基于单片机的医疗设备语音识别控制系统

2018-09-21郑乐一赵永根浙江大学附属儿童医院信息科浙江杭州310006

中国医疗器械信息 2018年16期

郑乐一赵永根浙江大学附属儿童医院信息科（浙江杭州 310006）

内容提要：文章的主要内容是语音识别与控制。控制系统是基于单片机及其他外围器件与电路，模拟多种医院医疗设备、患者病房服务设备、机电、电子、测控等器件，使其能在语音指令下工作。具体组成由语音识别软件、单片机系统、语音芯片等组成的语音识别与控制、语音播放综合系统。试验表明该系统能基本达到人机交流与控制的目的。

生活中，人们通过语言互相交流。用机器和人之间通过语言进行交流，这是人们的一个梦想，语音技术是机器领域中未来发展的一个方向。人与机器交流的过程是最好的信息交换手段，人与机器语音对话可使控制效率提高，其综合应用前景非常好。语音识别技术的内容比较多，包括信号处理、模式识别、听与说机制、人工智能等。语音识别分为独立与连续语音识别系统、特定语音识别和非特定语音识别。其中，独立字词发声比较容易识别，连续句因字词之间因无停顿，识别检测比较困难[1]。

1.汉语发声模式

汉语有近千个左右音节，若不考虑声调，约有数百个音节。汉语每个字的音节是由声母和韵母组成，韵母决定了声音的声调变化。

汉语具有独特的四声调特性，即汉语的每个字都有四种不同的声调，同一个字在不同的上下文语境中又会有不同的韵律特征。

在实际汉语语音环境中，常把声母根据后续韵母的不同再细分，并把韵母根据声调的变化也继续细分[2]。

在汉语语音识别环境中，语音识别单元的选取与英文不同。英文系统一般采用音素做识别单元，而汉语一般采用音节做识别单元。基于音节的构成的模型库不是非常庞大，因此即使在大词汇量的语音识别系统中，也可以采用音节作为语音识别单元。

本系统基本上实现了语音识别和控制为目的的设计要求，同时具有语音播音功能，使系统具有了基本人机对话能力。

2.系统说明

2.1 系统设计

本系统设计是用语音控制单片机实现功能的一个系统，该系统以少量的语音指令达到了控制单片机与其外围器件功能。系统由软件和硬件两部分构成。

软件部分：用delphi开发的语音识别和串口通讯软件组成，串口通讯部分使用了spcomm控件；另外是微软语音开发引擎，该引擎集成了语音合成、识别、训练等功能，拥有微软自己开发的语音库，经过训练后的语音识别精度比较高。

硬件部分：由串/并转接口；语音芯片、双向模拟开关、麦克风、扬声器等组成；再由发光二极管模拟显示外围器件功能[3]。

该系统是由软硬件结合方式进行一般的语音识别，通过串/并行口通信，实行对单片机控制。实现发光二极管发亮，语音输出，实现控制计算机外围设备的目的，达到人机对话智能化要求。存储语音芯片里的语音会永久保存。本系统若经过延伸应用范围会非常广泛。

2.2 系统运行

微软中提供了语音引擎是需安装过的。即需要经过配置和语音训练，为了能准确识别语音，让它先熟悉你的声音。

语音引擎的调用类似于自动化服务器。①从文字到语音，SpVoice的功能是把文字转化为语音。②从语音到文字，SpSharedRecoContext的功能是实现语音输入[4]。

对语音识别引擎，在语音属性控制面板上有相关选项，来进行配置，如语音属性图。

此外还须对麦克风进行配置，使得麦克风能正常工作，如麦克风向导图。

为了提高语音识别的认知率，是要对语音引擎进行反复训练，提高识别效率，如测试安放位置图。同时在操作过程中注意背景噪音的问题。见图1～3。

3.软件编程

在系统中使用Delphi语言, 这是一种方便、快捷的应用程序开发工具，是在微软系统图形用户界面中进行编程操作，是目前较好的一类编辑器。

需要注意的是Delphi不带串口通信控件,若使用Delphi实现通信目的，是要利用控件，或使用API函数，或调用其他串口通信程序来达到。见图4。

控制软件主程序

#include "declare.h"

图1. 语音属性对话框

4.系统电路

系统由单片机控制及语音模块、二极管发光功能模块、串口通信模块组成。并在单片机和语音芯片中间设计一个双向模拟开关，这样语音芯片的相关引脚才能正常工作[5]。

发光二极管是代替外设功能的应用，由单片机控制。若接继电器接到二极管，就可以扩展其功能，达到单片机控制外设功能的目的。串行口通信部分由转接口和LM485芯片组成。

4.1 单片机控制放音模块

图2. 调整音量

图3. 测试安放位置

图4. 控制流程图

图7. 发光二极管功能模块电路图

图8. 通信模块电路

图9. 系统工作流程图

图5. 语音芯片的A口操作模式和地址模式的功能表

图6. 单片机控制放音模块的电路

由单片机、双向开关、语音芯片组成。单片机P1口连接语音芯片的A口，下表是语音芯片的A口操作模式和地址模式的功能表。见图5。

本系统选择的是地址工作模式。

首先，对语音芯片录语音信息，在仿真器中，打开语音芯片的相应地址（A口地址），然后，调节REC引脚高低电平，进行录音和放音系统试验调整，直至达到要求止。见图6。

4.2 二极管发光模块

经语音识别后，再经由单片机控制其他外围器件的功能，若换用继电器件或其他数字开关取代发光二极管，相应就可以控制其他弱电设备和一般强电设备，达到利用语音控制某些医疗设备、患者服务设备和装置、机电与电子设备、测控类仪器的目的。电路见图7。

4.3 串口通信模块

单片机接到串口发送的数据时，单片机程序响应，开始判断传过来的数据，并与存储的数据进行比较，当符合响应要求的时候，单片机相应控制口应为高电平，此时语音芯片的相应口为低电平，则放送的是录音地址口的语音，且相应二极管导通发亮；当识别出信号是“否”的时候，单片机另一相应控制口为高电平时，此时语音芯片放送的是另一相应地址的语音，且相对应二极管将导通发亮。电路见图8[6]。