語音電子開關系統設計

蘇智華

（西安歐亞學院 陜西 西安710065）

語音電子開關系統設計

蘇智華

（西安歐亞學院 陜西 西安710065）

為了實現高安全性的身份認證的需求，提出了一種基于生物特征識別的身份認證方式。本文主要介紹了利用單片機進行控制，LD3320語音識別芯片與SYN6288語音合成芯片以及ISD4004語音錄放芯片構建的語音電子開關系統的軟硬件設計方法，該系統是語音識別和電子密碼鎖技術相結合的一種方式，可實現語音及密碼開鎖、防止多次試探報警、智能修改密碼等功能。以單片機為核心并結合語音控制模塊的密碼鎖，不僅具有較強的隱蔽性、保密性、控制內容多等特定，其響應速度更快，抗干擾能力強，功耗及成本均較低。

語音識別；語音合成；語音錄放；MCU

目前，傳統口令式身份認證因單因子的軟件認證方式導致其抗猜測攻擊性差、安全性較差，而基于生物特征識別的身份認證技術的日趨成熟、以及高安全性，已逐步替代傳統的認證方式[1]。隨著電子技術的飛速發展，特別是單片機應用技術的不斷發展，以單片機為中心控制部件、語言識別的電子開關系統得到廣泛應用。

1 系統總體方案

語音電子開關系統是以AT89C51單片機為控制核心，另外主要由鍵盤輸入、密碼存儲、狀態指示、語音識別、語音合成、語音錄放、密碼顯示、電源電路等部分組成。該系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

系統可以識別5個語音輸入，語音識別正確后能自動開鎖，且對5個語音輸入給出5種不同的語音回答。語音輸入經過訓練學習后就可以識別驗證了，識別正確可以產生相應的輸出送單片機處理。系統在語言不能正確識別時，也可以通過行列式鍵盤輸入密碼：初始密碼需預先寫入具有I2C總線的EEPROM存儲器AT24C02C中。通電復位后，系統等待用戶輸入密碼。單片機將輸入的密碼與從ATC2402C中讀出的密碼進行比較判斷。如果輸入的密碼正確，則開鎖指示燈亮，表明鎖開；如果密碼不正確，則發出錯誤指示，允許用戶重新輸入密碼，最多可輸入3次；如果3次都不正確，則就會發出聲光報警，同時將鍵盤鎖定。只有在開鎖狀態下，才可以修改密碼。開鎖后若要重新上鎖，按下上鎖鍵即可。

2 硬件設計

硬件結構主要包含兩大模塊：數字存儲密碼鎖；語音識別模塊與語音合成、錄放模塊。具體為以下幾部分：單片機及其外圍電路；狀態指示與報警電路；外部存儲器電路；鍵盤接口電路；語音模塊電路；門鎖電機驅動電路；液晶顯示電路。

在本系統中，單片機AT89C51的32根輸入/輸出口線分配如下：P0.0～P0.7的 8個 I/0口線和P3.2～P3.4用于液晶顯示器的端口相連；P3.6和P3.7的 2根 I/0口線用于接 AT24C01；P2.0～P2.3和P2.4～P2.7的8根I/0口線用于組成4×4的行列式鍵盤接口；為了保證用戶密碼和程序運行過程的重要標志在系統掉電時不丟失，本系統采用具有標準I2C總線的EEPROM AT24C02來保存這些數據。在單片機的外圍電路中設置了功能按鍵，包括錄放撥動開關SW1、運行開關、停止按鍵及錄放指示燈D1，分別與單片機的P1.4、P1.5、P1.6和P1.7管腳相連，如圖2所示。

圖2 單片機、功能鍵、顯示及外部密碼存儲電路

LD3320是基于非特定人語音識別技術的語音識別芯片，芯片上集成了高精度的A/D和D/A接口，不再需要外接輔助的Flash和RAM，即可以實現語音識別、聲控、人機對話功能。并且，識別的關鍵詞語列表是可以動態編輯的。因此，在最簡單的51主控芯片的系統中，LD3320可輕松實現語音識別/聲控/人機對話功能。LD3320的T/I02引腳連接單片機P3.0/RXD引腳，實現語音數據傳輸。

