门禁刷卡机有噪音怎么办
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门禁刷卡机有噪音怎么办
引言随着智能技术的飞速发展,“智能门锁”已逐渐进入了人们的生活,也体验到了智能化给我们带来的便利。
但综观国内外智能门锁控制系统中,大部分使用身份证、钥匙、智能卡、密码、人脸、指纹等识别技术。
这些识别技术有很多问题,比如携带不方便,容易丢失,容易伪造,容易破解密码导致的安全性不高,可靠性不高。
虽然人脸识别技术、指纹识别技术取得了不小的改进,但依然没有解决其在实际应用过程中的核心问题。
主要表现在:
(1)人脸检测算法本身是相对耗时的,这样在实际应用中就会出现整个人脸识别系统不适应实时需求的问题;
(2)类内变化的人脸特征有时比类间变化的问题;
(3)如何提高鲁棒性的问题;
(4)摄像机在实际应用过程中的成像质量、算法执行效率、环境光照变化剧烈等不容忽视的问题;
(5)如何解决因外界环境变化而造成指纹识别失灵等问题。
而我们每个人的声音具有唯一性、不变性、不易模仿性等特点,体现了人类的生物特征,不存在丢失的情况。
基于此,本文提出的基于DSP的语音智能门锁控制系统,是在智能门锁控制系统中加入语音识别技术,有效利用DSP技术和算法,可以有效解决唤醒率低、准确率低、抗干扰性差等问题,使系统达到稳、准、快的目的,以弥补目前门禁系统中的门锁控制缺陷具有很好的科学和现实意义,同时具有广泛的市场前景。
一、语音识别智能门锁控制系统整体设计根据智能门锁控制要求,设计基于DSP的语音智能门锁控制系统如图1所示。该系统主要由语音采集模块、数字信号处理模块(DSP)、外部存储器和门锁电机等组成。
DSP作为数字信号处理的主要系统,对语音采集识别系统输出的语音信号进行处理后输出驱动信号,驱动门锁电机,以实现精准的语音识别门锁控制系统。
图 1:语音识别智能门锁控制系统框图
语音采集识别过程如图2所示。通过对语音输入信号进行采样、去除噪声、确定语音起点和语音分割处理后,分析和计算可提取出所需要的语音特征,并建立语音识别所需的语音库。当对用户语音进行识别时,只需要进语音库中的用户语音特征与输入信号的特征进行对比,并采取一定的算法,找到最优的与用户语音匹配的特征,最后输出正确的语音识别结果。
图 2:语音采集识别过程图
二、语音识别智能门锁控制系统硬件电路设计语音识别智能门锁控制系统硬件电路总体结构框图如图3所示。本电路主要由语音采集与语音处理两个部分电路组成。
语音采集电路由话筒(MIC)和语音采集芯片构成;语音处理电路主要由数字信号处理模块(DSP)、外部存储器(FLASH)和可编程逻辑控制器件(CPLD)组成。
图 3:语音识别智能门锁控制系统硬件电路总体结构图
其工作原理是由MIC拾取用户语音并转换成音频信号,经语音采集模块将模拟音频信号转换为数字音频信号送入数字信号处理模块(DSP);完成音频数据的采集工作。采集后的音频数据经DSP内部特征提取后可以建立语音库和进行语音识别。
可编程逻辑控制器件(CPLD)接收DSP发出的信号,经逻辑判断后,输出控制信号,最后由输出驱动电路驱动门锁电机。
外部存储器(FLASH)主要用来存储程序代码,系统上电后,由DSP从外部存储器(FLASH)调出并执行程序代码,使整个硬件电路能够脱机运行。电源模块为电路各部分提供电源。
2.1语音采集电路
语音识别智能门锁控制系统采用TLV320AIC23芯片来采集语音信号,它是TI公司推出的一款低成本、高性能音频音频编码和解码(Codec)芯片。
其内部支持话筒(MIC)输入方式,集成了模数转换(ADC)和数模转换(DAC)器件,采用了Sigma-delta过采样技术,采样率在8kHz~96kHz频率范围内可调,并且可提供16bit、20bit、24bit和32bit的语音数据。
此外,TLV320AIC23芯片还是一款低功耗、信噪比很高的音频采集器件,内部具有完整的缓存放大系统,与TI公司的DSP结合使用非常匹配。
语音采集电路如图4所示。本语音采集电路采用了12M晶体振荡器作为TLV320AIC23芯片内部时钟源。
TLV320AIC23芯片的第22脚(MODE)、第21脚(cs)分别数字地DGND,确定了芯片的音频数据传输接口采用DSP工作模式,使得DSP采用I2C总线方式配置TLV320AIC23芯片的内部寄存器。
本智能门锁控制系统内部安装灵敏度高的驻极体电容式话筒,故TLV320AIC23芯片的第18脚(MICIN)通过外接阻容元件将话筒转换出来的微弱音频信号输入到内部缓冲放大器,第17脚(MICBIAS)为内部缓冲低噪声电压输出,为话筒提高偏置电压,其电压值通常为0.75AVDD。
