基于16位单片机的语音电子门锁系统（整理5篇）由网友“我的树洞”投稿提供，下面是小编给大家带来的基于16位单片机的语音电子门锁系统，以供大家参考，我们一起来看看吧!
篇1：基于16位单片机的语音电子门锁系统
基于16位单片机的语音电子门锁系统
摘要：介绍采用声纹识别技术、在凌阳SPCE061A单片机上实现的一种语音电子门锁身份认证系统。实验结果表明，系统性能稳定，识别效果好，可以推广使用。
关键词：声纹识别 基于周期 线性预测 模式匹配 DTW
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，是目前公认的最为方便与安全的识别技术。由于每个人的生物特征具有与其他人不同的唯一和在一定时期内不变的稳定性，不易伪造和假冒，所以利用牲识别和技术进行身份认证，安全、准确、可靠。
在生物识别领域中，声纹识别，也称为说话人识别，以其独特的方便性、经济性和准确性等优势受到世人瞩目，并且益成为人们日常生活和工作中重要且普遍的安全认证方式。声纹识别是一种根据说话人语音波形中反映说话人生理和行为特征的语音参数，自动识别说明人身份的技术。
声纹识技术可分为两类，即说话人辨认和说话人确认。前者用以判断某段语音是若干人中的哪一个所说的，是多选一的问题；而后者用以确认某段语音是若干人中的哪一个所说的，是多选一的问题；而后者用以确认某段语音是否是指定的某个人所说的，是一对一判别的问题。从另一方面，声纹识别又有与文本有关和与文本无关两种，根据特定的任务和应用，应用范围不同。与文本有关的声纹识别系统要求用户按照规定的内容发音，每个人的声纹模型逐个被精确地建立，而识别时也必须按规定的内容发音，因此可以达到较好的识别效果；而与文本无关的识别系统则不规定说话人的发音内容，模型建立相对困难，但用户使用方便，应用范围较宽。
本文介绍的语音电子门锁是一种在凌阳16位单片机SPCE061A上实现的与文本有关的说话人确认系统。该系统主要由说话人识别模块、门锁控制电机以及门锁等部分组成。在训练时，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，由语音信号处理电路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参数并进行存储，形成说话人特征参数数据库。在识别时，将待识别语音与说话人特征参数数据库进行匹配，通过输出电路控制门锁电机，最终实现对门锁的控制。
1 算法原理
说话人识别算法原理框图如图1所示。
1.1 预处理
（1）去噪
对麦克风输入的模拟语音信号进行量化和采样，获得数字化的语音信号；再将含噪的语音信号通过去噪处理，得到干净的语音信号后并通过预加重技术滤除低频干扰，尤其是50Hz或60Hz的工频干扰，提升语音信号的高频部分，而且它还可以起到消除直流漂移、抑制随机噪声和提升清音部分能量的作用。
（2）端点检测
本系统采用语音信号的短时能量和短时过零率进行端点检测。语音信号的采样频率为8kHz，每帧数据为20ms，共计160个采样点。每隔20ms计算一次短时能量和短时过零率。通过对语音信号的短时能量和短时过零率检测可以剔除掉静默帧、白噪声帧和清音帧，最后保留对求取基音、LPCC等特征参数非常有用的浊音信号。
1．2 特征提取
在语音信号预处理后，接着是特征参数的提取。特征提取的任务就是提取语音信号中表征人的基本特征。
1．2．1 特征参数的选取
特征必须能够有效地区分不同的说话人，且对同一说话人的变化保持相对稳定，同时要求特征参数计算简便，最好有高效快速算法，以保证识别的实时性。
说话人特征大体可归为下述几类：
