铁电存储器在新型语音电子门锁系统中的应用

作者Email:  zk197911@yahoo.com.cn

    摘  要：本文介绍了Ramtron公司生产的一种新型铁电存储器FM20L08，重点阐述了一种基于FM20L08组成程序存储部分和说话人特征数据部分的新型语音电子门锁系统。应用结果表明，该语音电子门锁系统具有成本低、适用范围广、控制容易的优点。

    关键词：铁电存储器；数字信号处理器；语音电子门锁

    1 引  言

    生物识别技术是目前最为方便与安全的识别技术。生物识别技术是利用人体生物特征进行身份认证的一种技术，它认定的是人本身，由于每个人的生物特征具有与其他人不同的唯一性和在一定时期内不变的稳定性，不易伪造和假冒，所以利用生物识别技术进行身份认定，安全、可靠、准确。

    说话人识别技术是生物识别技术的一种，人的声音具有唯一性，依靠声音来识别准确可靠。语音电子门锁就是利用了生物特征中的声音特征对说话人进行识别，主要是由说话人识别模块（包括语音信号采集前端电路、语音电子门锁控制器、语音电子门锁管理器和红外开启电路）和普通的电磁门锁模块构成。说话人的声音通过麦克风进入说话人语音信号采集前端电路，由语音电子门锁控制器对采集的语音信号进行特征化和语音处理，提取说话人的个性特征，并进行存储，形成说话人特征数据库。在识别时，通过待识别语音与说话人特征数据库的精确匹配，实现说话人识别，对门锁进行控制。在语音电子门锁系统中，使用铁电存储器（FRAM）FM20L08作为系统的程序和说话人特征数据库存储空间。当系统上电时，由固化在TMS320VC5402内部ROM中的引导装载（bootloader）程序从FRAM中读取运行程序代码到内部的RAM中，实现语音电子门锁系统的脱机独立运行，同时，需要实时更新的说话人特征数据库也被保存在FRAM中。

    2  FM20L08  FRAM的特点

     FRAM是Ramtron公司近年推出的一款掉电不挥发存储器，它结合了高性能和低功耗操作，能在没有电源的情况下保存数据。FRAM存储器技术的核心技术是铁电晶体材料。这一特殊材料使得铁电存储产品同时拥有随机存取存储器(RAM)和非易失性存储产品的特性。铁电晶体材料的工作原理是: 当把电场加到铁电晶体材料上，晶阵中的中心原子会沿着电场方向运动，到达稳定状态。晶阵中的每个自由浮动的中心原子只有两个稳定状态。一个用来记忆逻辑中的０，另一个记忆１。中心原子能在常温、没有电场的情况下停留在此状态达一百年以上。铁电存储器不需要定时刷新，能在断电情况下保存数据。由于在整个物理过程中没有任何原子碰撞， FRAM拥有高速读写、超低功耗和无限次写入等超级特性。

    FM20L08是Ramtron公司近年推出的一款存储容量为128k╳8bits  FRAM，其主要特点如下：3.0-3.65V单电源供电；并行接口；提供SOIC和DIP两种封装；功耗低，静态电流小于10μA，读写电流小于15mA；非挥发性，掉电后数据能保存10年；读写无限次。

    FM20L08引脚结构如图1：
    /CE1：片选
    CE2：片选
    /WE：写使能
    /OE：输出使能
    A0-A16：地址端
    DQ0-DQ7：数据端
    VDD：电源
    VSS：地

    FM20L08 FRAM与一般的SRAM在使用过程中有所差别。FM20L08在/CE1为低电平且CE2为高电平时被选中，每一次访问都必须确保/CE1的由高向低的跃变。由于铁电存储器使用的技术比较特殊，在操作过程中有预充电过程。预充电操作是为新访问记忆体的一个内部条件，所有记忆体周期包括记忆体访问和预充电，预充电是由/CE1引脚为高电平开始，它必须保持高电平至少为一特定的最小时间。

