基于LD3320的智能LED照明系统研究

长江大学电子信息学院 罗贵舟 熊晓东

基于LD3320的智能LED照明系统研究

长江大学电子信息学院 罗贵舟 熊晓东

针对目前国内家居照明系统控制方式单一、智能化程度低等问题，提出了一种基于LD3320非特定人语音识别芯片的智能LED照明系统的构想。该系统以STM32F103ZET6为主控制器，通过SPI串行总线与LD3320通讯，控制器根据识别结果智能调节驱动3路白色LED灯的PWM占空比，实现人灯交流，智能调光的效果。该设计在智能家居领域具有较广的应用前景。

语音识别；LD3320；STM32F103ZET6；智能照明

0 引言

随着智能家居理念不断深入人心，人们对于家具照明设备已不再满足手动控制，而是追求操作更加智能的灯。而近年来人工智能和高效节能的LED相结合的研究越来越引起关注，不断推动着语音识别技术走向日常照明领域[1]，进而让LED灯听得懂人类语言成为了可能。这有力的促进了智能照明行业产品的推陈出新。本文在研究语音识别技术的基础上，将语音识别与家居照明相结合，设计出一套基于语音识别的智能LED照明装置。选用LD3320作为语音识别芯片，根据关键词列表判断语音命令，并通过总线将识别结果反馈给STM32F103ZET6，进而调节3路PWM占空比来控制LED灯的亮度，实现了人灯交流，智能调光的效果。本文研究内容具有一定的前沿性，设计的产品也具有较广的应用价值。

1 语音识别关键技术

语音识别技术根据不同特点大体可分为三类[2]：（1）特定人与非特定人语音识别系统；（2）大规模词汇和有限词汇语音识别系统；（3）独立词语与连续语音识别系统。它们虽各有区别，但识别流程基本一致，如图1所示，从图中可知，语音识别主要涉及预处理、特征提取和匹配识别等过程。

图1 语音识别一般流程图

1.1 预处理技术

预处理主要包括语音信号的预加重、加窗、端点检测等技术。声音是由复杂的发声器官共同作用产生的，属于非平稳时变信号，但在“短时”（10ms～30ms）内是平稳的，被称为帧长，短时分析技术是预处理的基础。预加重通常是利用一阶数字滤波器补偿声音在传播过程中高频衰减部分[3]（800Hz以上）；加窗则是利用矩形窗或汉明窗对语音信号进行分帧处理，以便获取短时平稳信号。为保证信号的连续，帧与帧之间需要有小于二分之一帧长的重叠；端点检测用于判断语音信号的起点和终点，这有利于有效声音的判断，减少系统的计算和误识别。

1.2 LPCC与MFCC

线性预测编码倒谱系数（LPCC）和梅尔尺度倒谱系数（MFCC）是两种提取语音信号特征参数的关键技术。LPCC[4]模拟了声道的发音系统，它利用线性预测编码提取语音特征，再对系数做傅里叶变换，最后求反变换得到特征量。而MFCC[5]则是对人耳听觉系统进行模拟，先对语音信号做傅里叶变换，再将信号通过滤波器组，最后由滤波信号做离散余弦变换得出特征系数。由于MFCC鲁棒性好，抗噪声能力强，且LPCC对辅音的识别效果较差，目前常用MFCC对语音信号进行特征提取。公式1-1为MFCC数学表达式：

1.3 识别判断技术

目前常用的识别判断方法有动态时间规整（DTW）、矢量量化（VQ）和隐马尔科夫模型（HMM）三种。DTW能有效判断语音信号训练前后的相似程度，解决不等长问题，并能够求出规整函数，利用最小距离识别出结果；VQ起初应用在数据压缩领域，它通过反复语音训练，将特征参数组成矢量集后进行量化，再利用LBG算法生成码本，最后通过欧氏距离求出的最小距离判断识别结果。HMM[6]表征了观察隐藏状态和观察序列之间的统计关系，它使语音识别技术从特定人识别走向非特定人识别，本文所使用LD3320芯片就是采用该技术。

2 系统硬件设计

2.1 主控制器

由于LD3320的供电电压为3.3V，则所选控制器因满足该电压范围。本文选用意法半导体公司生产的STM32F103ZET6 32位增强型单片机作为主控制器，采用3.3V供电，时钟频率可达72MHz，自带SPI接口，可以与LD3320直接连接通信。该控制器采用ARM Cortex-M3内核架构，内含嵌套中断向量控制器，支持多种调试方式。其内部资源丰富，被广泛应用于电机控制、打印机、视频对话等领域。本文使用的4线SPI1接口对应引脚分别为PA4（NSS）、PA5（SCK）、PA7（MOSI）、PA8（MISO），3路PWM对应引脚为PB6～PB8。