图 4:语音采集基本电路原理图
TLV320AIC23芯片的第23脚(SDIN)作为DSP控制端口串行输入,用来传输配置本芯片内部寄存器的数据,第24脚(SCLK)是DSPI2C总线模式下的控制端口移位脉冲。
第4脚(DIN)为串行数据输入端,接收DSP发出的音频数字信号并送入该芯片内部的DAC转换器进行转换成模拟音频信号,第6脚(DOUT)为串行数据输出端,将该芯片内部ADC转换器输出的音频数字信号送给DSP。
TLV320AIC23芯片采用+3.3V电压供电,第1脚(BVDD)为+3.3V缓冲电压输入端、第14脚(AVDD)为+3.3V模拟电压输入端、第28脚(DVDD)为+3.3V数字电压输入端;数字地和模拟地要分开,因此,第15脚(AGND)为模拟接地端、第28脚(DGND)为数字接地端。
2.2数字信号处理(DSP)电路
本系统采用TMS320VC5509A核心器件对数字音频信号进行处理,它是一款基于TIC55x架构的定点低功耗音频专用DSP处理器。
它是本控制系统数字音频信号的运算处理部件,可对16位数据进行算术逻辑运算,内部具有2个乘法器、4个累加器和12组彼此独立的总线,工作最高主频可达200MHZ,是一款计算能力超强的DSP。
另外,该DSP还提供了多通道缓冲串口MCBSP,DSP可通过MCBSP与其他DSP、编解码器等器件相连。同时,内部集还成了ROM存储器、具备串行端口和USB接口等。
图 5:数字信号处理(DSP)电路原理图
数字信号处理(DSP)电路如图5所示。TMS320VC5509A处理器采用12M晶体振荡器作为芯片内部时钟源,对其进行12倍频可产生144MHZ时钟脉冲,为DSP内部CPU提供主时钟。
TMS320VC5509A处理器采用双电源供电模式,其工作电压为3.3V(DVDD)和1.6V(CVDD),其中3.3V(DVDD)为DSP的I/O口提供电压,1.6V(CVDD)主要为DSP的CPU内核和其它所有的外设逻辑提供电压,它们都是数字电源。
TMS320VC5509ADSP的系统复位电路采用SP706P微处理器监控芯片,以确保系统上电过程中系统复位或在断电过程中阻止程序代码运行出错,同时可监控DSP、FLASH、CPLD的供电情况,使其可靠工作运行和复位。
另外,当按下手动复位键S时,SP706P的端接地(被拉低于0.8V以下),其输入为低电平有效,触发内部电路使SP706P的MR端输出一个复位信号送给DSP的RESE T复位端(低电平有效)。
DSP处理器TMS320VC5509A和语音采集模块TLV320AIC23的连接口主要由两个。一个是数据接口,主要用来传输A/D或D/A音频数据。
在进行数据的传输的控制上,利用DSP的引脚CLKR、CLKX与TLV320AIC23的引脚BCLK(数据口位-时钟信号)连接,当LV320AIC23为从模式时,该时钟由DSP产生;同时DSP的FSX、FSR分别与TLV320AIC23的LRIN、LRCOUT相连接,实现了数据传输同步功能。
另外,由TLV320AIC23采集的数字音频信号通过DOUT送到DSP的DR端进行处理,同时DSP处理的数字音频信号也可以通过DX端输出到TLV320AIC23的DIN端供其进行D/A转换,从而实现音频信号的输入和输出。
另一个是控制接口,主要是通过DSP用来设置TLV320AIC23B的工作参数。通过DSP的I2C总线接口SDA端、SCL端分别与TLV320AIC23的控制口SDIN端、SCLK端连接,可以用来传输配置语音采集芯片TLV320AIC23内部寄存器的数据和配置时钟信号。
2.3外扩FLASH电路
一般情况下,DSP的片内存储器容量不是很大,大部分空间用来暂存系统程序运行过程中的信息,在本语音识别控制系统中主要用来存储处理前后的音频信号;所以,需要对一般的DSP系统进行外扩存储器,本控制系统主要采用SST39VF1601芯片来外扩Flash,该闪存存储器的容量为1M×16bit,用以固化存储系统运行的程序代码,存储用户语音模型和语音数据。
系统上电后,DSP从外部Flash加载并执行程序代码,在不上电的情况下可以长期保存信息,使本系统能够脱机运行。
图 6:外扩 FLASH 电路原理图
外扩的FLASH电路如图6所示。采用的SST39VF1601存储芯片具备70~90ns的快速读写、70ms的快速擦除功能,其供电电压为+3.3V,可以与TMS320VC5509A处理器共用供电源。