    3  语音电子门锁系统　

    语音电子门锁系统主要由语音电子门锁控制器、红外开启电路模块、语音电子门锁管理器和普通电磁锁组成。
语音电子门锁控制器是语音电子门锁的处理核心，主要完成语音电子门锁的说话人语音特征的提取、存储以及进行说话人识别。语音电子门锁控制器主要是由TMS320VC5402、TLC320AD50C、 PS767D318、ISP2032VE和FM20L08等芯片组成。图2为系统中语音电子门锁控制器硬件接口原理图。

    TMS320VC5402是德州仪器公司近年推出的一款性价比极高的DSP芯片。它采用改进的哈佛结构，程序与数据分开存放，内部有8条高度并行性的总线。片上集成有在片的存储器和外设，以及专门用途的硬件逻辑，并配备有功能强大的指令系统，使得该系列芯片具有很高的处理速度和广泛的适应性。再加上采用模块化设计以及先进的集成电路技术，芯片的功耗小，成本低，在推出之初便受到业界人士的普遍欢迎。在语音电子门锁系统中，TMS320VC5402主要完成说话人语音特征的提取以及用户在使用时的语音特征的比较、确认。

    TLC320AD50C是德州仪器公司生产的一个16位、音频范围（采样频率为2K～22.05KHZ）、内含抗混叠滤波器和重构滤波器的高性能音频信号编码解码芯片，它有一个能与DSP芯片相连的同步串行通信接口（SPI）。

    TLC320AD50C片内还包括一个定时器（调整采样率和帧同步延时）和控制器（调整编程放大增益，锁相环PLL，主从模式）。TLC320AD50C内部有7个数据和控制寄存器，其中，用户可以通过操作其中4个寄存器（寄存器1、寄存器2、寄存器3和寄存器4）编程控制它的工作状态。在语音电子门锁系统中，TLC320AD50C主要完成语音信号的数字化采样，并将转换完的数据传给DSP进行后续处理。

    PS767D318也是德州仪器公司生产的电源转换芯片，其输入电压为5V，输出电压为1.8V和3.3V，最大输出电流为1A，带过热保护功能。由于TMS320VC5402是低电压器件，并且要求两路供电，所以电路中需要专门的电源芯片。

    ISP2032VE CPLD是LATTICE公司生产的一种低电压3.3V器件，可用逻辑门1000个，可以通过专用下载线连接到PCB板上的JTAG接口进行在线编程。系统中，ISP2032VE CPLD主要完成时钟分频和TMS320VC5402与FM20L08之间的逻辑转换。

    此外，整个语音电子门锁系统还包括红外开启电路模块、语音电子门锁管理器模块和普通电磁锁模块。

    红外开启电路主要用来判断是否有用户到来，同时启动整个语音电子门锁的电源管理系统；语音电子门锁管理器模块主要由键盘控制电路和系统操作语音提示电路组成，其中，键盘控制电路由用户编码键、训练键、删除键、确认键和取消键等组成，语音电子门锁管理者通过操作管理器完成对楼宇中住户信息进行日常管理，例如进行用户初始化训练（提取说话人语音特征）、增加用户和删除用户信息等，系统操作语音提示部分主要由ISD公司的语音芯片ISD4002组成，ISD4002用来存储事先录制好的语音，语音电子门锁系统用语音提示门锁用户和管理员进行训练、识别等各种操作；普通电磁锁就是一般防盗门上的电磁锁，语音电子门锁系统如果识别当前说话人的语音特征与说话人特征数据库中的特征值精确匹配，将给一个信号驱动开锁继电器，执行开启电磁锁操作。

    4  结束语

    基于高性能新型铁电存储器FM20L08组成程序存储部分和说话人特征数据部分的新型语音电子门锁系统工作稳定、性能良好。同时，经过长时间的改进和住宅小区的实际考验，与虹膜、指纹和人脸等技术的门锁相比，语音电子门锁具有成本低、适用范围广、控制容易的优点。