研發紀事

語音合成介紹         最近在研究語音合成技術，各家的平台大都以雲端的語音合成為主，少數還提供離線的語音合成。本文找了三家 (阿里 、百度 、同花順 ) 提供語音合成的平台，平台會提供各類開發的 SDK 和 RESTful API 兩種接口，其中它的SDK 就是根據自己使用的程式語言調用SDK的接口，例如在之前 「 中文語音合成+語音辨識 以百度的AI開放平台 in Python 開發   」 一文中我們用 Python 語法調用它的 SDK 函數。 設計方式         另一種開發的接口是 RESTful API，這是一種通用的網路通訊接口。它的通訊方式是靠 HTTP 的 GET 、 POST...的協定上傳文本和語音合成的參數，經過雲端系統的運算後，再回傳音檔給開發者。開發 RESTful API in C++ 過程需要先整合 curl 和 json 兩個開源代碼，如下圖所示。因為要 HTTP 網路上傳到雲端，我們必須在這些平台上註冊自己的帳號，使用語音合成的過程需要經過用戶認證。認證後，每個平台上傳文本的步驟與細節有些許不同，請參考各家的說明。         最後，將三家平台整合成一個小的測試工具，如下圖一~圖三所示。圖一是阿里雲的平台與參數，圖二是百度平台的參數，圖三是同花順的平台與參數。該工具使用的過程記錄成影片，如下。未來隨著行動網路越來越快，雲端計算的應用也會越來越多且複雜，語音和影像處理的應用會更多。 圖一：阿里雲的語音合成之參數表 圖二：百度的語音合成之參數表 圖三：同花順的語音合成之參數表 實現展示 影片： 實際操作的過程

目的         以 ADC 模組為基礎，設計一個簡易示波器觀察訊號變化，同時能記錄每筆資料以便數值分析。 設計         使用 STM32 系列晶片內的 ADC 模組，將類比訊號轉換成數位資料，然後將整筆數據從網路傳送到 PC 端，再由 PC 程式接收後繪製成曲線圖。開發過程，利用前面一文 「 以 STM32 晶片的 DAC 為架構設計一個訊號產生器 」 所產生的方波當做待測訊號源，此訊號源輸入到 ADC 接腳，如下圖一所示。 圖一：設計完整示波器的方塊圖 STM32F207        下圖是程式碼設定 ADC 的參數，第一個要先設定 ADC 取樣率的刻度，再來設定取樣率，如下面紅線標示。取樣率跟晶片的 operating clock 有關，從系統的高速時脈降頻到 ADC 的取樣率。第二個是選定 ADC 轉換資料的精密度，精密度越高，資料量則越大。最後，設定 ADC 轉換完畢後產生中斷通知 CPU，每次 ADC 轉換資料後，中斷的 IRQ 便會把數值從暫存器搬到記憶體裡。在設計裡，我們宣告兩塊 buffer 存放數值。 圖二：ADC 參數設定         下圖是在 PC 端寫一個網路接收資料的程式，並把資料繪製成曲線圖。當 ADC 取樣率為 15.2KHz時，從PC端看到的圖形比較像弦波，當我把 ADC 取樣率提高為 48KHz 時，PC端看到的圖形就像一個方波了。不過，取樣率高低對設計來說是一項架構問題，取樣率越高，代表資料量越高，傳輸速率越大，所需要的網路頻寬要夠，還要晶片的CPU有足夠的效能才行。 圖三-1：ADC 取樣率 15.2K 所顯示的方波 圖三-2：ADC 取樣率為 48K 所顯示的方波 問題         DMA資料搬運過程不穩定，當取樣率越高的時候，DMA搬運出現資料錯亂的情況。將這個問題放到 StackOverflow 網站尋求解答，連結如下「 ADC 與 DMA 資料搬運的問題 」。所以，在上面的測試過程，我們都採用 ADC 中斷的方式搬運資料到記憶體，而不是 DMA。 影片： [單晶片應用] 利用控制板設計一個簡單的示波器

