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鐵電存儲器在新型語音電子門鎖系統中的應用
摘 要：本文介紹了Ramtron公司生產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據部分的新型語音電子門鎖系統。應用結果表明，該語音電子門鎖系統具有成本低、適用范圍廣、控制容易的優點。關鍵詞：鐵電存儲器；數字信號處理器；語音電子門鎖
1 引 言
生物識別技術是目前最為方便與安全的識別技術。生物識別技術是利用人體生物特征進行身份認證的一種技術，它認定的是人本身，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不變的穩定性，不易偽造和假冒，所以利用生物識別技術進行身份認定，安全、可靠、準確。
說話人識別技術是生物識別技術的一種，人的聲音具有唯一性，依靠聲音來識別準確可靠。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成。說話人的聲音通過麥克風進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行特征化和語音處理，提取說話人的個性特征，并進行存儲，形成說話人特征數據庫。在識別時，通過待識別語音與說話人特征數據庫的精確匹配，實現說話人識別，對門鎖進行控制。在語音電子門鎖系統中，使用鐵電存儲器（FRAM）FM20L08作為系統的程序和說話人特征數據庫存儲空間。當系統上電時，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，實現語音電子門鎖系統的脫機獨立運行，同時，需要實時更新的說話人特征數據庫也被保存在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存儲器，它結合了高性能和低功耗操作，能在沒有電源的情況下保存數據。FRAM存儲器技術的核心技術是鐵電晶體材料。這一特殊材料使得鐵電存儲產品同時擁有隨機存取存儲器(RAM)和非易失性存儲產品的特性。鐵電晶體材料的工作原理是: 當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，到達穩定狀態。晶陣中的每個自由浮動的中心原子只有兩個穩定狀態。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達一百年以上。鐵電存儲器不需要定時刷新，能在斷電情況下保存數據。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，靜態電流小于10μA，讀寫電流小于15mA；非揮發性，掉電后數據能保存10年；讀寫無限次。
FM20L08引腳結構如圖1：
/CE1：片選
CE2：片選
/WE：寫使能
/OE：輸出使能
A0-A16：地址端
DQ0-DQ7：數據端
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比較特殊，在操作過程中有預充電過程。預充電操作是為新訪問記憶體的一個內部條件，所有記憶體周期包括記憶體訪問和預充電，預充電是由/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
語音電子門鎖系統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。它采用改進的哈佛結構，程序與數據分開存放，內部有8條高度并行性的總線。片上集成有在片的存儲器和外設，以及專門用途的硬件邏輯，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的集成電路技術，芯片的功耗小，成本低，在推出之初便受到業界人士的普遍歡迎。在語音電子門鎖系統中，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。
TLC320AD50C是德州儀器公司生產的一個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片內還包括一個定時器（調整采樣率和幀同步延時）和控制器（調整編程放大增益，鎖相環PLL，主從模式）。TLC320AD50C內部有7個數據和控制寄存器，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。在語音電子門鎖系統中，TLC320AD50C主要完成語音信號的數字化采樣，并將轉換完的數據傳給DSP進行后續處理。
PS767D318也是德州儀器公司生產的電源轉換芯片，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，所以電路中需要專門的電源芯片。
ISP2032VE CPLD是LATTICE公司生產的一種低電壓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
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