（1）基于发声器官如声门、声道和鼻腔的生理结构而提取的参数。如谱包络、基音、共振峰等。其中基音能够很好地刻画说话人的声带特征，在很大程度上反映了人的个性特征。
（2）基于声道特征模型，通过线性预测分析得到的参数。包括线性预测系数（LPC）以及由线性预测导出的各种参数，如线性预测倒谱系数（LPCC）、部分相关系数、反射系数、对数面积比、LSP线谱对、线性预测残差等。根据前人的工作成果和实际测试比较，LPCC参数不但能较好地反馈声道的共振峰特性，具有较好地识别效果，而且可以用比较简单的运算和较快的速度求得。
（3）基于人耳的听觉机理，反映听觉特性，模拟人耳对声音频率感知的特征参数。如美国尔倒谱系数（MFCC）等。MFCC参数与基于线性预测的倒谱分析相比，突出的优点是不依赖全极点语音产生模型的假定，在与广西无关的说话人识别系统中MFCC参数能够比LPCC参数更好地提高系统的识别性能。
此外，人们还通过对不同特征参数量的组合来提高实际系统的性能。当各组合参量间相关性不大时，会有较好的效果，因为它们分别反映了语音信号的不同特征。
在计算机平台的仿真实验中，通过各种参数的实际比较，采用MFCC参数比采用LPCC参数有更好的识别效果。但在SPCE061A平台上做实时处理时，与LPCC系统相比，MFCC系数计算有两个缺点：一是计算时间长；二是精度难以保证。由于MFCC系统的计算需要FFT变换和对数操作，影响了计算的动态范围；要保证系统识别的实时性，就只有牺牲参数精度。而LPCC参数的计算有递推公式，速度和精度都可以保证，识别效果也满足实际需要。
本系统采用了基音周期和线性预测倒谱系数（LPCC）共同作为说话人识别的特征参数。
1．2．2 LPCC参数的提取
基于线性预测分析的倒谱参数LPCC可以通过简单的递推公式由线性预测系数求得。递推公式如下：
其中p为LPC模型的阶数，也是模型的极点个数。
（1）LPC模型阶数p的确定
为使模型假定更好地符合语音产生模型，应该使LPC模型的阶数p与共振峰个数相吻合，其次是考虑声门脉冲形状和口唇辐射影响的补偿。通常一对极点对应一个共振峰，10kHz采样的语音信号通常有5个共振峰，取p=10，对于8kHz采样的语音信号可取p=8。此外为了弥补鼻音中存在的零点以及其他因素引起的偏差，通常在上述阶数的基础上再增加两个极点，即分别是p=12和p10。实验表明，选择LPC分析阶数p=12，对绝大多数语音信号的声道模型可以足够近似地逼近。P值选得过大虽然可以略微改善逼近效果，但也带来一些负作用，一方面是加大了计算量，另一方面有可能增添一些不必要的细节。
（2）线性预测系数的求取
自相关解法主要有杜宾（Durbin）算法、格型（Lattice）算法和舒尔（Schur）算法等几种递推算法。其中在杜宾算法是目前最常用的算法，而且在求取LPC系数时计算量也量小，本系统采用该递推算法。
1．2．3 基音参数的提取
基音估计的方法很多，主要有基于短时自相关函数和基于短时平均幅度差函数（AMDF）等基音估计方法。
（1）基于短时自相关函数的基音估计
短时自相关函数在基音周期的整数倍位置存在较大的峰值，只要找出第一最大峰值的位置就可以估计出基音周期。
（2）基于短时平均幅度差函数（AMDF）的基音估计
基于短时平均幅度差函数（AMDF）在基音周期的整数倍位置存在较大的谷值，找到第一最大谷值的位置就可以估计出基音周期。这种方法的缺点是当语音信号的幅度快速变化时，AMFD函数的谷值深度会减小，从而影响基音估计的精度。