目的：產生方波或正弦波的訊號 設計：以 STM32 系列內建的 DAC 模組為架構，搭配內部的 Timer 當做取樣率，讓 DAC 輸出週期性訊號。         我們設計訊號產生器靠 DAC 模組將數值轉換成類比訊號，接著產生一個週期性訊號需要使用 Timer，利用它產生的 event 通知我們產生一個訊號數值，簡單說就是一個取樣點，而取樣率就是 Timer 的參數設置。這裡會有個效能的問題，如果取樣速率越高，那麼系統核心每次要 DAC 轉換數值的頻率就會增加，這會占用到系統 CPU 的運算時間。因此，DAC 需要配合 DMA 模組以達到系統效能。         圖一所示為上述三個模組的運作流程圖，第一步 Timer 產生取樣點的事件，驅動第二步的 DAC 模組，因為設定 DAC 與 DMA 搭配合作，第三步 DAC 會對 DMA 發出一個請求，要求 DMA 將波形訊號數值搬到 DAC 暫存器裡面，最後 DMA 執行這個請求。 圖一：STM32 DAC 運作的流程圖         圖二和圖三所示為程式碼的說明，首先要宣告一塊記憶體存放波形資料，這陣列代表一個波形的完整週期。接著，我們要初始化 Timer 、 DAC 、 DMA 模組，Timer 設定取樣率，DMA 和 DAC 要設定資料搬運的位址與長度。設計到這裡，比較困難的地方在怎麼計算適當的取樣率，它會影響到波形的週期大小。我們以 STM32F207 晶片為例，Timer 模組的 clock 是 60MHz，當 TIM_Period 設定為 500 時，每個取樣點產生的頻率為 120KHz = 60MHz/500，再來看一個完整波形的週期需要 30 個取樣點，所以這個波形頻率為 4KHz = 120KHz/30，其週期為 250us 。程式在 STM32F207 板卡上運行的結果顯示在最後一張圖。 圖二：波形資料的定義 圖三：每個模組參數的初始化

        在同一Windows系統內的兩個程序要互傳資料，可以用建立內部 TCP 連線方式傳送，不過這種方式不適合大量資料的存取。還有一種方式稱為 IPC (Inter Process Communication)，兩個程序之間建立一個共享的空間，透過這塊空間互傳資料互相通訊，參考[1]，我們可以把這塊空間看成是一個虛擬檔案，類似開啟檔案的步驟來讀寫它。         首先，雙方有一方要建立共享空間，另一方則是開啟共享空間，如下圖一所示。建立的這方要對這塊空間命名，如果沒有命名，另一方就無法開啟正確的空間。如果我們建立一個很大的空間時，要先讀取目前系統的 available page file 還剩多少，如果不足，那就要加大系統的記憶體容量，參考[2]。當雙方能成功取得這塊共享空間的控制權後，這樣才能利用 MapViewOfFile 函數獲得位址，要留意的一點是位址的 alignment，這塊空間並不是想要指定 到某一位址就能任一指定，它有限制位址必須對齊系統的 AllocationGranularity，所以在規劃空間內部的資料結構時就要先設計安排妥當。         接著，因為存取資料是一個共享空間，所以我們要設計一個互斥鎖保護資料，避免雙方同時存取同一位址而產生資料錯亂，如下圖所示，同樣地建立的互斥鎖也要命名。最後，建立一個事件通知也是需要的，總不能雙方都要輪詢方式來查看資料有沒有更新吧? 當一方寫完資料後，發個事件通知告訴對方，再由對方來讀取，這樣效率會比較好。 圖一：IPC 操作所調用的相關API 參考資料 [1]  Interprocess Communication Between 32-bit and 64-bit Applications [2]  Creating Named Shared Memory

        通常我們用微軟Visual Studio IDE開發程式並且在本機上運行與除錯，但隨著開發系統越來越複雜，程式運行在某台服務器上而不是自己的機器，這時候需要進行遠端程式的除錯，架構如下圖一所示。自己的主機要安裝微軟的Visual Studio 2017 IDE，待測的機器上面要有Remote Debugger工具，雙方透過網路的連線進行除錯。 圖一：遠端除錯與待測機器 [步驟]： 1) 在自己主機上的Visual Studio目錄下面找Remote Debugger這個工具目錄，然後把Remote Debugger工具複製到待測機器上。 2) 程式的除錯屬性要設定正確，屬性頁的遠端Windows偵測工具，如下圖二所示。我們必須設定遠端命令 、 工作目錄 、 遠端機器IP 、連接是否驗證...等等，連線的權限要配合遠端機器的設定。 3) 在遠端機器上的Remote Debugger目錄，開啟 msvsmon.exe，這時只要到工具選單設定連線的權限，如下圖三所示。圖中是設為無權限的方式，不需要驗證使用者。 4) 在VS IDE環境運行遠端Windows偵錯工具，如果發現遠端機器上出現錯誤，錯誤的原因是缺少某些 dll 檔案，如：msvcp140D.dll 、ucrtbased.dll... 。我們在本地主機上找找看這些缺少的檔案，應該能找到，然後再複製到遠端機器的 \Windows\System32 目錄底下。 5) 最後，編譯我們的程式後，要再把exe 、 pdb檔案複製到遠端機器的工作目錄上。接著，運行我們的程式遠端 debug，這樣就可以一步步看著遠端機器上的程式怎麼執行了。 C++遠程偵錯 圖二：C++程式的遠端屬性設定 圖三：遠端機器的連線權限設定 C#遠程偵錯 圖四：C# 程式的遠端偵錯設定