王小英，徐全

（常熟理工學(xué)院電氣與自動化工程學(xué)院，江蘇常熟215500）

一種新型羽毛球步伐訓(xùn)練器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王小英，徐全

（常熟理工學(xué)院電氣與自動化工程學(xué)院，江蘇常熟215500）

為了使初中級羽毛球愛好者快速掌握正確的步伐，本文設(shè)計(jì)了一款操作簡單、集語音與紅外遙控于一體的新型羽毛球步伐訓(xùn)練器，給出了系統(tǒng)的軟、硬件框架，并對訓(xùn)練器進(jìn)行了多方位的實(shí)際測試與分析，驗(yàn)證了其具有較好的穩(wěn)定性和實(shí)用性.

羽毛球步伐；語音識別；紅外遙控

羽毛球是奧運(yùn)會的正式比賽項(xiàng)目，同時(shí)也是老少皆宜的一項(xiàng)大眾體育項(xiàng)目，同時(shí)由于其趣味性強(qiáng)，極具競爭性，深受廣大民眾的喜愛.但是，目前在市面出售的一些訓(xùn)練器械不僅笨重、攜帶不方便，而且步法相對固定，不能根據(jù)鍛煉者的要求調(diào)節(jié)速度和更換步法，功能較單一.本文設(shè)計(jì)的羽毛球步伐訓(xùn)練器從現(xiàn)有的科學(xué)訓(xùn)練方法出發(fā)，基于嵌入式系統(tǒng)以STC系列單片機(jī)為主控核心，外圍配合語音遠(yuǎn)程識別系統(tǒng)和紅外遙控系統(tǒng)調(diào)控訓(xùn)練速度和更換各種步法，使用者只要通過語音和紅外遙控即可任意調(diào)節(jié)步法“加快”或“減速”，更改跑動線路指示節(jié)奏，設(shè)置稍高于自身運(yùn)動水平的節(jié)奏進(jìn)行長距離、中距離、短距離跑動訓(xùn)練或直接連貫跑動等訓(xùn)練［1］，能迅速提高使用者的啟動、反應(yīng)、銜接以及綜合比賽能力，較好地解決了傳統(tǒng)羽毛球步伐訓(xùn)練器的缺陷.

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

步伐訓(xùn)練器采用ABS塑料制作，是按照羽毛球半場仿制的裝置，實(shí)物及現(xiàn)場使用效果如圖1所示.主要用來固定步法指示燈和安放PCB控制板，并給訓(xùn)練者步法指示.步伐訓(xùn)練器指示板的背面有一個(gè)可以安裝3節(jié)AA電池的電池盒，給整個(gè)訓(xùn)練器供電.

圖1　步伐訓(xùn)練器實(shí)物及現(xiàn)場使用效果

主控制器是集成STC51系列單片機(jī)模塊、LD3320語音識別模塊、SYN6288語音合成模塊、HX1838紅外接收器模塊為一體的板塊，實(shí)現(xiàn)的功能主要有：

1）多種基本步法訓(xùn)練模式：包括直線前后步法、斜線步法、左右接殺步法、左右網(wǎng)前步法、全場米字步法等隨機(jī)步法.

2）速度和步法調(diào)節(jié)：共設(shè)3個(gè)初始速度檔位，并可根據(jù)訓(xùn)練者需要加速或減速.運(yùn)用遙控系統(tǒng)和無線語音控制系統(tǒng)進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，初中高級訓(xùn)練者都能使用.

3）模擬真人發(fā)聲：當(dāng)語音識別時(shí)，有語音合成發(fā)聲說出步法和速度的種類，便于控制.并且當(dāng)指示燈顯示位置的同時(shí)，有仿真人發(fā)聲說出準(zhǔn)確位置，利于訓(xùn)練.

