電路圖天天讀（31）：生物識(shí)別電路設(shè)計(jì)圖集錦 - 全文

　　TOP1 基于指紋識(shí)別的汽車防盜系統(tǒng)模塊電路

　　主要工作原理：車主停車熄火后，防盜器進(jìn)入鎖定狀態(tài)。此時(shí)如果汽車鑰匙不在ON位，就不能進(jìn)行指紋識(shí)別；只有當(dāng)汽車鑰匙在ON位，才可用指紋識(shí)別解鎖防盜器并自動(dòng)點(diǎn)火。在鎖定狀態(tài)下，汽車的油路、電路等被切斷，汽車鑰匙無法點(diǎn)火；如果強(qiáng)行剪斷指紋采集模塊和控制盒的連線，或者不識(shí)別指紋而強(qiáng)行用汽車鑰匙點(diǎn)火，汽車會(huì)通過鳴號(hào)、閃燈和無線通信網(wǎng)絡(luò)報(bào)警。在鎖定狀態(tài)插入密碼鑰匙可進(jìn)入解鎖狀態(tài)，并可根據(jù)LCD和語音提示通過小鍵盤進(jìn)行指紋注冊(cè)／刪除、手機(jī)號(hào)碼設(shè)置和應(yīng)急點(diǎn)火等操作。

　　USB接口電路

　　USB接口電路主要由文件管理控制芯片CH376T實(shí)現(xiàn)，CH376T支持USB設(shè)備方式和USB主機(jī)方式，并且內(nèi)置了USB通信協(xié)議的基本固件、處理 MassStorage海量存儲(chǔ)設(shè)備的專用通信協(xié)議的固件、SD卡的通信接口固件、FAT16和FAT32以及FAT12文件系統(tǒng)的管理固件，支持常用的 USB存儲(chǔ)設(shè)備和SD卡。CH376T支持二種通信接口：SPI接口和異步串口。本設(shè)計(jì)采用SPI接口與MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，電路連接方式如圖2所示。串行數(shù)據(jù)輸入SDI、輸出SDO和時(shí)鐘SCK分別接STM32F103VC的SPI1_MOSI，SPI1_MISO和SPI1_SCK，中斷請(qǐng)求輸出端 INT接PC0，片選端SCS由PA1控制。圖中的RESET是系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)，晶體振蕩器Y1選12 MHz。當(dāng)車主要進(jìn)行指紋注冊(cè)／刪除或應(yīng)急點(diǎn)火時(shí)，將密碼鑰匙（U盤）接入J1以讀取密碼信息。

　　語音電路

　　語音電路原理圖如圖3所示，由美國(guó)ISD公司的語音芯片ISD4004-16和美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的音頻功率放大器LM386等元件構(gòu)成。 ISD4004 -16錄放時(shí)間為16 min（可分段），它采用CMOS技術(shù)，單電源3 V工作，內(nèi)含振蕩器、抗混疊濾波器、平滑濾波器、音頻放大器、自動(dòng)靜噪及高密度多電平閃爍存貯陳列。它內(nèi)置微控制器SPI總線串行通信接口。可將模擬語音數(shù)據(jù)直接寫入單個(gè)存儲(chǔ)單元，不需通過A／D或D／A轉(zhuǎn)換。使得ISD語音電路具有音質(zhì)自然、使用方便、單片存儲(chǔ)、反復(fù)錄放、低功耗、抗斷電等許多優(yōu)點(diǎn)。 LM386工作電壓范圍寬，電壓增益可調(diào)。具有自身功耗低、電壓增益可調(diào)整電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)中 STM32F103VC通過SPI2給ISD4004傳送語音信息。圖3中的V1和V2分別經(jīng)三極管與+3．3 V和+12 V電源相連，三極管的通斷由STM32F103VC的PCI1和PCI2控制，只有在需要語音提示時(shí)，才使三極管導(dǎo)通給ISD4004和LM386供電。

　　基于ARM的光學(xué)指紋識(shí)別系統(tǒng)電路模塊

　　整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)成了一體化光學(xué)指紋識(shí)別模塊。模塊設(shè)計(jì)采用光學(xué)暗背景成像原理，加入特有活體檢測(cè)芯片，在解決干手指效應(yīng)的同時(shí)解決殘留指紋誤識(shí)別、橡膠假指紋等問題。圖所示為光學(xué)GC0307 CMOS 圖像采集芯片應(yīng)用電路原理圖。該款CMOS 圖像采集芯片是高精度、低功耗、微體積的高性能相機(jī)的內(nèi)置式組件，它把實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)VGA 影像的CMOS 影像傳感器與高度集成的影像處理器、嵌入式電源和高質(zhì)量的透鏡組結(jié)合在一起，輸出JPEG 圖像或圖像視頻流，支持8/10 位數(shù)字傳輸JPEG 圖像和YCbCr 接口，提供了完整的影像解決方案。

　　CMOS 圖像采集芯功能輸出串行數(shù)據(jù)引腳、時(shí)鐘信號(hào)引腳、復(fù)位引腳、串行總線引腳等都接入到STM32F205RE的GPIO 口， 通過GPIO 口模擬時(shí)序讀取CMOS 芯片采集到的圖像信息。由于STM32F205RE 的GPIO 口工作頻率可達(dá)120 MHz，因而可以非常準(zhǔn)確高效地模擬時(shí)序，實(shí)測(cè)640×480 的原始圖像能以10 幀/s 的速度采集到主處理器STM32F205RE 中進(jìn)行圖像處理。