实际上第一最大峰（谷）值点的位置有时并不能与基音周期吻合，第一最大峰（谷）值点的位置与短时窗的长度有关且会受到共振峰的干扰。一般窗长至少应大于两个基音周期，才可能获得较好的估计效果。语音中最长基音周期值约为20ms，本系统在估计基音周期时窗长选择40ms。为了减小共振峰的影响，首先对语音进行频率范围为[60,900]Hz的带通滤波。因为最高基音频率为450Hz，所以将上限频率设为900Hz可以保留语音的一、二次谐波，下降频率为60Hz是为了滤除50Hz的电源干扰。
以上两种方法都是对语音信号本身求相应的函数。本系统采用的基音估计方法是：首先对带通滤波后的短时语音信号进行线性预测，求取预测残差；再对残差信号求自相关函数，找出第一最大峰值点的位置，即得到该段语音的基音估计值。实验表明，通过残差求取的基音轨迹比直接通过语音求取的基音轨迹效果更好，如图2所示。图2中横坐标为语音帧数，纵坐标为8000/f，其中f为基音频率。
1．3 模式匹配
目前针对各种特征参数提出的模式匹配方法的研究越来越深入。典型的方法有：矢量量化方法、高斯混合模型方法、隐马尔可夫模型方法、动态时间规整（DTW）方法和人工神经网络方法。
这些方法都有各自的优点和缺点。其中DTW算法对于较长语音的识别，模板匹配运算量太大，但对短语音（有效语音长度低于3s）的识别既简单又有效，而且并不比其他方法识别率低，特别适用于短语音、与文本有关的说话人识别系统。本系统采用端点松驰两点的（DTW）算法，端点松驰引起的计算量增加并不大，还可以放松对端点检测的精度要求。
动态时间规整（DTW）算法基于动态规划的思想，解决了说话人不同时期发音长短、语速不一样的匹配问题。DTW算法用于计算两个长度不同的模板之间的相似程度，用失真距离表示。假设测试模板和参考模板分别用T和R表示，按时间顺序含有N帧和M帧的语音参数（本系统为12维LPCC参数），失真距离越小，表示T、R越接近。把测试模板的.各个帧号n=1～N在一个二维直角坐标系中的横轴上标出，把参考模板的各帧号m=1～M在纵轴上标出，如图3所示。通过这些表示帧号的整数坐标画出纵横线即形成网络，网格中的每一个交叉点（n,m）表示测试模板中某一帧与参考模式中某一帧的交会点，对应两个向量的欧氏距离。DTW算法可以归结为寻找一条通过此网格中若干交叉点的路径，使得该路径上节点的距离和（即失真距离）为最小。对于端点松弛的情况，路径搜索原理相同，只是增加了搜索路径。
2 硬件系统
语音电子门锁系统的核心是说话人识别模块。包括按键输入、语音信号采集、语音信号处理、FLASH存储扩展、扬声器输出、控制输出以及LCD模组等。说话人识别模型的原理框图如图4所示。其核心为语音信号处理，本系统选用特别适用于数字语音识别领域的凌阳16位单片机SPCE061A，并通过SPCE061A实现对其他各组成部分的编程控制。
SPCE061A是凌阳公司开发的一种性价比非常高的16位单片机。在2.6V～3.6V工作电压范围内，工作频率范围为0.32MHz～49.152Mhz，较高的处理速度使其能够非常容易、快速地处理复杂的数字信号；中断系统支持10个中断向量以及14个可来自系统时钟、定时器/计数器、时间基准发生器、外部中断、键唤醒、通用异步串行通信及软件中断的中断源，非常适合实时应用领域；内嵌2K字的SRAM和32K字的FLASH，具有32位可编程的多功能I/O端口；包含有7通道10位通用A/D转换器和内置麦克风放大器与自动增益控制AGC功能的单通道声音A/D转换器，以及具有音频输出功能的双通道10位D/A转换器；SPCE061A采用CMOS制造工艺，同时增加了软件激发的弱振方式、空闲方式和掉电方式，系统处于备用状态下（时钟处于停止状态），耗电仅为2μA3.6V，极大地降低了其功耗；另外，μ’nSPTM的指令系统还提供具有较高运算速度的16位×16位的乘法运算指令和内积运算指令,为其应用增添了DSP功能,在复杂的数字信号处理方面既非常便利,又比专用的DSP芯片便宜得多.