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件框架如圖2所示，主控系統(tǒng)采用宏晶科技公司生產(chǎn)的增強(qiáng)型高速51系列單片機(jī)，內(nèi)部集成10位高速A/D，最高轉(zhuǎn)換速度可達(dá)250 kHZ.語音識別模塊采用LD3320芯片，它是一款基于非特定人語音識別和關(guān)鍵詞語列表技術(shù)的語音識別/聲控模塊芯片，集成了微處理器MCU和A/D、D/A轉(zhuǎn)換器、MIC接口等一些必要的外部電路，且不需要外接任何的輔助芯片，如Flash、RAM，提供了真正的單芯片語音識別解決方案［2］.語音合成模塊采用一款端口簡單的常用中高端語音合成模塊SYN6288芯片，可合成任意的中文文本、英文字母并且語音清晰、自然、準(zhǔn)確.同時(shí)還具有文本分析處理智能算法，可正確識別時(shí)間、日期、數(shù)值、號碼及常用的度量衡符號.紅外接收器使用的是HX1838接收器，不需要外接任何元器件就可以完成紅外線接收、輸出、TTL電平信號轉(zhuǎn)換，且抗干擾能力強(qiáng)，能抵御環(huán)境光線等的干擾.

圖2　系統(tǒng)硬件框架圖

紅外遙控系統(tǒng)以STC52單片機(jī)為主控核心，紅外接收器通過外部中斷0與主控通訊.非特定語音識別控制系統(tǒng)以STC12單片機(jī)為主控核心，外圍語音識別和語音合成通過串行口與主控通訊.考慮到訓(xùn)練器的穩(wěn)定性、實(shí)用性和可操作性，控制板塊采用PCB板作為承載模塊的主板，根據(jù)各個(gè)模塊的大小、規(guī)格、使用的方便性設(shè)計(jì)端口和布局.

圖3　系統(tǒng)軟件框圖

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括主控系統(tǒng)、紅外遙控控制系統(tǒng)和非特定語音識別控制系統(tǒng)3個(gè)部分，控制系統(tǒng)的軟件主要是圍繞語音識別模塊開展.主控系統(tǒng)通過串行口RXD端口通訊接收LD3320語音識別模塊發(fā)送過來的語音代碼，將對應(yīng)的語音合成文本和命令用串行口TXD發(fā)送給SYN6288語音合成模塊合成播放輸出.紅外遙控系統(tǒng)通過外部中斷0與主控系統(tǒng)通訊，接收模塊將信號接收并發(fā)送給主控系統(tǒng)進(jìn)行解碼，獲得相應(yīng)指令去控制相關(guān)電路.

語音識別采用中斷方式工作，其工作流程為：語音識別初始化（通用初始化）---導(dǎo)入關(guān)鍵字識別列表---開始識別---響應(yīng)中斷，如圖4所示.

圖4　語音識別流程圖

（1）導(dǎo)入關(guān)鍵字識別列表.每個(gè)關(guān)鍵識別條目對應(yīng)一個(gè)特定的編號（1個(gè)字節(jié)）.編號可以相同，可以不連續(xù)，但是數(shù)值要小于256（00H～FFH）.比如系統(tǒng)中的“訓(xùn)練器”和“控制臺”對應(yīng)同一編號，因此這兩個(gè)詞會有相同的結(jié)果返回.本系統(tǒng)芯片最多支持50個(gè)識別條目，每個(gè)識別條目是標(biāo)準(zhǔn)普通話的漢語拼音（小寫），每2個(gè)字（漢語拼音）之間用一個(gè)空格間隔.本系統(tǒng)采取了連續(xù)不同編號的識別條目［3］，表1為簡單示例.

表1　識別列表

（2）開始識別.在開始語音識別之前，要設(shè)置幾個(gè)有關(guān)的寄存器，圖4給出了相關(guān)流程.其中，ADC通道即為麥克風(fēng)輸入通道，ADC增益即為麥克風(fēng)音量，可設(shè)定值00H～7FH，建議設(shè)置值為40H～6FH.值越大代表MIC音量越大，識別啟動越敏感，但可能帶來較多誤識別；值越小代表MIC音量越小，需要近距離說話才能啟動識別功能，好處是對遠(yuǎn)處的干擾語音響應(yīng)較小.本文中設(shè)定值為4FH［4］，并且可根據(jù)使用環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié).