　　TOP2 采用指紋識(shí)別的防盜遙控器電路模塊

　　防盜遙控發(fā)射器電路模塊

　　刮擦式活體指紋識(shí)別防盜遙控器分為防盜遙控發(fā)射器和防盜遙控接收器兩部分。防盜遙控發(fā)射器由使用者隨身攜帶，防盜遙控接收器安放在要保護(hù)的門禁設(shè)備里。防盜遙控發(fā)射器以MSP430F12X處理器為核心，對(duì)刮擦式活體指紋傳感器MBF310、無線發(fā)射/接收芯片nRF401、參數(shù)配置芯片 AT93C46等進(jìn)行工作狀態(tài)配置，包括指紋數(shù)據(jù)讀取、指紋數(shù)據(jù)和加密數(shù)據(jù)無線發(fā)射，以及控制指令的無線發(fā)射等。AT93C46中保存有256位的參數(shù)配置數(shù)據(jù)，用于對(duì)發(fā)射的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密運(yùn)算；nRF401工作在無線發(fā)射模式。MBF310選用SPI工作模式和MSP430F12X處理器的SPI總線相連，MSP430F12X通過SPI總線對(duì)MBF310傳感器進(jìn)行工作狀態(tài)初始化，配置為使能FIFO中斷的SPI模式。當(dāng)手指在 MBF310上滑過時(shí)，MBF310采集指紋數(shù)據(jù)并存到FIFO緩沖區(qū)內(nèi)；當(dāng)FIFO緩沖區(qū)滿時(shí)產(chǎn)生一中斷信號(hào)，MSP430F12X處理器收到FIFO 緩沖區(qū)滿中斷信號(hào)后立即通過SPI總線讀取MBF310采集的指紋數(shù)據(jù)；并把讀取的指紋數(shù)據(jù)和AT93C46 內(nèi)的配置字進(jìn)行“或”運(yùn)算加密，把加密好的數(shù)據(jù)通過nRF401發(fā)射出去，從而實(shí)現(xiàn)指紋的采集，指紋數(shù)據(jù)的讀取、加密和無線發(fā)射，以及控制指令的無線發(fā)射等功能。防盜遙控發(fā)射器的電路連接圖如圖1所示。

　　圖1 防盜遙控發(fā)射器的電路連接圖

　　防盜遙控接收器電路模塊

　　防盜遙控接收器由MSP430F12X處理器、無線發(fā)射/接收芯片nRF401、參數(shù)配置芯片AT93C46、指紋模板存儲(chǔ)器FM24C64、按鍵和指示燈等硬件組成。當(dāng)防盜遙控接收器正常工作時(shí)，MSP430F12X處理器選擇nRF401為無線接收模式，以適時(shí)接收防盜遙控發(fā)射器發(fā)射的數(shù)據(jù)和指令。當(dāng)接收到指紋數(shù)據(jù)時(shí)，MSP430F12X處理器用AT93C46內(nèi)的256位配置字對(duì)接收到的加密指紋進(jìn)行解碼，得到防盜遙控發(fā)射器內(nèi)的 MBF310采集到的真實(shí)活體指紋數(shù)據(jù)。然后把解碼后的指紋數(shù)據(jù)與指紋模板存儲(chǔ)器FM24C64內(nèi)預(yù)存的指紋模板數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，如果比對(duì)結(jié)果為真，表明得到合法身份驗(yàn)證，那么防盜遙控接收器可以接收防盜遙控發(fā)射器的控制指令（防盜遙控發(fā)射器上按鍵設(shè)定的指令），否則不響應(yīng)防盜遙控發(fā)射器發(fā)射的指令數(shù)據(jù)。防盜遙控接收器按鍵用于建立指紋模板，指示燈指示防盜遙控接收器的當(dāng)前工作狀態(tài)。輸出端口1～6是根據(jù)遙控指令產(chǎn)生的輸出控制信號(hào)。防盜遙控接收器的電路連接圖如圖2所示。

　　圖2 防盜遙控接收器的電路連接圖

　　本文設(shè)計(jì)的防盜遙控發(fā)射器采用了刮擦式活體指紋識(shí)別芯片MBF310，屬于第二代指紋識(shí)別技術(shù)，有效克服了第一代指紋識(shí)別技術(shù)識(shí)別率低、識(shí)別橡膠模塑指紋等缺點(diǎn)和不足，提高了安全等級(jí)和正確識(shí)別率。nRF401無線收發(fā)芯片，采用FSK技術(shù)，遙控距離可達(dá)800 m。防盜遙控發(fā)射器和防盜遙控接收器中，AT93C46是編解碼配置芯片，存有256位的編解碼數(shù)據(jù)。遙控發(fā)射器發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí)采用256位編碼加密算法，可以防止遙控發(fā)射的數(shù)據(jù)被截獲破解以及遙控發(fā)射器被仿制，只有遙控發(fā)射器和遙控接收器的編解碼數(shù)據(jù)相同時(shí)，才能進(jìn)行遙控操作，提高了安全等級(jí)。防盜遙控接收器中的指紋模板存儲(chǔ)器采用了8 KB的高速鐵電存儲(chǔ)器FM24C64，可以無故障讀寫1 010次，掉電情況下保持?jǐn)?shù)據(jù)10年不丟失。遙控發(fā)射器和接收器以超低功耗16位處理器MSP430F12X為數(shù)據(jù)處理和控制核心，提高了數(shù)據(jù)運(yùn)算速度和系統(tǒng)的智能化程度，降低了功耗。