说话人识别模块各组成部分完成的功能如下：
（1）按键输入部分：共有数字键、训练键、删除键、确认键和取消键等16个按键，用于密码输入和工作模式选择。采用4×4矩阵式键盘输入，只使用具有键唤醒功能IOA的低8位，可以合理利用硬件资源，且编程灵活。
（2）语音信号采集部分：通过SPCE061A内置麦克风放大器与自动增益控制AGC功能的单通道声音A/D转换器完成8kHz语音信号采集。
（3）FLASH存储扩展部分：用于存储说话人的个性特征参数参考模板。
（4）扬声器输出部分：通过SPCE061A具有音频输出功能的双通道10位D/A转换器完成用户训练、识别等各种操作的语音提示。
（5）控制输出部分：通过SPCE061A的可编程I/O口控制门锁控制电机。
（6）LCD模组部分：用以显示系统的工作状态，该部分根据成本和实际需要可选。
（7）SPCE061A：说话人的语音信号处理以及各部分的编程控制均由SPCE061A完成。
说话人识别模块有三种工作模式：训练模式、认证模式和密码模式，这三种模式都可通过工作模式按键选择。
（1）训练模式，说话人的声音通过麦克风进入语音信号采集前端电路。第一次语音输入时，由16位单片机SPCE061A对采集的语音信号进行处理，提取说话人的个性特征参数，并存储到外扩的FLASH内，形成说话人特征参数模板。可以进行三次训练，第二语音输入时，提取的个数特征参数与由第一次语音输入形成的特征参数模板进行匹配，在匹配距离小于模板更新阈值时，将说话人特征参数模板更新为两次特征参数的平均值。第三次语音输入时，提取的个性特征参数与由第一、二次语音输入形成的特征参数模板进行匹配，在匹配距离小于模板更新阈值时，将说话人特征参数模板更新为三次特征参数的平均值，形成最后的该说话人的特征参数模板。
（2）认证模式，同样通过麦克风录入说话人的声音，再由SPCE061A对采集的语音信号进行处理，将提取的说话人特征参数与存储在外扩FLASH内的特征参数模板进行匹配，匹配距离小于认证阈值时，通过认证；然后再判断匹配距离是否小于认证模式下的模板更新阈值，决定是否对模板进行更新。
（3）密码工作模式，在说话人感冒或其他使其声音发生暂时改变的情况下，可以采用长密码方式进行认证，以免因为非常原因被拒之门外。
另外，每个用户都有一个短密码（用户可自行修改），无论在训练模式还是认证模式都要输入此密码，以形成或找到与该用户相对应的特征参数模板。系统还设置一个具有长密码的超级管理员用户，可以通过键盘对用户模板进行添加或删除。
3 实验结果
对于说话人确认系统，表征其性能的最重要的两个参量是拒识率和误识率。前者是拒绝真实的说话人而造成的错误，后者是接受假冒者而造成的错误，二者与匹配阈值的设定相关。匹配阈值的设定与语音锁系统的应用场合、功能侧重有关，对于家庭、宾馆等门锁用户，要求误识率尽可能低，甚至为零；若用于公司员工考勤等同类功能，就不能有太高的拒识率。表1是对以下每种情况各进行100次实时匹配的结果，其中设定的阈值适合门锁用户。
表1 100次实时匹配结果
| 发音分类 次数 | 同一个人相同发音 | 同一个人相似发音 | 同一个人不同发音 | 不同人相同 发音 | 不同人相似 发音 | 不同人不同 发音 |
| 拒绝次数 | 8 | 85 | 100 | 100 | 100 | 100 |
| 接受次数 | 92 | 15 | 0 | 0 | 0 | 0 |
由以上实验结果可知，对于同一个人相同发送的拒识率为8%；对于同一个人相似发音情况，因为系统是对说话的人进行判别，对于这种情况，无论拒绝或接受都是合理的；对于同一个人不同发音和不同人发音的情况，误识率为零。使用录音机进行多次实验，通过认证的次数为零。对于门锁用户，这个结果十分理想的。若用于考勤等同类功能，可通过修改匹配阈值值实现。
声纹识别与其他生物识别技术相比，除具有不会遗失和忘记、不需记忆、使用方便等优点外，还具有以下特性：用户接受程度高，由于不涉及隐私问题，用户无任何心理障碍；声音输入设备造价低廉，而其他生特识别技术的输入设备通常造价昂贵。与利用虹膜、指纹和人脸等技术的门锁相比，基于SPCE061A构建的语音电子门锁系统具有成本低、使用方便、保密性好等优点。经大量实验测试表明，该系统性能稳定、识别效果好。下一步将进行小批量的试用，以发现问题并加以完善。但是，在环境噪声或干扰信号高于语音信号时，该系统将无法进行正确的语音识别，在背景噪声处理及其工程实际上还要进一步改进。
