高、體積大、費(fèi)用高，通常應(yīng)用在識(shí)別容量很大的、復(fù)雜的系統(tǒng)。后者硬件體積小、價(jià)格便宜、使用非常方便，但識(shí)別容量比較小，它是簡(jiǎn)單語(yǔ)音識(shí)別在自動(dòng)控制應(yīng)用中的一種優(yōu)先方案。語(yǔ)音識(shí)別芯片又分為SI和SD二種，SI（Speaker Independent，與說(shuō)話人無(wú)關(guān)）及 SD（Speaker Dependent，與說(shuō)話人有關(guān)）的語(yǔ)音識(shí)別功能，SI可利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)多人的識(shí)別，而SD為單獨(dú)人的識(shí)別，它具有保密性。語(yǔ)音識(shí)別芯片的型號(hào)目前也比較多，如：OKI公司的MSM6679A-110、TOSHIBA公司的TC6658、臺(tái)灣HMC公司的HM2007等，它們?cè)趹?yīng)用上各有特點(diǎn)。根據(jù)本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要求，采用臺(tái)灣HMC公司的HM2007語(yǔ)音識(shí)別芯片。 2. HM2007的性能特點(diǎn) HM2007是CMOS語(yǔ)音識(shí)別大規(guī)模集成電路，外接64K非易失性SRAM，能識(shí)別40個(gè)字組的語(yǔ)音（0.9秒字長(zhǎng)），或1.92秒字長(zhǎng)，但識(shí)別僅20個(gè)字組的語(yǔ)音。按正常人的講話速度，一般每秒吐字2到4個(gè)，如選擇0.9秒，那么每字長(zhǎng)的漢字以1到3為宜。控制方法通過(guò)鍵盤(pán)手工操作或CPU自動(dòng)控制，可以開(kāi)發(fā)成 SD和SI，識(shí)別響應(yīng)時(shí)間小于300 ms。芯片采用單片結(jié)構(gòu)，將語(yǔ)音識(shí)別需要的全部電路：CPU、A/D、ROM、語(yǔ)音的AMP放大器、壓縮器、濾波器、震蕩器和接口界面等集中在一片芯片內(nèi)，這樣外圍電路就非常少，如圖一。略 其中： MIC IN為語(yǔ)音輸入端 DATA OUT為數(shù)據(jù)輸出端HM2007語(yǔ)音識(shí)別的過(guò)程是以模型為單元進(jìn)行識(shí)別的，首先通過(guò)輸入放置語(yǔ)音的地址號(hào)，將語(yǔ)音錄入到SRAM中，便在系統(tǒng)中建立了特定的語(yǔ)音樣本（模型），然后進(jìn)行識(shí)別樣本、分析。當(dāng)有語(yǔ)音輸入時(shí)，它與預(yù)存的模型進(jìn)行比較，如果比較匹配相同，其輸出不同相應(yīng)的數(shù)據(jù)編碼（八位），如：D1、D2、D3、 D4、 D5、 D6、 D7、 D8，其中前四位的數(shù)字為十位數(shù)顯示從0到4、后四位的數(shù)字為個(gè)位數(shù)顯示從0到9，如果識(shí)別結(jié)果是01010101編碼（十進(jìn)制：55），表示語(yǔ)音太長(zhǎng)；如果識(shí)別結(jié)果是01100110編碼（十進(jìn)制：66），表示語(yǔ)音太短；如果識(shí)別結(jié)果是01110111編碼（十進(jìn)制：77），表示語(yǔ)音不匹配。所有錄音的語(yǔ)音樣本內(nèi)容存放在SRAM中，數(shù)據(jù)可在斷電情況下永久保存10年以上。 HM2007的技術(shù)參數(shù)：工作電壓4----5.5V，工作電流1.5mA，工作溫度 -20-----+70度，正常的語(yǔ)音輸入電壓：20mV。3. 設(shè)計(jì)和應(yīng)用 項(xiàng)目主要針對(duì)目前上海地鐵列車在車廂內(nèi)無(wú)LED動(dòng)態(tài)站名顯示而設(shè)計(jì)，通過(guò)將列車車廂廣播的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，自動(dòng)控制LED發(fā)光二極管，使得廣播的內(nèi)容（每個(gè)車站站名）與發(fā)光二極管顯示面板聲光同步，將顯示面板放置地鐵車輛的每扇車門(mén)上方，并且顯示面板以地鐵運(yùn)營(yíng)線路為背景，列車進(jìn)站和出站時(shí)能分別指示，讓乘客非常直觀地、一目了然地隨時(shí)了解車輛在運(yùn)行時(shí)自己所乘的位置，從而方便乘客的上下車，提高了地鐵服務(wù)水平。在國(guó)外的地鐵列車上應(yīng)用已相當(dāng)普遍。 通過(guò)對(duì)語(yǔ)音模板多次試驗(yàn)和分析，發(fā)現(xiàn)按圖一所設(shè)計(jì)的語(yǔ)音識(shí)別芯片及附件組成的電路在實(shí)際生活的應(yīng)用中，其識(shí)別效果不夠理想，因?yàn)槿说陌l(fā)音隨人的身體狀況和周圍的環(huán)境變化，其前后的發(fā)音有一定的區(qū)別，故在模型匹配上有一定難度。所以在家庭、玩具、通信和工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域，難以推廣的主要原因。然而應(yīng)用在本項(xiàng)目中，其效果特別好，通過(guò)增加特殊的硬件電路，設(shè)計(jì)成的樣品，經(jīng)試驗(yàn)識(shí)別率高達(dá)到100%左右。因?yàn)榈罔F車廂內(nèi)的廣播的內(nèi)容具有規(guī)律性，內(nèi)容和音量具有恒定不變的特點(diǎn)。 