　　TOP3 嵌入式指紋識(shí)別系統(tǒng)USB接口電路模塊

　　USB接口硬件主要以接口芯片 PDIUSBD12為中心，設(shè)計(jì)它與USB物理接口以及微控制器之間的連接。接口模塊通過跳線選擇供電方式，可同時(shí)支持USB總線供電方式和外設(shè)供電方式，為全速USB設(shè)備接口。設(shè)計(jì)過程中充分考慮到可靠性、可測(cè)性以及電磁兼容性。其接口電路如圖3所示。

　　接口電路供電通過撥盤開關(guān)K1選擇，當(dāng)K1接MVCC時(shí)，系統(tǒng)為自供電方式；當(dāng)K1接UVSB時(shí)，為總線供電方式。當(dāng)系統(tǒng)處于自供電方式情況下，系統(tǒng)通過 EOT_N引腳來檢測(cè)VUSB是否存在，并接上一個(gè)1M，贅的放電電阻來減弱充電，以確保當(dāng)VUSB移開時(shí)EOT_N變?yōu)榈?，并且此時(shí)自供電電源與USB 總線之間只能共地，同時(shí)設(shè)備不能通過USB口向VBNS輸出電流。

　　一種高性能指紋鎖硬件電路模塊

　　底層控制電路模塊

　　設(shè)計(jì)指紋鎖，除了要有完整的中間構(gòu)件——指紋識(shí)別模塊，還需要配套的底層控制模塊等基礎(chǔ)構(gòu)件。該系統(tǒng)選用高性能低功耗的MEGA8單片機(jī)作為底層控制模塊的CPU處理器。該器件所實(shí)現(xiàn)的功能有：循環(huán)掃描鍵盤并進(jìn)行相應(yīng)處理；控制LED燈指示系統(tǒng)當(dāng)前工作狀態(tài)；驅(qū)動(dòng)電機(jī)執(zhí)行開關(guān)門鎖動(dòng)作；與DSP通訊交互信息等。如圖2所示，單片機(jī)作為底層控制模塊，其IO引腳控制其他器件，采用I2C與DSP進(jìn)行信息交換。

　　電源管理電路模塊

　　電源管理模塊如圖3所示，包括電源和電源管理器件。電源部分，該設(shè)計(jì)由4節(jié)1．5 V串聯(lián)的干電池供電，此電壓實(shí)際最高時(shí)為7 V左右，最低時(shí)為5 V，足以滿足整體體統(tǒng)的電壓要求。電源管理器件，選用手持設(shè)備中常用的低功耗高性能穩(wěn)壓器R1111N331B、XC62068152MR、 XC6-206P332MR，輸出33 V的整體電壓和DSP 1．8 V的核心電壓，這類器件的特點(diǎn)是它具有控制關(guān)斷引引腳，在系統(tǒng)處于睡眠時(shí)，可以通過置位使能端，關(guān)斷整個(gè)系統(tǒng)板的供電，從而達(dá)到低功耗節(jié)能的目的。

　　TOP4 嵌入式指紋鎖系統(tǒng)電路模塊

　　嵌入式指紋鎖的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，有保險(xiǎn)箱、實(shí)驗(yàn)室、樓道的身份確認(rèn)等。本文基于指紋識(shí)別模塊設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了嵌入式指紋鎖，給出了一套比較完整的軟、硬件設(shè)計(jì)方案。指紋識(shí)別門鎖系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要包括：指紋識(shí)別模塊、微控制器、讀寫模塊、電源管理和電控鎖機(jī)構(gòu)以及門鎖功能所需的紅外感應(yīng)電路和液晶 LCD顯示等，其中核心部分是指紋識(shí)別模塊和微控制器。

　　單片機(jī)門鎖控制電路

　　門鎖控制的核心結(jié)構(gòu)是微控制器P89LPC932A1，它是一款單片封裝的MCU，適合于許多要求高集成度、低成本的場(chǎng)合，可以滿足多方面的性能要求。 P89LPC932A1 集成了許多系統(tǒng)級(jí)的功能，這樣可大大減少元件的數(shù)目、電路板面積以及系統(tǒng)的成本。 MCU通過串口與指紋識(shí)別模塊進(jìn)行通訊，完成對(duì)指紋的錄入、刪除、身份確認(rèn)，通過驗(yàn)證后電機(jī)控制門鎖會(huì)執(zhí)行開關(guān)門的動(dòng)作。以單片機(jī)P89LPC932A1 為核心的門鎖控制電路原理圖如圖2所示。P89LPC932A1強(qiáng)大的I/O口多達(dá)26個(gè)，可以滿足外設(shè)部分的鍵盤、LCD液晶顯示、指示燈、按鍵、蜂鳴器等的需求。鍵盤是用來輸入密碼的，LCD顯示用戶注冊(cè)的信息和ID號(hào)，雙色指示燈和蜂鳴器用來提醒用戶操作是否成功或是發(fā)出報(bào)警提示。另外，還有一些遠(yuǎn)程控制的按鍵開關(guān)，用于設(shè)備的上電或執(zhí)行有關(guān)開關(guān)門的操作。具體設(shè)計(jì)可根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合和實(shí)際功能需求增減外圍器件，在盡量滿足功能的前提下降低系統(tǒng)功耗。電機(jī)控制部分由單片機(jī)發(fā)出邏輯命令驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行開關(guān)鎖動(dòng)作。圖中U1是電源控制芯片R1121N，它輸出3.3V給單片機(jī)；U2是I2C讀寫模塊 E2PROM，指紋鎖的開關(guān)門記錄和密碼等重要信息都保存在其中。R1121N是CMOS工藝電壓調(diào)節(jié)器，具有很高的電壓輸出精度、很低的輸入電流。

