鐵電存儲(chǔ)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(chǔ)器FM20L08，重點(diǎn)闡述了一種基于FM20L08組成程序存儲(chǔ)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(diǎn)。

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

1 引 言

生物識(shí)別技術(shù)是目前最為方便與安全的識(shí)別技術(shù)。生物識(shí)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(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(nèi)不變的穩(wěn)定性，不易偽造和假冒，所以利用生物識(shí)別技術(shù)進(jìn)行身份認(rèn)定，安全、可靠、準(zhǔn)確。

說話人識(shí)別技術(shù)是生物識(shí)別技術(shù)的一種，人的聲音具有唯一性，依靠聲音來識(shí)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(duì)說話人進(jìn)行識(shí)別，主要是由說話人識(shí)別模塊（包括語音信號(hào)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(hào)采集前端電路，由語音電子門鎖控制器對(duì)采集的語音信號(hào)進(jìn)行特征化和語音處理，提取說話人的個(gè)性特征，并進(jìn)行存儲(chǔ)，形成說話人特征數(shù)據(jù)庫(kù)。在識(shí)別時(shí)，通過待識(shí)別語音與說話人特征數(shù)據(jù)庫(kù)的精確匹配，實(shí)現(xiàn)說話人識(shí)別，對(duì)門鎖進(jìn)行控制。在語音電子門鎖系統(tǒng)中，使用鐵電存儲(chǔ)器（FRAM）FM20L08作為系統(tǒng)的程序和說話人特征數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)空間。當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，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(yùn)行程序代碼到內(nèi)部的RAM中，實(shí)現(xiàn)語音電子門鎖系統(tǒng)的脫機(jī)獨(dú)立運(yùn)行，同時(shí)，需要實(shí)時(shí)更新的說話人特征數(shù)據(jù)庫(kù)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)產(chǎn)品同時(shí)擁有隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)和非易失性存儲(chǔ)產(chǎn)品的特性。鐵電晶體材料的工作原理是: 當(dāng)把電場(chǎng)加到鐵電晶體材料上，晶陣中的中心原子會(huì)沿著電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)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(wěn)定狀態(tài)。一個(gè)用來記憶邏輯中的０，另一個(gè)記憶１。中心原子能在常溫、沒有電場(chǎng)的情況下停留在此狀態(tài)達(dá)一百年以上。鐵電存儲(chǔ)器不需要定時(shí)刷新，能在斷電情況下保存數(shù)據(jù)。由于在整個(gè)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(jí)特性。

FM20L08是Ramtron公司近年推出的一款存儲(chǔ)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(shí)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(chǔ)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(gè)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(shí)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(chǔ)以及進(jìn)行說話人識(shí)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(jià)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(chǔ)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(jì)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(shí)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(gè)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(hào)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(nèi)還包括一個(gè)定時(shí)器（調(diào)整采樣率和幀同步延時(shí)）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(gè)數(shù)據(jù)和控制寄存器，其中，用戶可以通過操作其中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)。在語音電子門鎖系統(tǒng)中，TLC320AD50C主要完成語音信號(hào)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(gè)，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(shí)鐘分頻和TMS320VC5402與FM20L08之間的邏輯轉(zhuǎn)換。

此外，整個(gè)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(shí)啟動(dòng)整個(gè)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(duì)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(chǔ)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(shí)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(shí)別當(dāng)前說話人的語音特征與說話人特征數(shù)據(jù)庫(kù)中的特征值精確匹配，將給一個(gè)信號(hào)驅(qū)動(dòng)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(chǔ)器FM20L08組成程序存儲(chǔ)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(shí)，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的改進(jìn)和住宅小區(qū)的實(shí)際考驗(yàn)，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(diǎn)。