語音芯片在新能源汽車智慧系統(tǒng)中的設(shè)計應(yīng)用

萬阿平

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院揚州分院，江蘇 揚州 225003)

0 前言

隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，有必要開發(fā)出具有更強大計算能力的芯片。傳統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計的芯片在用于大數(shù)據(jù)并行計算時需要復(fù)雜的指令系統(tǒng)，計算速度不能滿足實際要求。芯片的本質(zhì)是集成電路，其主要制作工藝是將集成電路制造在半導(dǎo)體晶圓上，當(dāng)前集成電路技術(shù)發(fā)展迅速，晶體管可達到每平方毫米100萬的數(shù)量級。

1 語音芯片的發(fā)展

1.1 智能芯片

在信息化時代，電子產(chǎn)品得到越來越廣泛的應(yīng)用，其核心技術(shù)是芯片的設(shè)計制造。芯片被視作微型“計算機”，能夠嵌入在卡片、存貨清單和設(shè)備中，人工智能芯片這種具有復(fù)雜算法處理能力的芯片其性能主要取決于內(nèi)部特定的結(jié)構(gòu)設(shè)計和簡單的指令集，如類腦芯片。與傳統(tǒng)語音芯片相比，智能語音芯片的特點和優(yōu)勢在于它可以通過使用元器件對接收到的命令進行信息分析和分類，并指導(dǎo)機器執(zhí)行各種動作。同時，智能語音芯片還可以進行高質(zhì)量、高壓縮率的錄音，并在需要時進行回放，從而實現(xiàn)人機對話。

1.2 語音芯片

人工智能或機器翻譯技術(shù)在自然語言處理方面已獲得許多成果。經(jīng)過國內(nèi)外媒體的廣泛報道，智能語音技術(shù)受到公眾的廣泛關(guān)注，這也使得智能語音技術(shù)得到飛速發(fā)展。目前，人機交互技術(shù)依托人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)發(fā)展，在智能化、自動化趨勢下蘊含巨大的商業(yè)價值。而語音芯片作為現(xiàn)代汽車智能化的表現(xiàn)，能夠滿足車輛消費者在車內(nèi)工作、休閑娛樂等要求，是行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

2 新能源汽車的智慧系統(tǒng)

2.1 智慧系統(tǒng)的研發(fā)困境

目前，智慧系統(tǒng)的研發(fā)困境主要是自主核心技術(shù)缺乏，產(chǎn)品信息共享體系不足和校企聯(lián)合培養(yǎng)人才儲備不足等。我國的新能源汽車需要在車載新能源系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)及控制系統(tǒng)方面逐步實現(xiàn)國產(chǎn)化，這在合資發(fā)展道路上是難以實現(xiàn)的，從而造成在生產(chǎn)或出口過程中投資成本較大。而智能網(wǎng)聯(lián)市場還處在萌芽期，部分細分市場蘊藏著巨大的潛力，未來還可能應(yīng)用到發(fā)動機、變速箱等機械設(shè)備中，無人駕駛是重點發(fā)展方向[1]。近年來，各車企紛紛發(fā)布智能網(wǎng)聯(lián)汽車戰(zhàn)略，盡管他們的智能網(wǎng)聯(lián)系統(tǒng)名稱不同，但功能大多包含語音識別、語音控制、云服務(wù)和空中下載技術(shù)等[2]。如今，傳統(tǒng)信息共享平臺已不能滿足研發(fā)企業(yè)的大量信息共享需求，因此需要對信息交互平臺進行完善，以便其能更廣泛地應(yīng)用于新能源汽車領(lǐng)域。在我國高等職業(yè)院校教育改革目標(biāo)下，采取“校企合作，產(chǎn)教融合”的教學(xué)模式推動我國實用性技術(shù)人才培養(yǎng)，但目前還處于探索階段，還需在地方政府政策引導(dǎo)下不斷拓展和加深合作范圍及合作深度。

2.2 智慧系統(tǒng)的發(fā)展態(tài)勢

目前，國家不斷提倡環(huán)境保護，營造采用綠色能源的社會環(huán)境，因此新能源汽車成為汽車行業(yè)的主要發(fā)展方向。而數(shù)字化系統(tǒng)在新能源汽車中的應(yīng)用也越來越廣泛，如音樂播放器、藍牙電話、車載導(dǎo)航和可視化通訊等，這些都帶來了更加舒適便利的駕駛體驗。新能源汽車本身就具有人工智能的技術(shù)和硬件基礎(chǔ)，搭載智能語音系統(tǒng)以后使得其應(yīng)用場景更為豐富和廣泛，可以滿足用戶的更多需求，如商務(wù)汽車和房車需要具備工作學(xué)習(xí)和生活的必備條件，智能翻譯可以幫助連線跨國會議和接打國際長途電話等。一方面，智能語音技術(shù)可以賦能傳統(tǒng)家電，延伸設(shè)備的功能，提升人們的智能使用體驗；另一方面，隨著人類生活水平的改善，未來的家居電氣設(shè)備種類將日益增多，能夠搭載智能語音功能的或?qū)⑦_到近百款。

