鐵電存儲器在新型語(yǔ)音電子門(mén)鎖系統中的應用

作者Email: zk197911@yahoo.com.cn

摘 要：本文介紹了Ramtron公司生產(chǎn)的一種新型鐵電存儲器FM20L08，重點(diǎn)闡述了一種基于FM20L08組成程序存儲部分和說(shuō)話(huà)人特征數據部分的新型語(yǔ)音電子門(mén)鎖系統。應用結果表明，該語(yǔ)音電子門(mén)鎖系統具有成本低、適用范圍廣、控制容易的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：鐵電存儲器；數字信號處理器；語(yǔ)音電子門(mén)鎖

1 引 言

生物識別技術(shù)是目前最為方便與安全的識別技術(shù)。生物識別技術(shù)是利用人體生物特征進(jìn)行身份認證的一種技術(shù)，它認定的是人本身，由于每個(gè)人的生物特征具有與其他人不同的唯一性和在一定時(shí)期內不變的穩定性，不易偽造和假冒，所以利用生物識別技術(shù)進(jìn)行身份認定，安全、可靠、準確。

說(shuō)話(huà)人識別技術(shù)是生物識別技術(shù)的一種，人的聲音具有唯一性，依靠聲音來(lái)識別準確可靠。語(yǔ)音電子門(mén)鎖就是利用了生物特征中的聲音特征對說(shuō)話(huà)人進(jìn)行識別，主要是由說(shuō)話(huà)人識別模塊（包括語(yǔ)音信號采集前端電路、語(yǔ)音電子門(mén)鎖控制器、語(yǔ)音電子門(mén)鎖管理器和紅外開(kāi)啟電路）和普通的電磁門(mén)鎖模塊構成。說(shuō)話(huà)人的聲音通過(guò)麥克風(fēng)進(jìn)入說(shuō)話(huà)人語(yǔ)音信號采集前端電路，由語(yǔ)音電子門(mén)鎖控制器對采集的語(yǔ)音信號進(jìn)行特征化和語(yǔ)音處理，提取說(shuō)話(huà)人的個(gè)性特征，并進(jìn)行存儲，形成說(shuō)話(huà)人特征數據庫。在識別時(shí)，通過(guò)待識別語(yǔ)音與說(shuō)話(huà)人特征數據庫的精確匹配，實(shí)現說(shuō)話(huà)人識別，對門(mén)鎖進(jìn)行控制。在語(yǔ)音電子門(mén)鎖系統中，使用鐵電存儲器（FRAM）FM20L08作為系統的程序和說(shuō)話(huà)人特征數據庫存儲空間。當系統上電時(shí)，由固化在TMS320VC5402內部ROM中的引導裝載（bootloader）程序從FRAM中讀取運行程序代碼到內部的RAM中，實(shí)現語(yǔ)音電子門(mén)鎖系統的脫機獨立運行，同時(shí)，需要實(shí)時(shí)更新的說(shuō)話(huà)人特征數據庫也被保存在FRAM中。

2 FM20L08 FRAM的特點(diǎn)

FRAM是Ramtron公司近年推出的一款掉電不揮發(fā)存儲器，它結合了高性能和低功耗操作，能在沒(méi)有電源的情況下保存數據。FRAM存儲器技術(shù)的核心技術(shù)是鐵電晶體材料。這一特殊材料使得鐵電存儲產(chǎn)品同時(shí)擁有隨機存取存儲器(RAM)和非易失性存儲產(chǎn)品的特性。鐵電晶體材料的工作原理是: 當把電場(chǎng)加到鐵電晶體材料上，晶陣中的中心原子會(huì )沿著(zhù)電場(chǎng)方向運動(dòng)，到達穩定狀態(tài)。晶陣中的每個(gè)自由浮動(dòng)的中心原子只有兩個(gè)穩定狀態(tài)。一個(gè)用來(lái)記憶邏輯中的０，另一個(gè)記憶１。中心原子能在常溫、沒(méi)有電場(chǎng)的情況下停留在此狀態(tài)達一百年以上。鐵電存儲器不需要定時(shí)刷新，能在斷電情況下保存數據。由于在整個(gè)物理過(guò)程中沒(méi)有任何原子碰撞， FRAM擁有高速讀寫(xiě)、超低功耗和無(wú)限次寫(xiě)入等超級特性。

FM20L08是Ramtron公司近年推出的一款存儲容量為128kw8bits FRAM，其主要特點(diǎn)如下：3.0-3.65V單電源供電；并行接口；提供SOIC和DIP兩種封裝；功耗低，靜態(tài)電流小于10μA，讀寫(xiě)電流小于15mA；非揮發(fā)性，掉電后數據能保存10年；讀寫(xiě)無(wú)限次。

FM20L08引腳結構如圖1：
/CE1：片選
CE2：片選
/WE：寫(xiě)使能
/OE：輸出使能
A0-A16：地址端
DQ0-DQ7：數據端
VDD：電源
VSS：地

FM20L08 FRAM與一般的SRAM在使用過(guò)程中有所差別。FM20L08在/CE1為低電平且CE2為高電平時(shí)被選中，每一次訪(fǎng)問(wèn)都必須確保/CE1的由高向低的躍變。由于鐵電存儲器使用的技術(shù)比較特殊，在操作過(guò)程中有預充電過(guò)程。預充電操作是為新訪(fǎng)問(wèn)記憶體的一個(gè)內部條件，所有記憶體周期包括記憶體訪(fǎng)問(wèn)和預充電，預充電是由/CE1引腳為高電平開(kāi)始，它必須保持高電平至少為一特定的最小時(shí)間。