　　圖2 門鎖控制系統(tǒng)的電路原理圖

　　圖3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制原理圖

　　單片機(jī)的低功耗設(shè)計(jì)，低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求如下： 1） 系統(tǒng)中所有的電路單元都具有功耗管理功能，即該電路單元在非有效操作期間都能被關(guān)斷（沒有功耗）。系統(tǒng)具有按有效時(shí)空占空比實(shí)施精細(xì)功耗管理的能力，能做到合理的系統(tǒng)功耗分配。 2） 對(duì)于系統(tǒng)無法企及的微觀有效操作，要求由電路靜、動(dòng)特性來滿足功耗分配，即電路動(dòng)態(tài)過程有功耗，電路靜態(tài)時(shí)沒有功耗。

　　采用GSM無線通訊網(wǎng)絡(luò)的汽車指紋報(bào)警系統(tǒng)電路模塊

　　報(bào)警通信模塊的軟件設(shè)計(jì)，是要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制TC35i模塊發(fā)送報(bào)警短消息，即通過單片機(jī)串口向 TC35i模塊寫入不同的AT指令，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)送報(bào)警短消息的功能。AT指令是GSM模塊的底層指令，用來控制GSM模塊進(jìn)行無線通信。GSM的AT指令集，是由諾基亞、愛立信、摩托羅拉和惠普等廠家共同為GSM系統(tǒng)研制的，其中包含了對(duì)短消息的控制。

　　圖2　TC35i模塊的外圍硬件電路圖

　　TOP5 掌形識(shí)別數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路模塊

　　擴(kuò)展和時(shí)序存儲(chǔ)電路

　　TCD1206線陣CCD光敏單元大小為：14mm ×14mm ×14mm;如果采集1000行數(shù)據(jù)（對(duì)應(yīng)的手掌大小約為30.24cm ×14cm，大于世界上最長(zhǎng)的手29.6 cm×12cm），則對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)量=2106 ×1000字節(jié)，即本系統(tǒng)每次識(shí)別需處理得最大數(shù)據(jù)量約為2M字節(jié)。為了能及時(shí)快速地暫存這么大量的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)計(jì)中外擴(kuò)了數(shù)據(jù)寬度為16位、內(nèi)部分為4個(gè) Bank、存儲(chǔ)總?cè)萘繛?M字節(jié)的HY57V641620HG SDRAM做為掌形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。其外擴(kuò)SDRAM如圖所示。

　　圖3 SDRAM存儲(chǔ)器外擴(kuò)框圖

　　CCD前級(jí)處理電路

　　所選CCD，其直流輸出信號(hào)約為4.1V，最大飽和輸出為450mV。因此為了便于后級(jí)的相關(guān)雙采樣及數(shù)模轉(zhuǎn)換等處理，必須對(duì)該信號(hào)進(jìn)行隔直、放大等前級(jí)處理。前級(jí)處理的電路如圖所示，其中Q1、Q2、Q3、是射極跟隨器，U2、R3、R4構(gòu)成前置放大電路，放大倍數(shù)為 21倍;C1為隔直電容;C2對(duì)前置放大電路的帶寬進(jìn)行限制，以濾除信號(hào)中的高頻噪聲和尖峰毛刺;輸出端串接幾歐姆電阻與后級(jí)電路做阻抗匹配。

　　跟隨器的輸出阻抗由式得到，其中RS為CCD輸出電阻250W，RB電阻即圖4中的R2，b和rbe分別為三級(jí)管的電路放大倍數(shù)和體電阻。

　　圖4 前級(jí)處理電路圖

　　RO≈（RS//RB）+rbe/b （1）

　　Q1選擇ADI公司的低噪聲、低偏移、高電流放大倍數(shù)的三極管MAT-02，Ic低至1mA時(shí)其電流放大倍數(shù)b》500，體電阻為 0.3W。由式（1）求得射隨電路輸出阻抗小于1W。電路中前置放大器選擇低噪聲電流反饋型運(yùn)放AD844，其電壓噪聲密度En為2nV/，同相端電流噪聲密度In為12pA/。

