基于语音辨识的自动数学出题系统--语音辨识和语音播报【毕业论文】.doc

1、 本科毕业设计 （ 20 届） 基于语音辨识的自动数学出题系统 -语音辨识和语音播报 所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - - 1 - - 摘 要 语音识别是机器通过识别和理解过程把语音信号变为相应的文本文件或命令的高技术。作为一个专门的研究 领域，语音识别又是一门交叉学科，它与声学、语音学、语音学、人工智能、数字信号处理理论、信息理论、模式识别理论、最优化理论、计算机科学等众多学科紧密相连。语音识别经过四十多年的发展，已经显示出巨大的应用前景，高性能的语音识别系统相继问世。 本文主要介绍一个基于语音辨识的自动出题系统该文统。本系统 能根据用户

2、的不同设置给出不同级别的算术题，同时进行语音播报，并提供显示答案、纠错等功能，另外，用户可以通过语音命令进行部分功能操作。 系统自动完成出题功能，其功能还包括，校对答案功能，难度设置功能，运算法则切换功能，同时 系统能及时的发出各种提示音。 对语言来说，声音是第一性的。不管在人类语言发展方面，还是在言语的运用记忆方面，语音都起着不可替代的作用。 尤其是对于儿童，该系统不仅仅是一个学习工具，更是一个有趣的玩具，大大的增加了儿童的学习兴趣。 关键词： 语音识别技术；语音播报；数学出题系统；单片机 - - 2 - - Abstract Speech recognition is the machin

3、e through the recognition and understanding speech signal into a corresponding process of text files or command high technology. As a special field of study, speech recognition is a cross-disciplinary, it and acoustics, phonetics, phonetics, artificial intelligence, digital signal processing theory,

4、 information theory, pattern recognition theory, optimization theory, computer science multitudinous discipline are closely linked. Speech recognition after forty years of development, has shown great prospect, high performance speech recognition system field. This paper mainly introduces the automa

5、tic speech recognition based on a paper series title system. This system can according to different sets of users are different levels of arithmetic, simultaneously speech broadcast, and providing display answers, error correction function, in addition, the user can through the voice commands partia

6、l functional operation. The system automatically complete set function, its features include proofreading, difficulty setting function answers function, algorithms switch function, but system can prompt sends out the various prompt. For language speaking, voice is first. No matter in a human languag

7、e development, but also on the use of words, the speech all memory plays an irreplaceable role. Especially for children, this system is not only a learning tool, but also an interesting toys, greatly increasing the childs interest in learning. Key Words： Voice recognition technology ;Speech broadcas

8、t; Mathematical cribbed system ;microcontroller - - 3 - - 目 录 1 引言 . - 1 - 1.1 语音识别系统 . - 1 - 1.2 语音播报 . - 2 - 2 总体设计 . - 3 - 2.1 特定人语音识别 . - 3 - 2.2 基于不同芯片的设计 . - 3 - 2.2.1 基于 WS 100 芯片 的设计 . - 3 - 2.2.2 基于 RSC-4X 系列芯片的设计 . - 4 - 2.2.3 基于凌阳的 SPCE061A 芯片的设计 . - 5 - 2.3 课题内容和功能 . - 6 - 3硬件设计 . - 8 -

9、3.1 SPCE061A 简介 . - 8 - 3.2 SPCE061A 主要性能和功能 . - 8 - 3.3 SPCE061A 芯片模块结构 . - 8 - 3.3 SPCE061A 芯片介绍 . - 9 - 3.4 SPCE061A 外围电路 . - 10 - 3.4.1 电源 . - 10 - 3.4.2 语音输出电路 . - 11 - 3.4.3 语音输入电路 . - 12 - 3.4.4 按键电路 . - 12 - 3.4.5 辅助电路 . - 13 - 3.4.6 显示模块 . - 14 - 3.4.7 数据存储电路 . - 14 - 3.4.8 主芯片 I/O 端口分配 . -

10、 15 - 4软件设计 . - 16 - 4.1 软件开发工 具 . - 16 - 4.2 软件的程序 . - 17 - 4.2.1 主程序 . - 17 - 4.2.2 训练过程和识别过程 . - 19 - - - 4 - - 4.2.3 语音播放、显示和运算法则的流程图 . - 21 - 4.2.4 按键处理 : . - 26 - 5制作和调试 . - 27 - 5.1 硬件电路的设计和制作 . - 27 - 5.2 软件的设计和调试 . - 28 - 6工作总结 . - 30 - 致 谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . - 31 - 附录 1 系统实物图 . - 32 - 附录

11、2 实验原理 . - 33 - 附录 3 毕业设计作品的说明 . - 34 - 附录 4 储存器中播报子程序 . - 35 - - - 1 - - 1 引言 1.1 语音识别系统 语音识别技术，也被称为自动语音识 Automatic Speech Recognition(ASR)，其目标是将人类的语音中的词汇内容转换为计算机可读的输入，例如按键、二进制编码或者字符序列。与说话人识别及说话人确认不同，后者尝试识别或确认发出语音的说话人而非其中所包含的词汇内容 1。如图 1-1即为语音识别的原理图。 图 1-1 语音识别原理图 语音识别技术的市场前景无量，它的应用领域非常广泛，有声控电话交换、语音

12、拨号系统、信息网络查询、家庭服务、宾馆服务、旅行社服务系统、订票系统、声控智能玩具、 医学服务、银行服务、股票查询服务、听写机、计算机控制、工业控制、语音通信系统等等，几乎涉及日常生活的每一个领域 2。它在一些应用领域中正迅速地成为一个关键的、而且具有竞争力的技术，并且必将改变人们的日常生活。 现在市场上智能语音对话娃娃非常的受欢迎，它能够与人实现一定的对话。（比如：“我给你唱歌吧” ，你回答：“好啊” ，她会开始唱歌；如果你说：“不好” ，他会转移话题。）该智能语音对话娃娃就是采用最新的语音识别技术研发成功的，具有良好的识别效果 超强的抗噪性（在商场，公交车，马路等地方照常演示识别） 。图