篇2：铁电存储器在新型语音电子门锁系统中的应用
铁电存储器在新型语音电子门锁系统中的应用
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。
2FM20L08FRAM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128kw8bitsFRAM，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；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
FM20L08FRAM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）。
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bsp;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。
ISP2032VECPLD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，ISP2032VECPLD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。
篇3：铁电存储器在新型语音电子门锁系统中的应用
铁电存储器在新型语音电子门锁系统中的应用
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128kw8bits 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
[1] [2] [3]
篇4：使用TEMIC感应卡技术的智能电子门锁系统
使用TEMIC感应卡技术的智能电子门锁系统
摘要：简要介绍基于TEMIC感应卡技术的电子门锁系统，包括主要功能、工作模式、系统组成；重点介绍在提高系统安全性、可靠性，降低功耗方面采取的部分措施。该系统可与门禁系统、考勤系统、消息系统及停车场系统等一起构成“一卡通”系统。关键词：感应卡技术 智能门锁 一卡通
1 概述
早期的智能电子门锁是采用磁卡作为开门钥匙的磁卡锁，主要用于宾馆客房。随着半导体技术的发展，功能更强、可靠性更高的接触式IC卡智能电子门锁成为主流。接触式IC卡电子锁的主要优点是卡片存储容量大，有比较完善的完全机制。采用智能电子门锁，可灵活地设定多种开门权限，防止非法复制，实现分级管理和分区域管理。其时间控制功能和存储开门记录功能彻底改变了机械式门锁功能单一状况，使门锁成为管理体系的一部分，大大提高管理水平和服务水平，因此逐渐成为星级宾馆的基本设施之一。
进入21世纪，感应式IC卡（也称非接触式IC卡）技术迅速发展，新一代的基于感应式IC卡技术的智能电子门锁也应运而生。由于感应式智能电子门锁无机械接触，不会产生摩擦，因此减少了磨损和人为损坏，大大降低了故障率。目前，感应式电子锁的应用领域正不断扩展，已从传统的酒店业扩展到高级办公场所、高级公寓，甚至进入了家庭。
本文重点讨论适用于高级宾馆的感应式智能电子门锁系统。
2 系统组成及功能
感应式智能电子门锁系统通常由智能电子门锁、感应卡、发卡管理软件、手持式POS机和发卡器等5个部分组成。下面介绍各部分的主要功能。
（1）智能电子门锁
安装于客户门上。当有感应卡接近锁体上的天线时，锁内的微控制器（MCU）自动启动读卡程序。如果读到的是有效卡，则驱动微电机，带动离合机构，此时按下手柄，锁就被打开；如果读到的是非有效卡，则发出无效卡提示，此时也能按下手柄，但锁无法被打开。
智能电子门锁的主要功能：
*分区管理功能――支持分区管理，服务卡仅在本服务区内有效；
*分级管理功能――支持服务区、楼层、楼座、酒店四级管理；
*时效控制功能――无论宾客卡还是职员卡，都有时效限制，到其自动失效；
*时间表功能――可在每周7天中，指定有效日和无效日；
*时间窗功能――可在每天24小时中，规定有效时段和无效时段；
*新卡替旧卡功能――新发的卡可自动终止旧卡；
