地鐵車廂乘車站名動態顯示的設計和應用摘要： 介紹一種基于專用的語音識別芯片HM2007，應用于地鐵車廂內乘車站名動態顯示系統，在車輛不作任何改動的基礎上實現車廂內廣播報站與站名顯示器的同步。關鍵詞： 語音識別 地鐵車廂廣播 車站名動態顯示1.概述 語音識別技術成為當代數字時代的重要開發領域，在計算機應用、多媒體技術應用和遠程工業自動化控制應用等等，成果令人屬目。語音識別技術簡單說是指用電子裝置來識別某些人的某些特征語音，以實現自動化控制，“君子動口，不動手”。語音識別的手段一般分為二大類，一類利用在PC機或微型計算機上開發語音識別系統，通過編程軟件達到對語音的識別，另一類采用專門的語音識別芯片來進行簡單的語音識別。前者對軟件、硬件要求高、體積大、費用高，通常應用在識別容量很大的、復雜的系統。后者硬件體積小、價格便宜、使用非常方便，但識別容量比較小，它是簡單語音識別在自動控制應用中的一種優先方案。語音識別芯片又分為SI和SD二種，SI（Speaker Independent，與說話人無關）及 SD（Speaker Dependent，與說話人有關）的語音識別功能，SI可利用單片機實現多人的識別，而SD為單獨人的識別，它具有保密性。語音識別芯片的型號目前也比較多，如：OKI公司的MSM6679A-110、TOSHIBA公司的TC6658、臺灣HMC公司的HM2007等，它們在應用上各有特點。根據本項目的設計要求，采用臺灣HMC公司的HM2007語音識別芯片。 2. HM2007的性能特點 HM2007是CMOS語音識別大規模集成電路，外接64K非易失性SRAM，能識別40個字組的語音（0.9秒字長），或1.92秒字長，但識別僅20個字組的語音。按正常人的講話速度，一般每秒吐字2到4個，如選擇0.9秒，那么每字長的漢字以1到3為宜。控制方法通過鍵盤手工操作或CPU自動控制，可以開發成 SD和SI，識別響應時間小于300 ms。芯片采用單片結構，將語音識別需要的全部電路：CPU、A/D、ROM、語音的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，這樣外圍電路就非常少，如圖一。略 其中： MIC IN為語音輸入端 DATA OUT為數據輸出端HM2007語音識別的過程是以模型為單元進行識別的，首先通過輸入放置語音的地址號，將語音錄入到SRAM中，便在系統中建立了特定的語音樣本（模型），然后進行識別樣本、分析。當有語音輸入時，它與預存的模型進行比較，如果比較匹配相同，其輸出不同相應的數據編碼（八位），如：D1、D2、D3、 D4、 D5、 D6、 D7、 D8，其中前四位的數字為十位數顯示從0到4、后四位的數字為個位數顯示從0到9，如果識別結果是01010101編碼（十進制：55），表示語音太長；如果識別結果是01100110編碼（十進制：66），表示語音太短；如果識別結果是01110111編碼（十進制：77），表示語音不匹配。所有錄音的語音樣本內容存放在SRAM中，數據可在斷電情況下永久保存10年以上。 HM2007的技術參數：工作電壓4----5.5V，工作電流1.5mA，工作溫度 -20-----+70度，正常的語音輸入電壓：20mV。3. 設計和應用 項目主要針對目前上海地鐵列車在車廂內無LED動態站名顯示而設計，通過將列車車廂廣播的模擬信號轉換成數字信號，自動控制LED發光二極管，使得廣播的內容（每個車站站名）與發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上方，并且顯示面板以地鐵運營線路為背景，列車進站和出站時能分別指示，讓乘客非常直觀地、一目了然地隨時了解車輛在運行時自己所乘的位置，從而方便乘客的上下車，提高了地鐵服務水平。在國外的地鐵列車上應用已相當普遍。 