2.2 语音识别模块设计

LD3320[7]是ICRoute公司生产的基于非特定人的语音识别芯片，它起初由语言学家对不同人的声音进行数学分析，建立语音模型，然后通过不断训练学习，分析出基元特征量以及不同基元之间差异，从而建立基元语音特征库，最后由工程师将特征提取算法以及语音库转化为硬件集成芯片。用户使用时无需训练，只需将欲使用的命令以拼音字符串形式写入寄存器中，形成关键词识别列表，即可实现多达50条的语音命令。其内部自带A/D、D/A转换器，外围不需要其他存储芯片，实现真正意义上单芯片语音识别功能。图2为LD3320识别流程图。

图2 LD3320识别原理图

图3 为LD3320外围电路图，其中P46（MD）为通信方式选择管脚，由于LD3320与控制器采用SPI串行方式通信，所以直接将其拉高。P47引脚为复位引脚，它可有效解决识别异常现象，与STM32的PB15引脚相连，实现软件控制。P0～P2以及CSB/SCS引脚为SPI通信接口，与STM控制器的PA4～PA8相连。LD3320提供了两种音量控制方式：一种是利用其内部寄存器0x35控制，另一种是通过EQ1、EQ2、EQ3引脚硬件控制增益。

图3 LD3320外围电路图

2.3 PWM驱动电路

本文采用脉宽调制方式（PWM）控制3路LED的亮度，由于控制器输出的三路PWM信号幅值为3.3V，而本文所使用的LED为+12V共阳极灯带，所以需要电压转换，如图4所示，Q2、Q3、Q4为三极管，用于将控制器输出的3.3V PWM信号转换为+12V信号，Q6、Q7、Q8为CMOS管，用于提高信号驱动能力。J8为3路LED灯和电源接口。

图4 PWM驱动电路

3 系统软件设计

系统软件主要包括语音识别程序和PWM程序。语音识别程序主要完成LD3320的初始化、设置关键词列表、识别反馈程序；PWM程序是对STM定时器的配置，用以调节LED亮度。本文重点阐述语音识别程序部分。

(1)LD3320初始化：芯片初始化包括芯片复位、通用初始化、语音识别初始化。芯片复位是通过软件对LD3320的P47引脚进行拉高拉低操作，避免芯片死锁；通用初始化程序是向特定寄存器写入特定值，以实现软件复位、休眠DSP处理器、省电方式选择、初始化拼音字符串长度配置等功能。

(2)关键词列表设置：LD3320利用ID编号方式对语音命令进行表示，编号可以不必连续但不能超过50条语句。语音命令以对应小写汉语拼音字符串的形式写入寄存器，每两个字拼音之间用空格隔开，本文设置了7条需要的语音命令，见表1所示。1～3号ID用于开启三路LED灯，4～5号ID命令用于调节PWM占空比从而实现灯的亮暗程度，PWM按20%间隔变化，6～7号ID用于控制三路LED灯的开关状态。图5为添加关键字列表流程图。

表1 语音命令列表

图5 关键字列表配置流程图

(3)识别反馈程序：在语音识别前，先设置好内部音量增益寄存器0x35，以便语音信号被高效采集。0x2B、0xB2以及0x37是执行语音识别程序的三个关键寄存器，其中0x2B第四位为识别结果产生位，0xB2为检测DSP闲忙状态，0x37用于触发DSP执行语音识别。当读取0x2B第四位为“1”，0xB2中的值为21H，0x37中的值为06H，则说明语音识别程序已经成功执行，并将结果的标志信息保存于寄存器0xBA中，当其保存值为在1～4之间，表示识别结果已经保存于相应寄存器中，若值不在1～4之间，则说明没有识别结果产生。存储识别结果ID的寄存器有：0xC5、0xC7、0xC9、0xCB，0xC5寄存器中保存最佳结果，其他的为候选结果。

4 测试与分析

实验发现，音量增益大小、人与开发板距离都影响着系统的语音识别成功率。以增益大小为例，由上文可知，LD3320有两种增益控制方式：硬件和寄存器控制，由于硬件调节增益比较繁琐，且影响硬件稳定性，择优选用了寄存器来控制增益。系统搭建好后，在距离相同情况下，通过设置0x35内不同值并对着系统复述20次相同语音命令，得到实验结果如表2所示：

Research on the system of intelligent LED lighting based on LD3320

Luo Guizhou Xiong Xiaodong
（College of Electronics and Information，Yangtze University，Hubei Jingzhou 434023）

In order to solve the problem of simple control model and low intelligence in the smart lighting system，a system of intelligent LED lighting is proposed based on the non-specifc speech recognition chip of LD3320.STM32F103ZET6 is the main controller in this system and communicates with LD3320 through the SPI serial bus.According to the recognition result，the controller intelligently adjusts the PWM duty cycle of the 3-channel white LED lamp.It comes true the human and lamp communication.It has the effect of the intelligent dimmer. The design has a wider application prospects in the feld of intelligent home.

Speech recognition；LD3320；STM32F103ZET6；Intelligent lighting