*终止/恢复功能――可使用终止卡使指定客房门锁暂停使用，可使用恢复卡使暂停使用的客房门锁恢复使用；
*开锁记录功能――刷卡时，门锁将卡号和开门时间记录在锁中，供随时查询，最大记录数为240条；
*低电压提示功能――当电池电压低于5.1V时，绿灯和黄灯同时亮起，提醒用户换电池（低电压提示后，仍能开锁100次以上）；
*反锁功能――开门卡可设定为允许开反锁或不允许开反锁；
*常开功能――办公型锁具有常开功能，酒店型无此功能。
（2）感应卡
卡类型及功能如表1所列。
表1
名 称持卡人适用范围功 能宾客卡住宿宾客客房门锁在给定的时域内开启指定客房门锁服务卡服务员服务区客房门锁在给定的时域内开启本服务区客房门锁楼层卡楼层领班楼层客房门锁在给定的时域内开启本楼层客房门锁楼座卡楼座经理全楼客房门锁在给定的时域内开启本楼客房门锁总管卡总经理整个酒店在给定的时域内开启整个酒店各客房门锁应急卡高级管理人员整个酒店在给定的时域内开启整个酒店各客房门锁终止卡管理人员整个酒店使指定客房门锁暂停使用，即使宾客卡暂时失效恢复卡管理人员整个酒店使处于暂停使用状态客房门锁恢复使用（3）发卡管理软件
发卡管理软件的主要功能；
*系统管理――操作日志、密码更改、操作员设定、系统暂停；
*功能管理――用户信息、管理区域、房间设定；默认参数设置；
*通讯管理――门锁数据通信、基本信息查/询、开锁记录查询；
*客房管理――制宾客卡、客人退卡、改有效期、空房查询、入住情况、退卡查询；
*员工管理――制员工卡、退员工卡、改员工卡、员工卡查询、制处理卡。
（4）手持式POS机
手持式POS机用于发卡管理软件和智能门锁之间的信息沟通。发卡管理软件通过RS232串口将酒店识别号、房间号、读卡密码等信息下载到POS机，再由POS机通过RS232串口将酒店识别号、房间号、读卡密码等信息下载到智能门锁，同时可校对时间。同样，存放在锁内的开锁记录，也由POS机上传到发卡管理软件进行统计分析。
（5）发卡器
实际上，发卡器是一台TEMIC卡读写器，与发卡管理软件配合使用，完成发卡、锁卡、卡查询等功能。
3 智能电子门锁设计
智能电子门锁是整个系统的关键设备。智能门锁的主要设计目标是：设计合理的卡数据结构，确保在实现功能的前提下，支持系统功能扩展，即支持“一卡通”功能；系统静态功耗更要足够低；具有很高的可靠性和足够的安全性。
（1）TEMIC感应卡技术
德国TEMIC公司（现已被美国Atmel公司收购）研制开发了一系列非接触IC卡产品，包括e5530、e5550、e5551、e5560、e5561应答器芯片和U2270B读写基站芯片。应答器通常封装成卡片形式，也可以封装成玻璃管中。
(本网网收集整理)
下面简单介绍应答器e5550。e5550为带264位EEPROM的TEMIC标准读写应答器芯片，其存储区分为8个区，每区33位。0位为该区锁定位，一旦锁上（置1），该区即被“写保护"，阻止任何改写。0区存放模式字，其读写操作取决于模式字的设置，如波特率、发送数据调制方式、最大允许传送数据区、口令和AOR功能及锁定位的设置等。1～6区为用户数据区，可按区读写。7区在口令模式工作时为口令区，如果不需要口令保护，7区也可以与1～6区一样用做用户数据区。
读写基站芯片U2270B配以少量外围器件和耦合天线，与MCU一样构成读写器。也可以说，U2270B读写基站芯片是MCU与应答器之间的通信接口。应答器进入RF磁场，经线圈感应得到电能并自动加电复位后，等待256个RF场时钟周期后，开始按照模式字设定的比特率和调制方式，对存储器相应区数据重复读取并发送。基站芯片对接收到的信号进行解调，并以曼彻斯特码方式发送给MCU，曼彻斯特码解码工作由MCU程序完成。MCU通过对基站芯片的CFE进行控制，以短间隙射频场中断的办法，将数据写入应答器。
（2）硬件设计
