戴麗華，夏郅

（蘇州工業(yè)職業(yè)技術學院，江蘇蘇州，215104）

0 引言

近年來，隨著科技的不斷進步和人們的日常生活水平的提高，小型室內零食儲存柜作為智能家居中的一個重要組成部分，為人們提供便利。本篇研究以基于“龍芯”1B 處理器的智能室內零食儲存柜為研究對象，探討其新型材料和技術應用，旨在提高其性能和用戶體驗。該研究主要是基于零食儲存柜在日常生活中廣泛應用的實際需求，結合生產實踐和市場需求開發(fā)智能化、可靠性強、易操作且具有一定安全性的新型小型零食儲存柜。本文是一款可以通過語音選擇所需物品的小型儲存柜，再通過自助窗口取貨。事后補充貨物或者需要打開門是需要讀卡器讀取指定扇區(qū)的RFID 卡。

1 整體結構設計分析

本文是基于現有的一款“龍芯一號”核心板而制作的MCU 主控板如圖1 所示。整體結構的構成有語音模塊來控制物品的選擇；直流減速電機，螺旋支架，金屬平臺，緩沖平臺控制物品的輸出和保護；超聲波傳感器來判斷是否有物品剩余；光電感應傳感器判斷物品是否輸出成功；TEC1-12706 半導體PELTIER 制冷器和散熱風扇來進行恒溫的控制防止意外發(fā)生；測光測溫傳感器進行安全監(jiān)測；LCD 屏顯示需要的物品及采集的數值；高頻RFID 電路進行安全防盜門處理；12V 電源來提供MCU 主控板的整體用電等。

圖1 板對板連接器框圖

2 硬件電路設計

本文采用“龍芯”1B 這一款芯片，它具有MIPS64 R1指令集架構，主頻為400MHz，采用65 納米制造工藝，具有低功耗、高性能、抗核電磁輻射等特點。支持在SOC 內部設置系統(tǒng)控制寄存器，可以根據應用的不同需求進行編程。支持2 路SPI 接口、61 位GPIO、4 路可配置PWM 接口等外部接口，有很好的擴展性。CPU 核心功耗小，制作的開發(fā)板可以使用標準的Linux 系統(tǒng)，具備較高的通用性。

同時本文設計了“龍芯”1B 主控板其主要構成有：電源降壓電路，USB 轉換電路，智能語音電路，串行ADC 采集，PWM 輸出電路，LCD 屏接口，測溫測光芯片電路，高頻RFID 電路，外部傳感器接口，核心板接口，百兆以太網接口等。

■2.1 電源電路的設計

SMAJ 是一種雙向的電壓穩(wěn)壓二極管，可在限制過電壓時使電路保持穩(wěn)定。它們也具有快速的響應時間，可快速響應電路中的瞬態(tài)電壓，適用于高速布線，防振動和高溫環(huán)境。由于電路需要不同的電源，因此采用不同型號使用在電路中如圖2所示，采用具有16V，5V，3.3V 的額定反向工作電壓的SMAJ 二極管，可保護電路免受瞬間過電壓的影響。

圖2 電源電路

5V 轉3.3V 電路中的TLV62568DBVT是一款低壓差、高效率、2.25A、500kHz開關穩(wěn)壓器。該開關穩(wěn)壓器還具有過熱保護、短路保護和欠壓保護功能，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。過流報警電路中的TPS2001CDGK 是一款高精度、低功耗、2通道電壓監(jiān)測器。它能夠監(jiān)測2 個不同電壓源的電壓，并提供多種報警和保護功能來確保系統(tǒng)的安全可靠性。

雖然輸入的是12V 直流電源，但在降壓電路中，存在電源輸入中的紋波、噪聲和其他高頻信號。電流從左側流入RLC—π 型濾波電路，在電感、電容的濾波作用下輸出穩(wěn)定的直流電壓。電感和電容的聯合作用使得電路可以提供更穩(wěn)定的輸出電壓。電感可以阻止高頻噪聲，而電容可以濾波低頻噪聲。使用電感和電容的多級聯合電路可以更好地平滑輸出電壓，避免電路的振蕩，保護電子元件不受電源波動或其他電路噪聲的影響。

■2.2 USB 電路及以太網接口的設計

當兩個帶電物體接觸時，它們之間的電荷會發(fā)生轉移，這種轉移會在他們之間產生電壓差，一旦電壓差足夠大，靜電就會以放電形式發(fā)生從而設備損壞和故障。ESD 二極管是防靜電保護元器件，選擇合適的規(guī)格可以保護電路免受靜電放電（ESD)的影響。

