语音电子开关系统设计

苏智华

（西安欧亚学院 陕西 西安710065）

语音电子开关系统设计

苏智华

（西安欧亚学院 陕西 西安710065）

为了实现高安全性的身份认证的需求，提出了一种基于生物特征识别的身份认证方式。本文主要介绍了利用单片机进行控制，LD3320语音识别芯片与SYN6288语音合成芯片以及ISD4004语音录放芯片构建的语音电子开关系统的软硬件设计方法，该系统是语音识别和电子密码锁技术相结合的一种方式，可实现语音及密码开锁、防止多次试探报警、智能修改密码等功能。以单片机为核心并结合语音控制模块的密码锁，不仅具有较强的隐蔽性、保密性、控制内容多等特定，其响应速度更快，抗干扰能力强，功耗及成本均较低。

语音识别；语音合成；语音录放；MCU

目前，传统口令式身份认证因单因子的软件认证方式导致其抗猜测攻击性差、安全性较差，而基于生物特征识别的身份认证技术的日趋成熟、以及高安全性，已逐步替代传统的认证方式[1]。随着电子技术的飞速发展，特别是单片机应用技术的不断发展，以单片机为中心控制部件、语言识别的电子开关系统得到广泛应用。

1 系统总体方案

语音电子开关系统是以AT89C51单片机为控制核心，另外主要由键盘输入、密码存储、状态指示、语音识别、语音合成、语音录放、密码显示、电源电路等部分组成。该系统框图如图1所示。

图1 系统框图

系统可以识别5个语音输入，语音识别正确后能自动开锁，且对5个语音输入给出5种不同的语音回答。语音输入经过训练学习后就可以识别验证了，识别正确可以产生相应的输出送单片机处理。系统在语言不能正确识别时，也可以通过行列式键盘输入密码：初始密码需预先写入具有I2C总线的EEPROM存储器AT24C02C中。通电复位后，系统等待用户输入密码。单片机将输入的密码与从ATC2402C中读出的密码进行比较判断。如果输入的密码正确，则开锁指示灯亮，表明锁开；如果密码不正确，则发出错误指示，允许用户重新输入密码，最多可输入3次；如果3次都不正确，则就会发出声光报警，同时将键盘锁定。只有在开锁状态下，才可以修改密码。开锁后若要重新上锁，按下上锁键即可。

2 硬件设计

硬件结构主要包含两大模块：数字存储密码锁；语音识别模块与语音合成、录放模块。具体为以下几部分：单片机及其外围电路；状态指示与报警电路；外部存储器电路；键盘接口电路；语音模块电路；门锁电机驱动电路；液晶显示电路。

在本系统中，单片机AT89C51的32根输入/输出口线分配如下：P0.0～P0.7的 8个 I/0口线和P3.2～P3.4用于液晶显示器的端口相连；P3.6和P3.7的 2根 I/0口线用于接 AT24C01；P2.0～P2.3和P2.4～P2.7的8根I/0口线用于组成4×4的行列式键盘接口；为了保证用户密码和程序运行过程的重要标志在系统掉电时不丢失，本系统采用具有标准I2C总线的EEPROM AT24C02来保存这些数据。在单片机的外围电路中设置了功能按键，包括录放拨动开关SW1、运行开关、停止按键及录放指示灯D1，分别与单片机的P1.4、P1.5、P1.6和P1.7管脚相连，如图2所示。

图2 单片机、功能键、显示及外部密码存储电路

LD3320是基于非特定人语音识别技术的语音识别芯片，芯片上集成了高精度的A/D和D/A接口，不再需要外接辅助的Flash和RAM，即可以实现语音识别、声控、人机对话功能。并且，识别的关键词语列表是可以动态编辑的。因此，在最简单的51主控芯片的系统中，LD3320可轻松实现语音识别/声控/人机对话功能。LD3320的T/I02引脚连接单片机P3.0/RXD引脚，实现语音数据传输。

图3 LD3320语音识别模块、SYN6288语音合成模块

SYN6288中文语音合成芯片通过异步串口接收待合成的文本，实现文本到声音 （TTS）的转换。SYN6288的BUSY引脚连接单片机P3.5引脚，实现SYN6288工作状态的判断，