当系统初始化时,TMS320VC5509A对EMIF进行设置,并且使用DSP的外部存储器接口的CE1空间,因此,可将TMS320VC5509A的地址总线A[13:1]与SST39VF1601的地址总线A[12:0]直接连接,TMS320VC5509A的数据总线D[15:0]与SST39VF1601的数据总线DQ[12:0]直接连接。
将EPM3128ATC100-10可编程控制器件(CPLD)的A[18:13]与SST39VF1601(FLASH)A[18:13]连接,实现CPLD控制FLASH的高位地址线。
这时可将DSP的ARE端与CPLD的ARE端相连、DSP的AWE端与CPLD的AWE端相连、CPLD的OE、WE端分别与FLASH的OE、WE端相连。
经CPLD译码后,最后将FLASH的CE#端映射到DSP的外部存储器接口的CE1。从而实现上电后DSP从外部FLASH加载并执行程序代码的功能。
2.4电源电路
由于TMS320VC5509A(DSP)处理器要求有独立的内核电源和IO电源,所以须采取双电源供电模式,其工作电压为+3.3V(DVDD)和+1.6V(CVDD),其中3.3V(DVDD)为DSP的I/O口提供电压,1.6V(CVDD)主要为DSP的CPU内核提供电压。
由于DSP在系统运行时需要计算大量的实时数据、CPU内部部件的开关转换频率会增大芯片功耗,故采用+1.6V为CPU供电可以有效降低芯片内部功耗。
另外,由于本系统采用的语音采集芯片TLV320AIC23、外扩SST39VF1601存储芯片(FLASH)和EPM3128ATC100-10可编程控制器件(CPLD)都须采用+3.3V供电电压。
因此,传统的线性稳压器(例如:78XX系列)已不能满足本智能语音控系统的正常运行,基于此,本控制系统电源电路选用了TI公司的一款TPS767D301双路低压差电源芯片,它输出电压为一路3.3V,另一路输出1.6V,设计出基于TPS767D301的TMS320VC5509A(DSP)的电源电路如图7所示。
图 7:电源电路原理图
从图7可以看出,TPS767D301芯片内部集成了2个电压调整器,采用了双入双出的电路结构形式。
TPS767D301芯片的1EN端(第5、6脚)、2EN端(第11、12脚)分别将+5V的输入供电电压送到芯片内部的两个电压调整器,经电压调整后,由芯片的1OUT端(第23、24脚)、2OUT端(第17、18脚)分别输出+1.6V和+3.3V工作电压,其中+3.3V可满足整个电路的工作电压。
TPS767D301的、(第4、10脚)分别是芯片内部两个电压调整器的使能端,低电平有效,故直接接地。
TPS767D301芯片的1FB/NC端(25脚)为内部电压调整器输出电压大小的反馈端,只要适当调整输出端(23脚)接的取样电阻R和R的阻值即可使输出端1OUT、2OUT输出+1.6V和+3.3V的标准电压。
TPS767D301的1REST、2REST(第28、22脚)分别为芯片内部两个电压调整器的复位输出端。
三、语音识别智能门锁控制系统软件流程设计语音识别智能门锁控制系统运行流程如图8所示。系统软件由主程序程序、语音识别控制、显示器显示程序、键盘输入等。
图 8:控制系统软件设计总体流程图
根据总体流程图可知:首先对主程序进行激活,通过键盘输入并开始执行语音识别程序;对输入的语音信号进行处理,并进行加工使信号放大,然后为了更好进行计算处理,将信号进行数字化变换,其次通过与数据库中的数据进行信号比对,最终通过显示器程序显示出识别结果。
对信号读取时,如果输入信号数据与数据库中存储的数据匹配正确时,所显示器中显示的为“识别通过”,当与数据库中的数据匹配不到时,会有三次显示“再试一次”的机会,并对每一次的输入数据进行再一次判断,三次数据识别都匹配失败时,会显示“识别错误”,并将信号传输到显示器中;如果需要保存此语音信号,通过数字化之后,并进行压缩处理,使信号数据存入数据库中。
其中语音识别程序包括语音的初始化程序和语音信号的识别对比。为了保证语音识别的精确性,需要通过两个级别的语音触发指令,通过指令的采集,并进行信号对比。流程如图9所示。
图 9:语音识别程序流程
总结本文主要设计了一种以DSP处理器为核心部件的语音识别智能门锁控制系统,分别从语音采集识别原理、数字信号处理及硬件电路总体结构着手,详细介绍了该控制系统的整体设计思路、硬件电路原理图设计和系统软件实现流程等。
对语音采集、数字信号处理、外部存储器等主要模块的电路设计进行了详细介绍。该语音识别智能门锁控制系统基于了DSP技术,有效解决了传统智能门锁唤醒率低、准确率低、抗干扰性差等问题。
同时该控制系统本身对控制功能相近的系统设计也具有一定的参考价值。
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