鐵電存儲器在新型語音電子門鎖系統(tǒng)中的應(yīng)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，重點闡述了一種基于FM20L08組成程序存儲部分和說話人特征數(shù)據(jù)部分的新型語音電子門鎖系統(tǒng)。應(yīng)用結(jié)果表明，該語音電子門鎖系統(tǒng)具有成本低、適用范圍廣、控制容易的優(yōu)點。

    關(guān)鍵詞：鐵電存儲器；數(shù)字信號處理器；語音電子門鎖

    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(rèn)證的一種技術(shù)，它認(rèn)定的是人本身，由于每個人的生物特征具有與其他人不同的唯一性和在一定時期內(nèi)不變的穩(wěn)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(rèn)定，安全、可靠、準(zhǔn)確。

    說話人識別技術(shù)是生物識別技術(shù)的一種，人的聲音具有唯一性，依靠聲音來識別準(zhǔn)確可靠。語音電子門鎖就是利用了生物特征中的聲音特征對說話人進(jìn)行識別，主要是由說話人識別模塊（包括語音信號采集前端電路、語音電子門鎖控制器、語音電子門鎖管理器和紅外開啟電路）和普通的電磁門鎖模塊構(gòu)成。說話人的聲音通過麥克風(fēng)進(jìn)入說話人語音信號采集前端電路，由語音電子門鎖控制器對采集的語音信號進(jìn)行特征化和語音處理，提取說話人的個性特征，并進(jìn)行存儲，形成說話人特征數(shù)據(jù)庫。在識別時，通過待識別語音與說話人特征數(shù)據(jù)庫的精確匹配，實現(xiàn)說話人識別，對門鎖進(jìn)行控制。在語音電子門鎖系統(tǒng)中，使用鐵電存儲器（FRAM）FM20L08作為系統(tǒng)的程序和說話人特征數(shù)據(jù)庫存儲空間。當(dāng)系統(tǒng)上電時，由固化在TMS320VC5402內(nèi)部ROM中的引導(dǎo)裝載（bootloader）程序從FRAM中讀取運行程序代碼到內(nèi)部的RAM中，實現(xiàn)語音電子門鎖系統(tǒng)的脫機(jī)獨立運行，同時，需要實時更新的說話人特征數(shù)據(jù)庫也被保存在FRAM中。

    2  FM20L08  FRAM的特點

     FRAM是Ramtron公司近年推出的一款掉電不揮發(fā)存儲器，它結(jié)合了高性能和低功耗操作，能在沒有電源的情況下保存數(shù)據(jù)。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)品同時擁有隨機(jī)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(dāng)把電場加到鐵電晶體材料上，晶陣中的中心原子會沿著電場方向運動，到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)。晶陣中的每個自由浮動的中心原子只有兩個穩(wěn)定狀態(tài)。一個用來記憶邏輯中的０，另一個記憶１。中心原子能在常溫、沒有電場的情況下停留在此狀態(tài)達(dá)一百年以上。鐵電存儲器不需要定時刷新，能在斷電情況下保存數(shù)據(jù)。由于在整個物理過程中沒有任何原子碰撞， FRAM擁有高速讀寫、超低功耗和無限次寫入等超級特性。

    FM20L08是Ramtron公司近年推出的一款存儲容量為128k╳8bits  FRAM，其主要特點如下：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，讀寫電流小于15mA；非揮發(fā)性，掉電后數(shù)據(jù)能保存10年；讀寫無限次。

    FM20L08引腳結(jié)構(gòu)如圖1：
    /CE1：片選
    CE2：片選
    /WE：寫使能
    /OE：輸出使能
    A0-A16：地址端
    DQ0-DQ7：數(shù)據(jù)端
    VDD：電源
    VSS：地

    FM20L08 FRAM與一般的SRAM在使用過程中有所差別。FM20L08在/CE1為低電平且CE2為高電平時被選中，每一次訪問都必須確保/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，在操作過程中有預(yù)充電過程。預(yù)充電操作是為新訪問記憶體的一個內(nèi)部條件，所有記憶體周期包括記憶體訪問和預(yù)充電，預(yù)充電是由/CE1引腳為高電平開始，它必須保持高電平至少為一特定的最小時間。

    3  語音電子門鎖系統(tǒng)　