　　人臉識(shí)別考勤機(jī)接口電路

　　人臉通考勤機(jī)為全球首款嵌入式人臉識(shí)別機(jī)，誤識(shí)率小于十萬分之一，拒識(shí)率小于百分之一。在生物識(shí)別領(lǐng)域中，可以說相當(dāng)精準(zhǔn)，為脫機(jī)版，不用連接電腦，插上電源即可使用，每用下載考勤記錄可以通過兩種方式，一種可以通過U盤下載，另一種可以用網(wǎng)線連接局域網(wǎng)內(nèi)，通過電腦下載。采用雙目立體人臉識(shí)別技術(shù)，不受室內(nèi)光線影響，黑暗中亦可識(shí)別，應(yīng)用環(huán)境為室內(nèi)，溫度不低于0度，使用距離為30--80cm，與指紋相比，人臉通是非接觸使用，避免交叉接觸感染，安全衛(wèi)生，同時(shí)因?yàn)榉墙佑|式，機(jī)器本身沒磨損。采用53度角斜面獨(dú)特設(shè)計(jì)，安裝距地面1.15米，可適合1.4--2米間人員使用，解決不同身高人員的使用，識(shí)別速度小1秒，識(shí)別成功將語音報(bào)名，結(jié)合門禁使用時(shí)，具有安保記錄功能，安保記錄循環(huán)覆蓋，記錄任何通過及未通過人員的時(shí)間和照片信息，可備后期追查，可以采用壁掛方式、安裝在落地支架上、安裝桌面支架上擺放在桌面上，三種方式使用，安裝高度為。

　　TOP6 基于ARM的非特定人語音識(shí)別系統(tǒng)電路模塊

　　微控制核心電路

　　系統(tǒng)采用ARM Cortex M3內(nèi)核ST公司的32位高性能單片機(jī)STM32F103C8T6 為控制核心，該芯片可以達(dá)到72 MHz的工作頻率，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器（64 KB的閃存和20 KB的SRAM），擁有豐富的I/O口資源和鏈接到兩條APB 總線的外設(shè)。包括了12 b 的ADC、通用16 b 的定時(shí)器、還包括I2C、SPI、USART、USB、CAN等總線或串行通信接口，片內(nèi)資源和擴(kuò)展接口都十分豐富，該微控制核心是專門設(shè)計(jì)于滿足高穩(wěn)定性、低功耗、實(shí)時(shí)性、高性價(jià)比的嵌入式產(chǎn)品應(yīng)用。該內(nèi)核芯片可以滿足非特定人語音識(shí)別的功能要求，利用相關(guān)電路構(gòu)成STM32F103C8T6 的最小系統(tǒng)，在硬件PCB 中還集成了功能引針輸出接口、SD卡接口、USB下載\調(diào)試電路，用戶按鍵、電源電路等，核心系統(tǒng)電路圖如圖3所示，配合其他外圍擴(kuò)展達(dá)到功能要求。

　　非特定人語音識(shí)別電路

　　本系統(tǒng)中選用IC Route公司生產(chǎn)的LD3320非特定人語音識(shí)別芯片，該芯片是非特定人語音識(shí)別的專用芯片，內(nèi)部已經(jīng)集成了語音識(shí)別處理器和一些信號(hào)調(diào)制電路，擁有高性能的A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、麥克風(fēng)音頻信號(hào)輸入接口、音頻解碼輸出接口等，用戶只需要用軟件編輯好待識(shí)別的關(guān)鍵詞列表，LD3320最大可以支持 50 條關(guān)鍵詞句，把這些列別以字符的形式傳送到芯片中，就可以對(duì)待識(shí)別的語音信號(hào)進(jìn)行近似度分析，識(shí)別后輸出結(jié)果。

　　LD3320 整體工作電路如圖4 所示，總體上可以把電路圖分為8個(gè)部分，分別是LD3320基礎(chǔ)外圍電路、電源電路、外部晶體振蕩器電路、麥克風(fēng)信號(hào)處理電路、去耦合濾波電路、解碼音頻去直流成分電路、功能引針輸出電路、狀態(tài)信號(hào)指示電路。語音識(shí)別單元對(duì)于電源供電電路的要求較高，電路中注重對(duì)供電純凈度的要求，由系統(tǒng)中的LDO芯片 LM1117-3.3 V為語音識(shí)別系統(tǒng)供電，加上電感、電容為供電進(jìn)行濾波，RSTB為L(zhǎng)D3320復(fù)位引腳，連接到主控制器進(jìn)行復(fù)位控制。LD3320支持并行數(shù)據(jù)通信和串行數(shù)據(jù)通信，在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中考慮對(duì)主控I/O 資源的占用問題，故而選用串行通信方式對(duì)LD3320 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送和控制，LD3320 的MD 引腳通過上拉電阻鉗位為高電平。SPI總線的SDI、SDO、SDCK和SCS引腳連接到主控芯片對(duì)應(yīng)引腳。INTB為中斷信號(hào)引腳，遇到識(shí)別結(jié)果輸出或者是內(nèi)部音頻文件解碼完成等狀態(tài)，該引腳會(huì)對(duì)應(yīng)輸出電平狀態(tài)通知主控。MBS引腳作為麥克風(fēng)偏置電壓輸入，連接了RC電路，保證產(chǎn)生一個(gè)浮動(dòng)電壓供給麥克風(fēng)信號(hào)。