R引脚连接单片机P3.1/TXD引脚，实现语音数据传输。LD3320语音识别模块和SYN6288语音合成模块如图3所示。

语音录放电路设计中：第一，作为语音播报，编程录入的只放型和掩膜生产的只放型都不符合录音的需求；第二，作为核心芯片，它具有断电保护功能，完全断电也能保存信息一百年以上；第三，声音记录不需要A/D转换和压缩，所需外围电路简单；第四，ISD4004具有记录时间长的优点。在51单片机控制的语音控制系统中，想要对多个不同语音输入进行处理，美国ISD公司的ISD4004符合语音合成播放电路的设计要求。ISD4004不能独立进行录放工作，需采用SPI总线方式与单片机连接，通过数据端MOSI、MISO、时钟端SCLK、片选段与单片机相连，ISD4004录放电路如图4所示。通过软件控制，就可以实现语音录放系统。

图4 ISD4004语音录放模块

3 软件设计

本软件设计部分主要是由主控程序、键盘子程序、语音识别子程序、语音合成子程序、密码初始化程序、延时子程序、修改密码子程序、键盘扫描输入子程序、液晶显示子程序组成。ISD4004工作于SPI串行接口，对于ISD4004系统主程序如图5所示。

系统软件对语音识别的监测可发现是否有正确的语音信号输入，当利用语音开锁时，调用语音合成子程序，判断接受数据是否与发送数据相符。当识别正确时，系统进入外部中断，单片机控制开锁，回应语音信息。系统也可以直接输入5位的电子密码开锁，初始密码设置程序是将5位的初始密码写入到AT24C02中的控制程序。在此将初始密码设置为00000。它对输入的5位十进制密码进行判别，如果输入密码正确，则可以直接开锁或修改密码之后开锁。如果不正确，并且3次以上输入不正确，则发出报警并封锁输入口。

图5 系统主程序

4 结 论

该系统是用语音识别系统和电子密码技术两者结合的系统设计方案而设计出的一种语音电子开关系统。采用LD3320语音识别芯片与SYN6288语音芯片以及ISD4004语音录放芯片建立语音系统，对语音信息进行组合。在硬件调试过程中，实现了密码开锁、防止多次试探报警、智能修改密码等功能，而且控制内容多，响应速度快，抗干扰能力强，有较强的隐蔽性，保密性。系统可以直接用于家庭、单位等场合的做门锁控制，也可提取语音的录放部分制作成公交车站运行情况语音实时播报以及电梯运行语音播报等等。也可添加双重密码控制，增加电子开关的安全性。

[1]朱璇，唐晓茜，殷建军.基于单片机的智能加密电子密码锁设计[J].轻工机械，2009，27（4）：76-78，82.

[2]周功明.基于AT89C2051单片机的防盗自动报警电子密码锁系统的设计[J]，绵阳师范学院学报，2007，26（5）：112-115.

[3]李宝营，赵永生，祁建广.基于单片机的红外遥控系统设计[J].机电工程技术，2008，37（12）：77-79.

[4]钟斌，苗力江，陈凤，等.基于AT89C51的密码遥控系统设计[J].硅谷，2008（5）：26-29.

[5]张玉梅，曲仕茹，白树林.基于单片机控制的多路红外遥控开关[J].西安工程科技学院学报，2005，19（4）:443-445.

[6]金鑫，田犇，阙大顺.基于LD3320的语音控制系统设计实现[J].电脑与信息技术，2011，19（6）:22-25.

[7]LD3320语音识别芯片ICRoute[DB/OL].[2010-07-01]http://www.icroute.com/web_cn/LD3320X_Debug Pr-ocess.html.

[8]Saraswathi S，Vishalakshy R.Ddsign of Multilingual Speech Synthesis System[J].Intelligent Information Mana-Gement，2010（2）:58-64.

[9]黄胜全，杜春风.新型密码锁的研制[J].东北电力学院学报，2004，24（2）：71-72.

[10]张白莉.时序电子密码锁的设计[J].忻州师范学院学报，2004，20（2）：73-78.

[11]曹建国，王威，王丹.一种基于VHDL的电子密码锁的设计与实现[J].沈阳大学学报，2006，18（4）：77-79.

[12]赵力.语音信号处理[M].2版.北京机械工业出版社，2009.

[13]J.M.Portal，H.Aziza，D.Née.EEPROM Diagnosis Based on Threshold Voltage Embedded Measurement[J].Journal of Electronic Testing，2005，1（21）：132-135.

[14]Jack R，Smith.Infrared Remote Control[J].Programming the PIC Microcontroller with MBASIC，2005：244-248.

[15]语音芯片编程拷贝机使用手册（V3.0）[EB/OL].http:// cherrychio.yeah.net，2004.

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稿件编号：201603415

苏智华（1977—），女，河南孟县人，硕士，讲师。研究方向：单片机技术。