ADSP-BF531在嵌入式語音識別系統中的應用

摘要：設計了一個嵌入式語音識別系統，該系統硬件平臺以ADSP-BF531為核心，采用離散隱馬爾可夫模型(DHMM)檢測和識別算法完成了對非特定人的孤立詞語音識別。試驗結果表明，該系統對非特定人短詞匯的綜合識別率在90％以上。該系統具有小型、高速、可靠以及擴展性好等特點；可應用于許多特定場合，有很好的市場前景。文中講述了該系統CODEC、片外RAM、ROM以及CPLD等與DSP的接口設計，語音識別運用的矢量量化、Mel倒譜參數、Viterbi等有關算法及其實際應用效果。
關鍵詞：ADSP-BF531；語音識別；離散隱馬爾可夫模型；非特定人；孤立詞

自上世紀70年代以來，國內外的專家們在語音識別研究領域內取得了重大突破，先后出現了動態時間規整技術(DTW)、隱馬爾可夫模型(HMM)和人工神經網絡(ANN)等3種主要方法。DTW雖然在孤立詞語音識別中取得了不錯的性能，但其要求的存儲量和計算量太大；ANN雖然前景看好但其目前尚未有突破性進展，目前它們都難以在工程中得到廣泛的應用。HMM算法使語音識別的計算量得到大大減少，而且正確率較高，從而在語音識別中得到廣泛引用。
筆者在以ADSP-BF531為核心構建的嵌入式系統上實現了對非特定人、孤立詞的語音識別，該系統采用了端點檢測、矢量量化(VQ)和離散隱馬爾可夫模型(DHMM)等算法。

1 ADSP-BF531介紹
ADSP-BF531是ADI公司Blackfin系列的高性能DSP，其最高主頻為400MHz，內有2個16位MAC，2個40位ALU，4個8位視頻ALU，以及1個40位移位器，RISC式寄存器和指令模型，編程簡單，編譯環境友好。
BF531包含豐富的外設，通用外設如UART、帶有PWM(脈沖寬度調制)和脈沖測量能力的定時器、通用的I／O標志引腳、以及一個實時時鐘和一個“看門狗”定時器。它還有多個獨立的DMA控制器，能夠以最小的處理器內核開銷完成自動的數據傳輸。DMA傳輸可以發生在ADSP-BF531處理器的內部存儲器和任何有DMA能力的外設之間。此外，DMA傳輸也可以在任何有DMA能力的外設和已連接到外部存儲器接口的外部設備之間完成(包括SDRAM控制器、異步存儲器控制器)。具有DMA傳輸能力的外設包括SPORTS、SPI端口、UART和PPI端口。每個獨立的有DMA能力的外設至少有一個專用DMA通道。

2 硬件電路設計
該系統電路主要由DSP、音頻編碼器、CPLD、片外SDRAM、FLASH和EEPROM存儲器以及電源、時鐘等組成。硬件接口如圖1所示。

各器件的主要功能如下：
1)AD73311將經前置放大后的麥克風音頻信號經A／D轉換后通過串行端口輸入BF531，同時完成對BF531輸出的數字音頻信號的D／A轉換，而后輸出到功放和喇叭；
2)BF531作為該系統的核心，對信號進行特征提取和DHMM識別，同時對其外圍的器件進行控制管理；
3)CPLD完成對DSP的外圍的器件時序和數據流程控制，以及對LCD顯示屏初始化檢測設置；
4)由于DSP片內的RAM有限，配置了一塊SDRAM用于擴展系統的內存，以滿足程序運行時數據和指令存儲的要求；
5)EEPROM用于存放DSP程序代碼和系統初始化所需的數據；
6)FLASH用于存放訓練樣本庫。
2．1 AD73311與BF531接口設計
本系統中設計AD73311的采樣率為16 kHz，其與BF531的串口0(SPORT0)連接，通過DMA方式在單時鐘周期內完成操作。BF531支持32 bit的串口數據傳輸，由于AD73311為16 bit的音頻器件，而且16 bit已可滿足系統精度要求，因此本系統只使用了BF531的主傳輸數據通道，即：DTOPRI和DROPRI，而將第二傳輸數據通道DTOSEC和DROSEC進行了屏蔽。AD73311與BF531的連接方式如圖2所示。

2．2 SDRAM接口設計
SDRAM主要用于擴展系統內存，為保證程序運行的裕量及后續升級的需要，這里選用了三星電子的一款容量為32 MB的移動式SDRAM，其型號為K4M56163PG。SDRAM與DSP的I／O總線連接，如圖3所示。