　　嵌入式指紋處理系統(tǒng)模塊電路模塊

　　采用了MBF200的MCU模式獲取指紋圖像。它與DSP和CPLD的硬件連接如下：傳感器的8位數(shù)據(jù)線直接與TMS320VC5402 的低8位數(shù)據(jù)線相連，讀寫信號(hào)線由EPM3032AE控制，通過編程可將采集到的指紋圖像數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)到SRAM 四頁(yè)中的任意一頁(yè)或兩頁(yè)中， 由于SRAM 每頁(yè)最多只能提供48KW 的數(shù)據(jù)空間，為了后續(xù)編寫指紋識(shí)別程序的方便，編寫程序設(shè)置MBF200的寄存器將采集圖像數(shù)據(jù)控制在48KB以內(nèi)，本文所采集的指紋圖像像素為 220×220，存于SRAM的第一頁(yè)。另外，需要注意的是MBF200的兩種起振方式：采用內(nèi)部多諧振蕩器起振，將MBF200的FSET 管腳通過者外接晶體振蕩電路，使用外部時(shí)鐘時(shí)通過XTAL1．XTAL2連接晶體電路來產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)。本文通過設(shè)置MBF200寄存器CTRLB的 XTALSEL位為低采用第一種起振方式。指紋采集部分的硬件連接如圖2所示。

　　圖2 指紋采集部分硬件連接圖

　　USB接口擴(kuò)展電路模塊

　　考慮到模塊板可能需要外掛海量存儲(chǔ)器存儲(chǔ)指紋模版及與PC機(jī)等上位機(jī)進(jìn)行通信，采用CH375擴(kuò)展了系統(tǒng)的USB接口，它是一個(gè)USB總線的通用設(shè)備接口芯片，無需用戶編寫驅(qū)動(dòng)程序，CH375以C語言子程序庫(kù)提供了USB存儲(chǔ)設(shè)備的文件級(jí)接口，這些應(yīng)用層接ISIAPI包含了常用的文件級(jí)操作，可以方便移植并嵌入到各種常用的單片機(jī)程序中，這樣對(duì)USB 設(shè)備的通信就幾乎和訪問本地硬盤一樣。它具有8位數(shù)據(jù)總線（D0-D7）、讀（/RD）、寫（/WR）、片選控制線（/CS）以及中斷輸出（/INT），可以方便地與TMS320VC5402進(jìn)行連接。另外CH375有一個(gè)地址線A0，它占用兩個(gè)地址位，當(dāng)A0引腳為高電平時(shí)選擇命令端口，可以寫入命令; 當(dāng)A0引腳為低電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)端口，可以讀寫數(shù)據(jù)，其硬件連接如圖3所示。

　　圖3 USB擴(kuò)展硬件連接圖

　　對(duì)于嵌入式指紋處理模塊硬件的構(gòu)建，考慮到整個(gè)模塊所需實(shí)現(xiàn)的功能、成本和處理速度的要求，選用TI公司生產(chǎn)的DSP處理器TMS320VC5402作為整個(gè)模塊的核心處理芯片，它是TI公司推出的一款性價(jià)比極高的DSP處理器，其內(nèi)部包括4KW 的ROM，16KW 片內(nèi)DARAM，2個(gè)定時(shí)器，4個(gè)外部中斷，外部程序空間可擴(kuò)展到1MW，并且它可工作在3種低功耗方式（IDLE1，IDLE2，IDLE3），能較好的滿足本模塊需要。指紋圖像采集芯片選擇FUJITSU公司推出的新一代固態(tài)指紋傳感器MBF200。它是一款專為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的高性能、低功耗的電容指紋傳感器。

　　TOP7 基于MSP430的指紋識(shí)別門禁系統(tǒng)電路模塊

　　基于MSP430的指紋識(shí)別系統(tǒng)，主要有三部分組成，第一部分為指紋識(shí)別模塊，用來實(shí)現(xiàn)指紋的采樣和比對(duì)?？紤]到開發(fā)周期，系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面的問題，采用了“可編程指紋模塊”B IG1080P- H指紋識(shí)別模塊。第二部分為讀寫電路，采用串行MF RC531芯片，用來實(shí)現(xiàn)非連接的讀寫控制。第三部分為鍵盤與液晶電路，鍵盤用來觸發(fā)控制箱從低功耗狀態(tài)蘇醒， 液晶用來提示操作過程。選用HF12232F模塊，可以顯示7.5×2個(gè)（16×16點(diǎn)陣）漢字。

　　接口電路模塊

　　MFRC531是應(yīng)用于13.56MHz非接觸式通信中高集成讀寫卡芯片系列中的一員。該讀寫卡芯片系列利用了先進(jìn)的調(diào)制和解調(diào)概念， 完全集成了在13.56MHz下所有類型的被動(dòng)非接觸式通信方式和協(xié)議。MFRC531 支持ISO/IEC14443A/B的所有層和MIFARE經(jīng)典協(xié)議， 以及與該標(biāo)準(zhǔn)兼容的標(biāo)準(zhǔn)。支持高速M(fèi)IFARE非接觸式通信波特率。內(nèi)部的發(fā)送器部分不需要增加有源電路就能夠直接驅(qū)動(dòng)近操作距離的天線（可達(dá) 100mm）。接收器部分提供一個(gè)堅(jiān)固而有效的解調(diào)和解碼電路，用于ISO14443A兼容的應(yīng)答器信號(hào)。數(shù)字部分處理ISO14443A幀和錯(cuò)誤檢測(cè)（ 奇偶&CRC）。此外，它還支持快速CRYPTO1加密算法，用于驗(yàn)證 MIFARE系列產(chǎn)品。與主機(jī)通信模式有8位并行和SPI模式，用戶可根據(jù)不同的需求選擇不同的模式，這樣給讀卡器/終端的設(shè)計(jì)提供了極大的靈活性。在本系統(tǒng)中，與主機(jī)通信模式選用SPI模式（如圖2所示），同時(shí)可以節(jié)約CPU的IO口資源。