3 新能源汽車的語音芯片設(shè)計

語音芯片需要運用到多種智能語音技術(shù)，包括信號處理與模式、發(fā)生機理與聽覺機理、概率論與信息論和人工智能等。而芯片與集成電路制造屬于精密儀器制造，對制造環(huán)境和運行環(huán)境具有較高要求，對應(yīng)的開發(fā)與制造成本相對較高。

3.1 總體架構(gòu)

語音芯片按照對象與內(nèi)容可以分為特定人語音芯片和非特定人語音芯片[3]。特定人語音芯片用于對指定的人進行語音識別，在進行語音識別前必須將用戶的語音參考樣本存儲在數(shù)據(jù)庫中作為比較，也就是說，必須在使用前對特定人的語音進行訓(xùn)練。通常在機器提示下訓(xùn)練固定次數(shù)，機器便能掌握特定人員的講話習(xí)慣與特點，進行更為貼切的交互。非特定人語音芯片是指無特定人員語音資料庫的語音技術(shù)，無論年齡和性別，只要說的是同一種語言，機器就能進行識別。非特定人語音芯片的應(yīng)用模式是在產(chǎn)品定型前，根據(jù)確定的十幾個語音交互條目，采集約200人的語音樣本，通過計算機算法處理交互條目的語音模型和特征數(shù)據(jù)庫，然后在芯片上燒錄。若將該燒錄芯片應(yīng)用于智能娃娃、電子寵物等機器，這些機器就具有人機交互功能，實現(xiàn)兒童與玩具的雙向互動，起到陪伴作用。但該模式具有顯著的優(yōu)缺點，優(yōu)點是無需采集多人語音樣本即可進行交互，缺點是識別準(zhǔn)確率不高，性能也不穩(wěn)定。

圖1給出了語音芯片在新能源汽車中的應(yīng)用設(shè)計流程。語音芯片的設(shè)計需滿足如下功能：① 準(zhǔn)確簡單的語音指令；② 完成簡單的人機語音交互；③ 提升語音準(zhǔn)確率，降低背景噪聲干擾；④ 多復(fù)用設(shè)計，在多種場景下可以自動匹配模式；⑤ 低功耗，保證使用時間可達一周；⑥ 系統(tǒng)遇到故障能自動重啟，保證使用的穩(wěn)定性；⑦ 具有一定的糾錯功能，自動錄入錯誤并糾正；⑧ 適用性廣，可嵌入多種電子設(shè)備并保持正常運行。

圖1 語音芯片應(yīng)用設(shè)計流程

3.2 系統(tǒng)設(shè)計

語音系統(tǒng)的設(shè)計架構(gòu)如圖2所示，其一般操作順序為：系統(tǒng)錄入語音，完成語音詞匯特征提取，構(gòu)建聲學(xué)模型，構(gòu)建語音模型，詞匯與語音庫詞匯解碼，設(shè)置好中斷函數(shù)，最后開啟中斷允許位。如果不使用中斷函數(shù)的方式，需要在“開始語音”后判斷寄存器(B2H)中的值，如果寄存器中的值為21H，就表示有結(jié)果產(chǎn)生，如果沒有就返回，此后的讀取候選列表等操作與中斷方式相同。

圖2 語音系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)

4 語音芯片的應(yīng)用

嵌入式語音芯片可分為封閉域和開放域，封閉域范圍圍繞指定的字詞集合，即在開發(fā)系統(tǒng)的時候會設(shè)定好應(yīng)當(dāng)注意的字詞，對范圍外的詞語語音系統(tǒng)識別得不夠準(zhǔn)確。而這樣的設(shè)定字或詞的方式可通過聲學(xué)模型和語音模型進行裁剪，有利于減小引擎的運算量，最后再將引擎封到嵌入式語音芯片中，這樣便可完全脫離云端，無需連網(wǎng)也可以完成智能語音識別。目前主流的語音芯片是將日常生活語音轉(zhuǎn)化成文本，屬于開放域語音識別，如果不與人工智能結(jié)合，其應(yīng)用場景不如封閉域語音識別廣泛。典型的應(yīng)用場景就是在汽車人機交互導(dǎo)航地址搜索框中錄入語音，系統(tǒng)根據(jù)用戶發(fā)布的語音進行識別，搜索出相關(guān)的地址信息進行導(dǎo)航。

5 結(jié)語

伴隨著人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展，新能源汽車的智能化水平不斷提升，增強了產(chǎn)品的舒適性和便利性。語音芯片的設(shè)計和應(yīng)用推動了第3次人工智能熱潮，未來智能語音技術(shù)將在集成更多功能的同時控制能耗，并將大量應(yīng)用到新能源汽車等領(lǐng)域，使人機交互方式得到推廣和應(yīng)用。