圖3 LD3320語音識別模塊、SYN6288語音合成模塊

SYN6288中文語音合成芯片通過異步串口接收待合成的文本，實現文本到聲音 （TTS）的轉換。SYN6288的BUSY引腳連接單片機P3.5引腳，實現SYN6288工作狀態的判斷，

R引腳連接單片機P3.1/TXD引腳，實現語音數據傳輸。LD3320語音識別模塊和SYN6288語音合成模塊如圖3所示。

語音錄放電路設計中：第一，作為語音播報，編程錄入的只放型和掩膜生產的只放型都不符合錄音的需求；第二，作為核心芯片，它具有斷電保護功能，完全斷電也能保存信息一百年以上；第三，聲音記錄不需要A/D轉換和壓縮，所需外圍電路簡單；第四，ISD4004具有記錄時間長的優點。在51單片機控制的語音控制系統中，想要對多個不同語音輸入進行處理，美國ISD公司的ISD4004符合語音合成播放電路的設計要求。ISD4004不能獨立進行錄放工作，需采用SPI總線方式與單片機連接，通過數據端MOSI、MISO、時鐘端SCLK、片選段與單片機相連，ISD4004錄放電路如圖4所示。通過軟件控制，就可以實現語音錄放系統。

圖4 ISD4004語音錄放模塊

3 軟件設計

本軟件設計部分主要是由主控程序、鍵盤子程序、語音識別子程序、語音合成子程序、密碼初始化程序、延時子程序、修改密碼子程序、鍵盤掃描輸入子程序、液晶顯示子程序組成。ISD4004工作于SPI串行接口，對于ISD4004系統主程序如圖5所示。

系統軟件對語音識別的監測可發現是否有正確的語音信號輸入，當利用語音開鎖時，調用語音合成子程序，判斷接受數據是否與發送數據相符。當識別正確時，系統進入外部中斷，單片機控制開鎖，回應語音信息。系統也可以直接輸入5位的電子密碼開鎖，初始密碼設置程序是將5位的初始密碼寫入到AT24C02中的控制程序。在此將初始密碼設置為00000。它對輸入的5位十進制密碼進行判別，如果輸入密碼正確，則可以直接開鎖或修改密碼之后開鎖。如果不正確，并且3次以上輸入不正確，則發出報警并封鎖輸入口。

圖5 系統主程序

4 結 論

該系統是用語音識別系統和電子密碼技術兩者結合的系統設計方案而設計出的一種語音電子開關系統。采用LD3320語音識別芯片與SYN6288語音芯片以及ISD4004語音錄放芯片建立語音系統，對語音信息進行組合。在硬件調試過程中，實現了密碼開鎖、防止多次試探報警、智能修改密碼等功能，而且控制內容多，響應速度快，抗干擾能力強，有較強的隱蔽性，保密性。系統可以直接用于家庭、單位等場合的做門鎖控制，也可提取語音的錄放部分制作成公交車站運行情況語音實時播報以及電梯運行語音播報等等。也可添加雙重密碼控制，增加電子開關的安全性。

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The design of voice electronic switching system

SU Zhi-hua
（Xi'an Eurasia University，Xi'an 710065，China）

In order to realize the requirement of high security authentication，this method is proposed based on biometric identification.This paper mainly introduces the use of single-chip control，chip LD3320 and voice SYN6288 synthesis chip and ISD4004 voice recording chip to construct electronic voice switching system software and hardware design method，the system is a way of combining the technology of speech recognition and electronic password lock，can realize voice and unlock password，prevent many test alarm， intelligent to modify the password function.Based on single-chip microcomputer as the core and combined with the voice control module of the password lock，not only has strong concealed，confidentiality，control content and specific，the response speed is faster，strong anti-interference ability，power consumption and costs were lower.

speech recognition；speech synthesis；voice recording；MCU

TN92

：A

：1674－6236（2017）05-0162-03

2016-03-31稿件編號：201603415

蘇智華（1977—），女，河南孟縣人，碩士，講師。研究方向：單片機技術。