　　MFRC531天線設(shè)計(jì)模塊

　　MFRC531是實(shí)現(xiàn)通信的核心模塊，也是控制器控制讀寫IC卡的關(guān)鍵接口芯片。它根據(jù)寄存器的設(shè)定對(duì)發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制得到發(fā)送的信號(hào)，并通過TX1，TX2腳驅(qū)動(dòng)天線以電磁波的形式發(fā)出去。天線（如圖3所示）發(fā)出頻率固定的電磁波13. 56MHz，射頻卡接收到電磁波后，由卡中自帶的LC串聯(lián)諧振電路產(chǎn)生共振，從而使電容充電有了電荷，再接一個(gè)單向?qū)щ姷?a target="_blank">電子泵，將電荷送到另一個(gè)電容內(nèi)存儲(chǔ)，經(jīng)過濾波整流后產(chǎn)生 2V 的電壓作為電源供卡片工作使用?？ㄆ幚斫邮盏拿詈蛿?shù)據(jù)，并將結(jié)果返回給讀寫器。

　　MODEM通訊模塊

　　在本系統(tǒng)中電源選用了功耗極低MSP430 作為控制器。它的工作電壓范圍為1.8~3.6V，有一種活動(dòng)模式和5種低功耗省電模式，6μs內(nèi)從等待狀態(tài)喚醒。這些特點(diǎn)使MSP430系列芯片在電池供電，便攜式設(shè)備的應(yīng)用中表現(xiàn)出優(yōu)良的特性。控制箱采用鋰電池給CPU及其他模塊供電。由于設(shè)備使用頻率較低，功耗較少，可以設(shè)計(jì)當(dāng)設(shè)備在夜晚或者周末非正常工作時(shí)間時(shí)，采用電話線給鋰電池充電。電話局交換機(jī)通過提供直流饋電的方式向用戶供電，一般直撥電話的空載電壓為48V，分機(jī)為24V，交換機(jī)提供的摘機(jī)電流大約20mA。因此，控制箱系統(tǒng)可以主動(dòng)摘機(jī)，然后利用這20mA的摘機(jī)電流對(duì)電池充電，當(dāng)然，充電不能在正常工作時(shí)間進(jìn)行，這樣會(huì)造成監(jiān)控中心需要傳輸數(shù)據(jù)時(shí)無法撥通本控制箱號(hào)碼，因?yàn)楸痉绞孪日獧C(jī)時(shí)對(duì)方會(huì)檢測(cè)到忙音。

　　TOP8 基于FPGA的指紋識(shí)別系統(tǒng)電路模塊

　　指紋采集模塊

　　本設(shè)計(jì)中采用的是富士通的MBF200指紋傳感器，MBF200硬件框圖如圖6所示，采用SPI模式，所以MBF200與FPGA只通 MISO，MOSI，/S/C/S，SCLK四個(gè)端口相連接。 /S/C/S為MBF200的使能端，SCLK為MBF200的系統(tǒng)時(shí)鐘，當(dāng)需要采集指紋信號(hào)時(shí)，F(xiàn)PGA向/S/C/S發(fā)送低電平，則MBF200開始工作。FPGA通過MOSI向MBF200發(fā)送控制命令，控制MBF200的數(shù)據(jù)輸出方式及傳輸模式。VDD［3:1］為數(shù)字電源輸入，VDDA［2:1］為模擬電源輸入，VSS［3:1］為數(shù)字地，VSSA［2:1］為模擬地，所以如圖所接。而為了防止數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬信號(hào)的干擾，用 10歐電阻隔開。并且數(shù)字電源輸入與相應(yīng)的數(shù)字地之間均接有電容用來閣除非直流信號(hào)。為了防止數(shù)字地與信號(hào)地之間的干擾，本設(shè)計(jì)采用0歐電阻隔離。0歐電阻相當(dāng)于很窄的電流通路，能夠有效地限制環(huán)路電流，使噪聲得到抑制。電阻在所有頻帶上都有衰減作用（0歐電阻也有阻抗），這點(diǎn)比磁珠強(qiáng)。

　　MODE［1:0］引腳是用來設(shè)定MBF200所用接口模式的，在本設(shè)計(jì)中，置MODE［1:0］為01，選定SPI傳輸模式。 在SPI模式當(dāng)中，AIN，ISET，F(xiàn)EST三個(gè)接口都不會(huì)用上，但根據(jù)MBF200內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)，最好接電阻與地相接。