通過對語音模板多次試驗和分析，發現按圖一所設計的語音識別芯片及附件組成的電路在實際生活的應用中，其識別效果不夠理想，因為人的發音隨人的身體狀況和周圍的環境變化，其前后的發音有一定的區別，故在模型匹配上有一定難度。所以在家庭、玩具、通信和工業自動控制領域，難以推廣的主要原因。然而應用在本項目中，其效果特別好，通過增加特殊的硬件電路，設計成的樣品，經試驗識別率高達到100%左右。因為地鐵車廂內的廣播的內容具有規律性，內容和音量具有恒定不變的特點。 LED站名顯示用HM2007語言識別芯片和特殊電路設計而成，具有獨特性和創造性，能達到簡單的語言識別，語音識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合器），實施廣播模擬信號發出的語音進行車站名的自動識別。區別以前所設計的利用交流載波原理控制LED顯示、復雜的編程技術等方法。 語音識別器組成：（1）輸入控制部分（2）噪音濾波部分（3）語言識別部分（4）執行顯示部分。（1）輸入控制部分： 通過結合器連接，如圖二所示，要求模擬語音輸入A點的電壓必須控制在大約20mv左右，以確保后期語音識別的正確性。在輸入電路中增加了RC微分電路和延時電路，即將模擬信號轉變成數字方波信號，對語音輸入進行開關量的控制，確保在 T<0.9秒內的正確輸入語音字長。圖中K為微型繼電器。（2）語音識別部分： 利用語音識別芯片HM2007和外接6264SRAM存儲器組成為主要部分，（HM2007中ROM已經固化了語音語法技術）對語音的存儲及語音語法算法進行控制。附加電路：掃描鍵盤電路3*4鍵盤12個（其中0------9為地址號碼數字鍵，TRN為錄音鍵，CLR為清除鍵）、地址顯示采用二片數碼管和數據鎖存器74LS373、74LS47。HM2007的詳細內容見產品說明書，圖三。（3）噪音濾波部分： 功能是自動識別（阻擋）無用的語音，例如：司機的講話及雜音等，確保輸入語音的可靠性、穩定性，因為目前地鐵車輛廣播報站內容在車站與車站之間（區間）有二次廣播。在建立模型時，我們將第一次的廣播語音內容放在第77地址內，第二次的廣播語音內容放在第01到40之間的地址內（如果車站有40個），而我們只要識別其中第二次的一段語音，如：“衡山路車站到了，乘客可以下車······”，就是“衡山路”三個字長度。為了能濾波55、66、77地址號碼，（其中：55、66在實際使用中不會產生）正確顯示01到40之間地址內的內容，特采用C031與門和UM3758串行編譯器進行濾波電路。如圖四：（4）執行顯示部分： 將車廂廣播喇叭的模擬信息通過語音識別器轉變成數字信息，最終經過譯碼電路、多路數據選擇器CD4514及RS485接口，去控制車廂內車門上十個LED顯示面板。在進行廣播內容更改時，本項目最大的特點是：不需要任何手段的手工軟件編程的修改，而是通過遠程電路控制技術進行按順序自動錄音地址和內容。如圖五：利用濾波電路和脈沖鍵控多諧蕩器電路實現遠程集中輸入錄音功能。遠程輸入電路由與門電路、RC微分電路、延時電路和編碼電路組成，輸入IN來自與門電路C031的控制線，輸出OUT到鍵盤3*4，模擬二次地址編碼號碼的輸入，達到自動錄音功能。4. 結論 語音識別器及LED顯示面板的樣品設計和初試，符合設計要求，完全能應用到以前沒有LED顯示面功能的地鐵車輛上，與其他所設計的方式相比較，如：無線RF、紅外線和磁性控制，語音識別控制簡單、可靠性好、安裝方便、相對投資最小和不改動車廂內任何電器，僅提供110VDC和音頻接口線。其缺點：一但音頻線路發生故障，既語音識別器就無法工作。 本項目的開發具有一定社會效益，能得到國內外乘客、殘疾人員的歡迎，提高了地鐵服務質量。參考文獻：1. HUALON MICRELECTRONICS CORPORATION TIWAN PRODUCT NUMBER: HM20072. 中國集成電路大全 COMS集成電路 國防工業出版社