智能电子门锁的原理如图1所示。微控制器（MCU）采用美国Microchip公司的8位微控制器（PIC16F73）。红外线检测电路的作用是探测有无感应卡靠近，每隔一定时间，发射电路会自动射红外线信号，如有物体靠近，接收电路就会收到反射回来的红外线信号，并立即通知MCU进行读卡操作。感应卡读写IC在MCU驱动下，对感应卡进行读操作，然后将读到的数据曼彻斯特码形式返回给MCU，由MCU通过程序解码；将解码后的卡上数据与存储器中存放的锁内参数进行核验，并依据当前时间，确定是否是有效卡；如果有效卡，则启动电机驱动电路开锁，同时将相关信息（开锁记录）存入存储器。MCU通过RS232接口与手持式POS机进行通信，从POS机接收各种设置数据、校对时间等；在必要时可将锁内存放的开锁记录传送给POS机，然后传递到电脑，进行统计分析。低电压检测 电路自动对电池电压进行监测，一旦电池电压下降到规定值，立即通知MCU，由MCU启动黄色低电压提示LED，提醒客户尽快地换电池。电源电路在控制功耗方面起着重要作用。它在MCU的控制下为包括MCU在内各部分电路提供电源，并可以在不同状态下，根据实际需要改变电压值，从而使总体功耗保持最低，延长电池使用寿命。
（3）微控制器软件设计
MCU控制软件整个系统中最重要的.环境。我们使用汇编语言编程，采用自顶向下（top-down）的程序设计方法，遵循结构化程序设计的原则，使软件效率和可维护性较高。
软件主要分以下5个功能模块：初始化与自检模块、解码与读卡模块、数据校验模块、通信模块和串行存储器读写模块等。串行存储器读写模块的主要功能是，为其它模块提供访问串行存储器的读写模块子程序。因此，除串行存储器读写模块外，其余4个模块相对独立。这样，就降低了程序编制、调试的复杂性，提高了软件的可靠性和可维护性。
初始化与自检模块的功能是使系统恢复到初始状态，并对各硬件电路进行检测。检测范围包括：感应卡读写IC是否正常、实时时钟是否正常工作、串行存储器读写是否正确、红外线检测电路是否正常工作、电机驱动电路、蜂鸣器及LED显示等。利用LED的亮/灭组合指示故障电路，自检覆盖率达90%以上，大大提高了生产和维修工作的效率。
解码与读卡模块主要负责驱动感应卡读写IC，并对其返回的曼彻斯特码数据进行解码。提高解码的速度和成功率是编制该模块的难点。成功解码后，解码与读卡模块将读到的卡上数据以二进制码形式传送给数据校验模块进行处理。后者以当前时间和存放在串行存储器中的设置数据为依据进行校验，确认是否为有效卡，从而决定是否开锁，并完成写开锁记录、新卡替旧卡等操作。
通信模块负责控制与手挂式POS机的通信，利用POS机设置门锁的房间号、开始时间、结束时间、读卡密码、当前时间等重要参数，并将存放在锁内的开锁记录上传，以便传递到电脑进行统计分析。为防止非法操作，通信时要进行密码核对。
（4）低功耗技术
由于采用电池供电，在设计智能电子门锁时必须很好地解决低功耗问题。在静态时，平均电流应保持在25μA左右，这样，4节5号碱性电池的使用寿命一般可达1年以上。为此，我们采取以下措施：
①选用PIC16F73。该芯片在睡眠模式下，如果I/O口状态设置得当，电池可控制在1μA左右。
②尽可能降低晶振频率。由于PIC16F73采用了先进的RISC结构，即使在晶振频率较低的情况下，也能稳定工作，并提供足够的处理能力。
③尽可能延长睡眠时间，缩短工作时间。为此，采用了红外线探测技术。MCU在99%以上的时间内都处于功耗极低的睡眠状态，读卡IC等大多数电路也停止工作，只有红外线检测电路定时发射红外线信号。若无物体靠近，接收电路不会接收到红外线信号，MCU就继续睡眠；如有物体靠近，接收电路就会收到反射回来的红外线信号，并立即通知MCU进行读卡操作。处理好红外线检测电路的灵敏度和抗干扰能力的关系非常重要，如果灵敏度太低，就会产生读卡反应慢的现象；如果对抗干扰能够不够，各种灯光或太阳光中的红外线可能引起误触发，使系统经常处于工作状态，都会严重影响系统性能。
④采用可由MCU控制的电源电路。当某些电路不工作时，就停止供电，等到需要工作时再供电；对某些电路，还可以降低供电电压，以达到节电的目的。
（5）安全性与可靠性
门锁系统在安全性方面需要解决的问题是：防止开门卡被非法复制；防止用非正常方式（如果工具拨、撬，用强力磁铁吸等）开锁；锁体具备一定程序的抗外力破坏能力。
为了防止开门卡被非法复制，每一张卡片在出厂以前都进行了加密，不同的客户使用互不相同的密码。发卡管理软件也用密码保护，避免非授权人员利用发卡管理软件非法制卡。由于采用三锁防拨锁芯，门关上时，防拨锁被门框压紧，自动锁定主锁，无法用工具拨开或撬开；电机带动的离合机构具有防强力磁铁吸合功能；锁制前锁体上无任何镙钉外露，防折防砸。