3 語(yǔ)音電子門(mén)鎖系統　

語(yǔ)音電子門(mén)鎖系統主要由語(yǔ)音電子門(mén)鎖控制器、紅外開(kāi)啟電路模塊、語(yǔ)音電子門(mén)鎖管理器和普通電磁鎖組成。
語(yǔ)音電子門(mén)鎖控制器是語(yǔ)音電子門(mén)鎖的處理核心，主要完成語(yǔ)音電子門(mén)鎖的說(shuō)話(huà)人語(yǔ)音特征的提取、存儲以及進(jìn)行說(shuō)話(huà)人識別。語(yǔ)音電子門(mén)鎖控制器主要是由TMS320VC5402、TLC320AD50C、 PS767D318、ISP2032VE和FM20L08等芯片組成。圖2為系統中語(yǔ)音電子門(mén)鎖控制器硬件接口原理圖。

TMS320VC5402是德州儀器公司近年推出的一款性?xún)r(jià)比極高的DSP芯片。它采用改進(jìn)的哈佛結構，程序與數據分開(kāi)存放，內部有8條高度并行性的總線(xiàn)。片上集成有在片的存儲器和外設，以及專(zhuān)門(mén)用途的硬件邏輯，并配備有功能強大的指令系統，使得該系列芯片具有很高的處理速度和廣泛的適應性。再加上采用模塊化設計以及先進(jìn)的集成電路技術(shù)，芯片的功耗小，成本低，在推出之初便受到業(yè)界人士的普遍歡迎。在語(yǔ)音電子門(mén)鎖系統中，TMS320VC5402主要完成說(shuō)話(huà)人語(yǔ)音特征的提取以及用戶(hù)在使用時(shí)的語(yǔ)音特征的比較、確認。

TLC320AD50C是德州儀器公司生產(chǎn)的一個(gè)16位、音頻范圍（采樣頻率為2K～22.05KHZ）、內含抗混疊濾波器和重構濾波器的高性能音頻信號編碼解碼芯片，它有一個(gè)能與DSP芯片相連的同步串行通信接口（SPI）。

TLC320AD50C片內還包括一個(gè)定時(shí)器（調整采樣率和幀同步延時(shí)）和控制器（調整編程放大增益，鎖相環(huán)PLL，主從模式）。TLC320AD50C內部有7個(gè)數據和控制寄存器，其中，用戶(hù)可以通過(guò)操作其中4個(gè)寄存器（寄存器1、寄存器2、寄存器3和寄存器4）編程控制它的工作狀態(tài)。在語(yǔ)音電子門(mén)鎖系統中，TLC320AD50C主要完成語(yǔ)音信號的數字化采樣，并將轉換完的數據傳給DSP進(jìn)行后續處理。

PS767D318也是德州儀器公司生產(chǎn)的電源轉換芯片，其輸入電壓為5V，輸出電壓為1.8V和3.3V，最大輸出電流為1A，帶過(guò)熱保護功能。由于TMS320VC5402是低電壓器件，并且要求兩路供電，所以電路中需要專(zhuān)門(mén)的電源芯片。

ISP2032VE CPLD是LATTICE公司生產(chǎn)的一種低電壓3.3V器件，可用邏輯門(mén)1000個(gè)，可以通過(guò)專(zhuān)用下載線(xiàn)連接到PCB板上的JTAG接口進(jìn)行在線(xiàn)編程。系統中，ISP2032VE CPLD主要完成時(shí)鐘分頻和TMS320VC5402與FM20L08之間的邏輯轉換。

此外，整個(gè)語(yǔ)音電子門(mén)鎖系統還包括紅外開(kāi)啟電路模塊、語(yǔ)音電子門(mén)鎖管理器模塊和普通電磁鎖模塊。

紅外開(kāi)啟電路主要用來(lái)判斷是否有用戶(hù)到來(lái)，同時(shí)啟動(dòng)整個(gè)語(yǔ)音電子門(mén)鎖的電源管理系統；語(yǔ)音電子門(mén)鎖管理器模塊主要由鍵盤(pán)控制電路和系統操作語(yǔ)音提示電路組成，其中，鍵盤(pán)控制電路由用戶(hù)編碼鍵、訓練鍵、刪除鍵、確認鍵和取消鍵等組成，語(yǔ)音電子門(mén)鎖管理者通過(guò)操作管理器完成對樓宇中住戶(hù)信息進(jìn)行日常管理，例如進(jìn)行用戶(hù)初始化訓練（提取說(shuō)話(huà)人語(yǔ)音特征）、增加用戶(hù)和刪除用戶(hù)信息等，系統操作語(yǔ)音提示部分主要由ISD公司的語(yǔ)音芯片ISD4002組成，ISD4002用來(lái)存儲事先錄制好的語(yǔ)音，語(yǔ)音電子門(mén)鎖系統用語(yǔ)音提示門(mén)鎖用戶(hù)和管理員進(jìn)行訓練、識別等各種操作；普通電磁鎖就是一般防盜門(mén)上的電磁鎖，語(yǔ)音電子門(mén)鎖系統如果識別當前說(shuō)話(huà)人的語(yǔ)音特征與說(shuō)話(huà)人特征數據庫中的特征值精確匹配，將給一個(gè)信號驅動(dòng)開(kāi)鎖繼電器，執行開(kāi)啟電磁鎖操作。

4 結束語(yǔ)

基于高性能新型鐵電存儲器FM20L08組成程序存儲部分和說(shuō)話(huà)人特征數據部分的新型語(yǔ)音電子門(mén)鎖系統工作穩定、性能良好。同時(shí)，經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間的改進(jìn)和住宅小區的實(shí)際考驗，與虹膜、指紋和人臉等技術(shù)的門(mén)鎖相比，語(yǔ)音電子門(mén)鎖具有成本低、適用范圍廣、控制容易的優(yōu)點(diǎn)。