LED站名顯示用HM2007語(yǔ)言識(shí)別芯片和特殊電路設(shè)計(jì)而成，具有獨(dú)特性和創(chuàng)造性，能達(dá)到簡(jiǎn)單的語(yǔ)言識(shí)別，語(yǔ)音識(shí)別顯示器的輸入端間接地與車載廣播功放器相連接（采用變壓器或光電結(jié)合器），實(shí)施廣播模擬信號(hào)發(fā)出的語(yǔ)音進(jìn)行車站名的自動(dòng)識(shí)別。區(qū)別以前所設(shè)計(jì)的利用交流載波原理控制LED顯示、復(fù)雜的編程技術(shù)等方法。 語(yǔ)音識(shí)別器組成：（1）輸入控制部分（2）噪音濾波部分（3）語(yǔ)言識(shí)別部分（4）執(zhí)行顯示部分。（1）輸入控制部分： 通過(guò)結(jié)合器連接，如圖二所示，要求模擬語(yǔ)音輸入A點(diǎn)的電壓必須控制在大約20mv左右，以確保后期語(yǔ)音識(shí)別的正確性。在輸入電路中增加了RC微分電路和延時(shí)電路，即將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字方波信號(hào)，對(duì)語(yǔ)音輸入進(jìn)行開(kāi)關(guān)量的控制，確保在 T<0.9秒內(nèi)的正確輸入語(yǔ)音字長(zhǎng)。圖中K為微型繼電器。（2）語(yǔ)音識(shí)別部分： 利用語(yǔ)音識(shí)別芯片HM2007和外接6264SRAM存儲(chǔ)器組成為主要部分，（HM2007中ROM已經(jīng)固化了語(yǔ)音語(yǔ)法技術(shù)）對(duì)語(yǔ)音的存儲(chǔ)及語(yǔ)音語(yǔ)法算法進(jìn)行控制。附加電路：掃描鍵盤(pán)電路3*4鍵盤(pán)12個(gè)（其中0------9為地址號(hào)碼數(shù)字鍵，TRN為錄音鍵，CLR為清除鍵）、地址顯示采用二片數(shù)碼管和數(shù)據(jù)鎖存器74LS373、74LS47。HM2007的詳細(xì)內(nèi)容見(jiàn)產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)，圖三。（3）噪音濾波部分： 功能是自動(dòng)識(shí)別（阻擋）無(wú)用的語(yǔ)音，例如：司機(jī)的講話及雜音等，確保輸入語(yǔ)音的可靠性、穩(wěn)定性，因?yàn)槟壳暗罔F車輛廣播報(bào)站內(nèi)容在車站與車站之間（區(qū)間）有二次廣播。在建立模型時(shí)，我們將第一次的廣播語(yǔ)音內(nèi)容放在第77地址內(nèi)，第二次的廣播語(yǔ)音內(nèi)容放在第01到40之間的地址內(nèi)（如果車站有40個(gè)），而我們只要識(shí)別其中第二次的一段語(yǔ)音，如：“衡山路車站到了，乘客可以下車······”，就是“衡山路”三個(gè)字長(zhǎng)度。為了能濾波55、66、77地址號(hào)碼，（其中：55、66在實(shí)際使用中不會(huì)產(chǎn)生）正確顯示01到40之間地址內(nèi)的內(nèi)容，特采用C031與門(mén)和UM3758串行編譯器進(jìn)行濾波電路。如圖四：（4）執(zhí)行顯示部分： 將車廂廣播喇叭的模擬信息通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別器轉(zhuǎn)變成數(shù)字信息，最終經(jīng)過(guò)譯碼電路、多路數(shù)據(jù)選擇器CD4514及RS485接口，去控制車廂內(nèi)車門(mén)上十個(gè)LED顯示面板。在進(jìn)行廣播內(nèi)容更改時(shí)，本項(xiàng)目最大的特點(diǎn)是：不需要任何手段的手工軟件編程的修改，而是通過(guò)遠(yuǎn)程電路控制技術(shù)進(jìn)行按順序自動(dòng)錄音地址和內(nèi)容。如圖五：利用濾波電路和脈沖鍵控多諧蕩器電路實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中輸入錄音功能。遠(yuǎn)程輸入電路由與門(mén)電路、RC微分電路、延時(shí)電路和編碼電路組成，輸入IN來(lái)自與門(mén)電路C031的控制線，輸出OUT到鍵盤(pán)3*4，模擬二次地址編碼號(hào)碼的輸入，達(dá)到自動(dòng)錄音功能。4. 結(jié)論 語(yǔ)音識(shí)別器及LED顯示面板的樣品設(shè)計(jì)和初試，符合設(shè)計(jì)要求，完全能應(yīng)用到以前沒(méi)有LED顯示面功能的地鐵車輛上，與其他所設(shè)計(jì)的方式相比較，如：無(wú)線RF、紅外線和磁性控制，語(yǔ)音識(shí)別控制簡(jiǎn)單、可靠性好、安裝方便、相對(duì)投資最小和不改動(dòng)車廂內(nèi)任何電器，僅提供110VDC和音頻接口線。其缺點(diǎn)：一但音頻線路發(fā)生故障，既語(yǔ)音識(shí)別器就無(wú)法工作。 本項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)具有一定社會(huì)效益，能得到國(guó)內(nèi)外乘客、殘疾人員的歡迎，提高了地鐵服務(wù)質(zhì)量。參考文獻(xiàn)：1. HUALON MICRELECTRONICS CORPORATION TIWAN PRODUCT NUMBER: HM20072. 中國(guó)集成電路大全 COMS集成電路 國(guó)防工業(yè)出版社