    語音電子門鎖系統(tǒng)主要由語音電子門鎖控制器、紅外開啟電路模塊、語音電子門鎖管理器和普通電磁鎖組成。
語音電子門鎖控制器是語音電子門鎖的處理核心，主要完成語音電子門鎖的說話人語音特征的提取、存儲以及進(jìn)行說話人識別。語音電子門鎖控制器主要是由TMS320VC5402、TLC320AD50C、 PS767D318、ISP2032VE和FM20L08等芯片組成。圖2為系統(tǒng)中語音電子門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價比極高的DSP芯片。它采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，程序與數(shù)據(jù)分開存放，內(nèi)部有8條高度并行性的總線。片上集成有在片的存儲器和外設(shè)，以及專門用途的硬件邏輯，并配備有功能強(qiáng)大的指令系統(tǒng)，使得該系列芯片具有很高的處理速度和廣泛的適應(yīng)性。再加上采用模塊化設(shè)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。在語音電子門鎖系統(tǒng)中，TMS320VC5402主要完成說話人語音特征的提取以及用戶在使用時的語音特征的比較、確認(rèn)。

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

    TLC320AD50C片內(nèi)還包括一個定時器（調(diào)整采樣率和幀同步延時）和控制器（調(diào)整編程放大增益，鎖相環(huán)PLL，主從模式）。TLC320AD50C內(nèi)部有7個數(shù)據(jù)和控制寄存器，其中，用戶可以通過操作其中4個寄存器（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)。在語音電子門鎖系統(tǒng)中，TLC320AD50C主要完成語音信號的數(shù)字化采樣，并將轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)傳給DSP進(jìn)行后續(xù)處理。

    PS767D318也是德州儀器公司生產(chǎn)的電源轉(zhuǎn)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，帶過熱保護(hù)功能。由于TMS320VC5402是低電壓器件，并且要求兩路供電，所以電路中需要專門的電源芯片。

    ISP2032VE CPLD是LATTICE公司生產(chǎn)的一種低電壓3.3V器件，可用邏輯門1000個，可以通過專用下載線連接到PCB板上的JTAG接口進(jìn)行在線編程。系統(tǒng)中，ISP2032VE CPLD主要完成時鐘分頻和TMS320VC5402與FM20L08之間的邏輯轉(zhuǎn)換。

    此外，整個語音電子門鎖系統(tǒng)還包括紅外開啟電路模塊、語音電子門鎖管理器模塊和普通電磁鎖模塊。

    紅外開啟電路主要用來判斷是否有用戶到來，同時啟動整個語音電子門鎖的電源管理系統(tǒng)；語音電子門鎖管理器模塊主要由鍵盤控制電路和系統(tǒng)操作語音提示電路組成，其中，鍵盤控制電路由用戶編碼鍵、訓(xùn)練鍵、刪除鍵、確認(rèn)鍵和取消鍵等組成，語音電子門鎖管理者通過操作管理器完成對樓宇中住戶信息進(jìn)行日常管理，例如進(jìn)行用戶初始化訓(xùn)練（提取說話人語音特征）、增加用戶和刪除用戶信息等，系統(tǒng)操作語音提示部分主要由ISD公司的語音芯片ISD4002組成，ISD4002用來存儲事先錄制好的語音，語音電子門鎖系統(tǒng)用語音提示門鎖用戶和管理員進(jìn)行訓(xùn)練、識別等各種操作；普通電磁鎖就是一般防盜門上的電磁鎖，語音電子門鎖系統(tǒng)如果識別當(dāng)前說話人的語音特征與說話人特征數(shù)據(jù)庫中的特征值精確匹配，將給一個信號驅(qū)動開鎖繼電器，執(zhí)行開啟電磁鎖操作。

    4  結(jié)束語

    基于高性能新型鐵電存儲器FM20L08組成程序存儲部分和說話人特征數(shù)據(jù)部分的新型語音電子門鎖系統(tǒng)工作穩(wěn)定、性能良好。同時，經(jīng)過長時間的改進(jìn)和住宅小區(qū)的實際考驗，與虹膜、指紋和人臉等技術(shù)的門鎖相比，語音電子門鎖具有成本低、適用范圍廣、控制容易的優(yōu)點。