门锁系统的可靠性也非常重要。我们从硬件设计和软件设计两方面来提高系统的综合可靠性。在硬件方面，我们选用的主处理器PIC16F73具有较高的抗干扰能力，内部包含了具有独立RC振荡器的“看门狗（WDT）”电路，在程序跑飞时可自动将CPU复位，恢复正常运行；对存储重要数据的EEPROM，采用硬件写保护措施，避免数据在受到干扰时丢失；尽量使用贴片元件，严格进行老化筛选，保证元件品质PCB布线方面，采取一系列措施，提高抗干扰能力。
在软件设计方面，我们通过刷新各寄存器和SRAM单元，确何即使这些寄存器或SRAM单元受到干扰而被修改，也能立即恢复。在程序中，避免危险程序结构也是提高可靠性的重要措施。有几种循环结构容易造成“死循环”隐串民，例如，在执行某个功能时，必须循环等待某个由中断或定时器产生的条件；由于等待的时间可能较长，在循环中会包含清WDT指令，这在正常流程中不会发生问题。但是，如果PC内容受到干扰而改变，程序跑飞后，正好落在这种循环中，此时中断或定时器可能未被打开，于是程序就会循环等待一个不可能出现的条件，即出现“死循环”。这种情况虽然出现概率较小，但也必须加以防止。
另外前面提到，为降低功耗，99%以上的时间内MCU都处于功耗极低的睡眠状态，大部分电路的电源被关闭。这种状态下，抗干扰能力也较强。
结语
上述感应式智能电子门锁经过充分测试和近1年的实际使用，结果表明，该系统在软硬件功能、完全性、可靠性、低功耗等方面都已达到了设计要求。由于在设计之初，就考虑到要实现“一卡通”应用，所以系统具有很好的扩展性。目前，已在酒店型智能电子门锁的基础上，发展出无需发卡管理软件，用户可自行发卡，独立使用的办公型电子门锁和家用型电子门锁系统，使用方便、安全可靠的保险箱系统，使用RS485总线联网的智能消费终端，门禁/考勤系统等7个产品的产品系列。这个产品系列中的各个产品，不但在功能上实现了“一卡通”，而且使用的许多元器件都是相同的，部分产品之间甚至可以互换电路板，降低了生产的复杂性和产品成本。
篇5：使用TEMIC感应卡技术的智能电子门锁系统
使用TEMIC感应卡技术的智能电子门锁系统
摘要：简要介绍基于TEMIC感应卡技术的电子门锁系统，包括主要功能、工作模式、系统组成；重点介绍在提高系统安全性、可靠性，降低功耗方面采取的部分措施。该系统可与门禁系统、考勤系统、消息系统及停车场系统等一起构成“一卡通”系统。关键词：感应卡技术 智能门锁 一卡通
1 概述
早期的智能电子门锁是采用磁卡作为开门钥匙的磁卡锁，主要用于宾馆客房。随着半导体技术的发展，功能更强、可靠性更高的.接触式IC卡智能电子门锁成为主流。接触式IC卡电子锁的主要优点是卡片存储容量大，有比较完善的完全机制。采用智能电子门锁，可灵活地设定多种开门权限，防止非法复制，实现分级管理和分区域管理。其时间控制功能和存储开门记录功能彻底改变了机械式门锁功能单一状况，使门锁成为管理体系的一部分，大大提高管理水平和服务水平，因此逐渐成为星级宾馆的基本设施之一。
进入21世纪，感应式IC卡（也称非接触式IC卡）技术迅速发展，新一代的基于感应式IC卡技术的智能电子门锁也应运而生。由于感应式智能电子门锁无机械接触，不会产生摩擦，因此减少了磨损和人为损坏，大大降低了故障率。目前，感应式电子锁的应用领域正不断扩展，已从传统的酒店业扩展到高级办公场所、高级公寓，甚至进入了家庭。
本文重点讨论适用于高级宾馆的感应式智能电子门锁系统。
2 系统组成及功能
感应式智能电子门锁系统通常由智能电子门锁、感应卡、发卡管理软件、手持式POS机和发卡器等5个部分组成。下面介绍各部分的主要功能。
（1）智能电子门锁
安装于客户门上。当有感应卡接近锁体上的天线时，锁内的微控制器（MCU）自动启动读卡程序。如果读到的是有效卡，则驱动微电机，带动离合机构，此时按下手柄，锁就被打开；如果读到的是非有效卡，则发出无效卡提示，此时也能按下手柄，但锁无法被打开。
智能电子门锁的主要功能：
*分区管理功能――支持分区管理，服务卡仅在本服务区内有效；
*分级管理功能――支持服务区、楼层、楼座、酒店四级
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★ 基于80C196单片机的某红外预警设备控制系统的设计与实现
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