　　指紋數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

　　SPCE061A單片機(jī)與指紋識(shí)別模塊的接口電路

　　SPCE061A單片機(jī)［10］通過串行口與指紋識(shí)別模塊OM—20通信［11］。SPCE061A單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)全雙工的通用異步接收器／發(fā)送器UART。UART的接收信號(hào)Rx和發(fā)送信號(hào)Tx分別與IOB7和IOB10共用，屬于B口的特殊功能。 由于SPCE061A單片機(jī)串口采用TTL電平，而指紋識(shí)別模塊OM—20串口采用RS232電平，為了實(shí)現(xiàn)兩者之間的通訊必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。 RS232標(biāo)準(zhǔn)是美國(guó)電子工業(yè)聯(lián)合會(huì)正式公布的串行總線標(biāo)準(zhǔn)，RS232串行接口總線適用于設(shè)備之間的通訊距離不大于15ｍ，傳輸速率最大為 20kBps。RS232采用負(fù)邏輯規(guī)定邏輯電平。

　　實(shí)現(xiàn)RS232與TTL邏輯電平轉(zhuǎn)換可用分立元件，也可用集成電路芯片。目前較為廣泛使用的集成電路轉(zhuǎn)換器件，如MC1488、SN75150芯片可完成TTL電平到RS232電平的轉(zhuǎn)換，而MC1489、SN75154可實(shí)現(xiàn)RS232電平到TTL電平的轉(zhuǎn)換。 圖3.1為SPCE061A單片機(jī)與指紋識(shí)別模塊OM—20的接口電路，MAX232對(duì)電源噪聲很敏感，因此Vcc加1μf去耦電容，電容 C1，C2，C3，C4取1μf去耦電容，用于提高抗干擾能力。

　　TOP9 智能語音識(shí)別避障機(jī)器人電路模塊

　　超聲波發(fā)射電路模塊

　　由單片機(jī)產(chǎn)生40KHz的方波，并通過模組接口（J4）送到模組的CD4049，而后面的CD4049則對(duì)40KHz頻率信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，以使超聲波傳感器產(chǎn)生諧振。

　　超聲波回波接收處理電路模塊

　　超聲波接收處理部分電路前級(jí)采用NE5532構(gòu)成10000倍放大器，對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行放大；后級(jí)采用LM311比較器對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行調(diào)整，比較電壓為L(zhǎng)M311的3管腳的輸入，可由J1跳線選擇不同的比較電壓以選擇不同的測(cè)距模式。

　　電源接口電路模塊

　　為外部電源接口，最高電壓不要超過12V，J2為電源選擇跳線，VCC_5即為由61板通過10PIN排線引入模組的電源；VCC即為模組的放大器、調(diào)理電路的供電電源。當(dāng)用戶使用61板為其供電時(shí)，要把VCC與VCC_5V短接；而使用外部電源時(shí)，要把VCC與VCC_IN短接。

　　TOP10 基于TLV320AIC23的控制電路模塊

　　TLV320AIC23是Tl公司的一款低成本、低功耗的音頻編解碼器（CODEC），在本系統(tǒng)中負(fù)責(zé)采集語音信號(hào)。它與本系統(tǒng)相關(guān)的性能參數(shù)有：支持8～96 kHz可調(diào)采樣率；可調(diào)1～5dB的完整緩存放大系統(tǒng)等。圖4是TLV320AIC23的電路圖。

　　AM29LV800B存儲(chǔ)器又稱閃存（Flash），它具有在線電擦寫、低功耗、大容量等特點(diǎn)，其存儲(chǔ)容量為8Mbit。上電后，DSP從外部Flash加載并執(zhí)行程序代碼，使系統(tǒng)能夠脫機(jī)運(yùn)行。在本系統(tǒng)中，它主要用來存儲(chǔ)程序代碼、語音模型、以及壓縮后的語音數(shù)據(jù)。

　　語音識(shí)別電路

　　圖為語音識(shí)別部分原理圖，參照了ICRoute發(fā)布的LD3320數(shù)據(jù)手冊(cè)進(jìn)行設(shè)計(jì)。LD3320的內(nèi)部集成了快速穩(wěn)定的優(yōu)化算法，不需外接Fla-sh、RAM，不需要用戶事先訓(xùn)練和錄音而完成非特定人語音識(shí)別，識(shí)別準(zhǔn)確率高。

　　圖中，LD3320采用并行方式直接與STM32F103C8T6相接，均采用1kΩ電阻上拉，A0用于判斷是數(shù)據(jù)段還是地址段；控制信號(hào)，復(fù)位信號(hào)以及中斷返回信號(hào)INTB與STM32F103C8T6直接相連，采用10kΩ電阻上拉，輔助系統(tǒng)穩(wěn)定工作；和STM32F103C8T6采用同一個(gè)外部8 MHz時(shí)鐘；發(fā)光二極管D1、D2用于復(fù)位后的上電指示；MBS（引腳12）作為麥克風(fēng)偏置，接了一個(gè)RC電路，保證能輸出一個(gè)浮動(dòng)電壓給麥克風(fēng)。

　　實(shí)時(shí)語音識(shí)別系統(tǒng)在家庭監(jiān)護(hù)機(jī)器人電路模塊

　　本文的設(shè)計(jì)是用在移動(dòng)機(jī)器人上的，因而需要語音的輸入、識(shí)別處理及語音輸出的功能。對(duì)于語音的輸入采集，本文使用聲音傳感器麥克風(fēng)及外圍電路來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于語音輸出部分，使用功率放大器結(jié)合喇叭來使用。設(shè)計(jì)語音部分原理圖如圖3所示。

　　圖3 語音輸入原理圖