4　系統(tǒng)測試評估

本文主要針對語音對訓(xùn)練器控制的有效距離和系統(tǒng)誤識別概率進(jìn)行測試.考慮到電路設(shè)計(jì)可靠性和中間阻擋物以及使用的環(huán)境噪音因素，試驗(yàn)進(jìn)行了多次對比測試和實(shí)際運(yùn)用測試.紅外控制的測試與語音識別系統(tǒng)的測試方法基本一致，所以這里以語音識別測試為例.

4.1誤識別測試

本文根據(jù)不同的咬字清晰度和語速來測試，使用者與訓(xùn)練器之間的距離為1 m，周圍環(huán)境分為較安靜和較嘈雜；語速分為3種慢速、快速和中速；咬字清晰度視使用者個(gè)人而定，這里分為兩類，一類為清晰，另一類為不清晰.周圍環(huán)境較安靜與較嘈雜測試如表2和表3所示.

表2　誤識別測試

表3　語音距離測試

表2顯示本設(shè)計(jì)在較安靜的環(huán)境、咬字清楚、語速正常的情況下，語音識別靈敏度高，基本沒有誤識別.當(dāng)周圍的環(huán)境較嘈雜時(shí)，語音識別靈敏度降低，會有誤識別出現(xiàn).

4.2有效距離測試

LD3320模塊標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的識別距離為3 m，考慮到MIC靈敏度和實(shí)際運(yùn)用等一些因素，將測試距離分為4 m， 3 m，2 m，1 m這4檔來測試，并對使用者與訓(xùn)練器的MIC之間是否有無阻擋物進(jìn)行測試.測試數(shù)據(jù)如表3所示.

從表3可以看出，語音識別的有效距離在3 m左右，使用者與訓(xùn)練器中間如果有阻擋物，基本上識別不到語音信號，與紅外遙控的距離測試大致相同.由于標(biāo)準(zhǔn)羽毛球場地長13.4 m，寬6.1 m，步伐訓(xùn)練通常在半場離網(wǎng)2.6 m位置啟動，因此完全可以滿足訓(xùn)練的要求.

5　總結(jié)

本文針對傳統(tǒng)訓(xùn)練器械智能化程度不高，功能單一和攜帶不方便等不足，設(shè)計(jì)制作了一款以非特定語音識別遠(yuǎn)程控制和紅外遙控控制的羽毛球步伐訓(xùn)練器.對訓(xùn)練器多方位的實(shí)際測試與分析表明：該訓(xùn)練器操作簡單，攜帶方便，并且具有多種基本步法和速度可調(diào)，能夠使羽毛球初、中級愛好者快速掌握正確的羽毛球步伐，具有較好的實(shí)用性.

［1］李海林.基于模糊設(shè)計(jì)方法的羽毛球運(yùn)動專項(xiàng)輔助練習(xí)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)［D］.成都：西南交通大學(xué)，2011.

［2］蘇鵬，周風(fēng)余，陳磊.基于STM32的嵌入式語音識別模塊設(shè)計(jì)［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2011，11（2）：121-130.

［3］金鑫，田犇，闕大順.基于LD3320的語音控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)［J］.電腦與信息技術(shù)，2011，19（6）：111-152.

［4］唐繼賢.51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)［M］.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2012：112-120.

A Kind of Novel Badminton Footwork Training Device Based on Embeddedsystem

WANG Xiaoying，XU Quan
（School of Electrical and Automation Engineering，Changshu Institute of Technology，Changshu 215500，China）

Badminton is a kind of masssports for all ages，for it is easy to grasp.In order to enable the junior badminton enthusiasts to master the correct footwork quickly，this paper designed a kind of badminton footwork training device combined with voice and infrared remote control.Thesystem's hardware andsoftware framework andsome key procedures are given.A multi-faceted test and analysis verify that the footwork training device has a good performance withstability and practicability.

badminton footwork；speech recognition；infrared remote control

TP391.9

A

1008-2794（2015）04-0081-04

2016-04-10

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于螞蟻智能搜索行為的多細(xì)胞自動跟蹤及其應(yīng)用研究”（61273312）

王小英，副教授，工學(xué)博士，IEEE計(jì)算機(jī)協(xié)會會員，研究方向：嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，E-mail：xiaoying_wang@cslg.edu.cn.