13、1-2 为对话娃娃工作的基本框图。 语音特征提取 语音模式的训练与识别 语音检验和文法分析 - - 2 - - 图 1-2 对话娃娃识别的基本框图 1.2 语音播报 在智能仪器仪表或自动控制设备中，增加语音功能能极大的提高人机界面的人性化，更方便用户的操作。在许多场合，设计者需要将语音系统和单片机结合在一起。目前语音服务行业越来越广，如电脑语音钟、语音型数字万能表、手机话费查询系统、排队机以及公共汽车报站器等 3。而且这其中很多用到语音自动播放系统。自动语音播放系统可以通过简单的单片机来实现对整个系统的控制。再通过控制键盘、显示 模块实现命令输入、人机交流、通过控制储存、录放、时钟模块实现其录

14、制、播报、编程等功能。图 1-3是语音自动播报的系统原理图。 图 1-3 语音自动播报的系统原理图 对语音信号取特征矢量序列 模式匹配 模板库 语音输入 识别 训练 参考模式 识别结果 控制部分 显示 计时时钟 ROM 键盘 录放 - - 3 - - 2 总体设计 2.1 特定人语音识别 本课题的基本要求就是数学出题系统中要求可以完成对特定人（即语言经过训练）的语言识别，在用户发出“出题”，系统自动完成出题功能。 目前，常用的说话人识别方法有模板匹配法、统计建模法、联接主义法 (即人工神经网络实现 ) 4。考虑到 条件的不足，所以采用模板匹配法 （如图 2-1）。 图 2-1 模板匹配法框图

15、预处理 ： 包括语音信号的采样、反混叠滤波、语音增强 。 特征提取 ： 用以从语音信号波形中提取一组或几组能够描述语音信号特征的参数 。 构建参考 模块： 词表中每个词对应一个参考模式，它由这个词重复发音多遍，再经特征提取和某种训练中得到 。 模式匹配： 按照一定的准则求取待 测语音特征参数和语音信息与模式库中相应模板之间的失真测度，最匹配的就是识别结果 5。 2.2 基于不同芯片的设计 2.2.1 基于 WS 100 芯片 的设计 WS 100 芯片， 16 位 MCU,高速处理语音信号，语音识别时没有一点延时感觉；芯片内潜入了公司开发的特定人语音识别引擎， 对特定人可识别 200 条语预处

16、理 特征提取 参考模块库 模块匹配 判断逻辑 识别结果输出 语音录 入 语音输入 - - 4 - - 音命令，识别率高达 98%； 整套系统具有一定的抗噪性能，在有一些背景噪音的环境下，仍具有很高的识别率； 芯片在语音识别后，能够返回大量丰富的提示音，能让使用者和芯片交流更亲切 6。 图 2-2 基于 WS 100 芯片 的设计 框图 WS-100 是一个 16 位结构的微控制器，在存储器资源方面考虑到用户的较少资源的需求以及便于程序调试等功能。较高的处理速度使其能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号，适用在数字语音识别应用领域。 WS-100 是数字声音和语音识别产品的一种最经济的应用。

17、2.2.2 基于 RSC-4X 系列芯片 的设计 RSC-4X 系列是新一代嵌入式语音识别处理器集成电路，它具有集成度高、外围电路简单、功耗低、不怕掉电、使用方便等特点。一个完整的语音识别系统 仅由 RSC-4X 系列芯片及少量外部器件（扬声器、麦克风、音频输入 /输出电路、储存器和电池或整流稳压电源）等组成 7。 WS 100 芯片 液晶显示 键盘模块 语音输入 FLASH 储存器 语音输出 DAC - - 5 - - 图 2-3 基于 RSC-4X 系列芯片 的设计 框图 RSC-4X 系列芯片适用美国 SENSORY 公司的 7.0 语音识别技术。 SENSORY 7.0语音识别技术充分

18、利用 RSC-4X 系列芯片新增的硬件电路，它包括一个带有双向直接存储器的向量处理器、 16 位 A/D 转换器、 10位 D/A 转换器、主晶振锁相环、带自动增益控制的麦克风前置放大器、低电池干扰 的 PWM 扬声器驱动电路、两个独立的计时加单独的看门狗电路、 4 个比较器输入及 24 个 I/O 口。 该芯片的语音识别微处理器内嵌入一套先进精确的识别算术运算法，支持第七语音，能运用在复杂的神经网络技术中，增强了识别率的正确度，对于单独语音识别的 SI 识别率超过 97%以上， 对于多路语音识别的 SD 识别率也超过99%以上。而且 RSC-4X 系列芯片具有精确和高质量的语音识别能力，外部存储器总线为 20 位地址和 8位数据线，无须通过 ROM 存放功能实现代码安全，语音识别速度加快，高抗噪性能及低电磁干扰设计，低数据率语音合成以及更多 智能化控制特征。但该芯片因为工业化的批量生产，所以一些维护工作比较困难。 2.2.3 基于 凌阳的 SPCE061A 芯片的设计 凌阳的 SPCE061A 是 16 位单片机， 它属于系统级芯片，而且用户使用方便，外围电路简单，很容易就能实现语音信号的输入和输出功能， 本系统总体框图如图 2-2。主要有单片机控制模块、按键模块、显示模块、语音播报模块、语音识别模块。 RSC-4X 系列芯片 键盘模块 音频输入 输出电路 储存器 显示模块