CP2102 是一款USB 轉串口芯片。它可用于實現USB 轉RS232、RS485 或TTL串口通信，是將USB 接口轉換成串口通信接口的重要組件。本文中的TTL 串口調試可以將信息打印到PC 機終端上，便于進行及時的調試；可以實時監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài)，包括系統(tǒng)內部變量的值、任務狀態(tài)實時顯示等；通過串口調試，可以對嵌入式系統(tǒng)的參數進行配置和調整，實現系統(tǒng)功能的調試和優(yōu)化；通過串口調試，可以實現設備的在線升級，進行程序下載，固件升級等操作，方便之后維修。如圖3 所示。

Debug 在線調試通過連接DEBUG—USB，可以將設備連接到PC 機上實現代碼的斷點調試等操作，可以實現設備與PC 機之間的數據傳輸，包括文件的傳輸、數據的備份等。方便在開發(fā)過程中進行數據的快速交互。

本文采用的DM9161AEP 是一種常見的高性能以太網物理層接口芯片。支持10/100/1000Mbps 的數據傳輸速度，具有極好的電氣性能、穩(wěn)定性和可靠性。如圖4 以太網電路所示。

圖4 以太網電路

“龍芯”1B 采用UART BOOTLOADER 協議，需要配合指定的軟件IDE 實現。在使用UART BOOTLOADER 協議進行固件升級時，需要將芯片的BOOT 引腳拉低，啟動芯片的BOORLOADER 程序，會在芯片內部啟動一個小型升級程序，通過UART 接口接收上位機發(fā)送的升級文件，并將升級文件寫入到芯片的Flash 中。完成固化程序，這種方法可以在系統(tǒng)運行時完成固件燒入，而無須依賴外部固件編程器進行燒錄，方便快捷。

■2.3 傳感器的設計

（1)語音電路

本文采用“小創(chuàng)”語音模塊，通常用于智能家居、智能助理等場景中，可以通過語音指令控制設備或獲取信息。如圖5所示。“小創(chuàng)”的語音模塊是可以通過不斷地訓練和學習，不斷優(yōu)化自身的模型參數，從而逐步提高其性能和表現，這個過程類似于人類的學習和成長。通過接觸越來越多的數據、不斷調整模型參數和算法，經過一定的時間和經驗積累，“小創(chuàng)”的語音模塊可以逐漸變得越來越智能、越來越準確、越來越完善。

圖5 語音電路

（2)超聲波電路

超聲波發(fā)送電路，輸入端在經過非門反相后一路轉入第二級非門和由兩個非門組成的閘門電路非與門到輸出2，一路反相后直接經過閘門電路到閘門1，它最終輸出到超聲波發(fā)射器，控制超聲波的發(fā)射。如圖6 所示。當輸出信號變成了低電平時，此時超聲波發(fā)射器被關閉，超聲波測量系統(tǒng)處于待機狀態(tài)。當門電路的任意一個輸入變?yōu)楦唠娖綍r，輸出端經過門電路的轉換為高電平，此時超聲波發(fā)射器被打開。

圖6 超聲波接收電路

（3)直流電機和制冷片電路

電機電路采用了DRV8837 芯片，如圖7 所示，其工作電壓范圍廣，可以接受最高11V 的工作電壓。有編程的PWM 驅動器，可以通過一個標準雙向PWM 接口控制電機的速度和方向。

圖7 PWM 電路

半導體制冷片的正極接到電源供電端口，負極接到一個固定電阻。再將該電阻接到場效應管的源極，漏極連接到三極管的基極。將三極管的發(fā)射極接到電源負極，集電極接到制冷片的負極。將三極管的基極接到主控板的PWM 腳上，通過單片機的程序控制場效應管的柵極輸入電壓，來控制場效應管的導通和截止，同時控制三極管的放大和截止，從而控制電路流經制冷片的電流。

（4)RFID 電路

RFID 電路是采用MFRC522 芯片（NFC)，如圖8 所示，常用于RFID 讀寫器、門禁設備、游戲機等應用中。它基于13.56MHz 的射頻信號技術，支持ISO/IEC 14443 Type A/B、FeliCa 以及ISO/IEC 15693 等不同標準的近場通訊協議。可以有效地保護產品不被偷竊。

圖8 RFID 電路

3 軟件驅動程序設計

本文采用龍芯IDE 是龍芯公司推出的，基于Eclipse 開發(fā)的中國自主芯片的集成開發(fā)環(huán)境。龍芯IDE 支持跨平臺使用，能夠在Linux、Windows 等多種操作系統(tǒng)上使用；能夠創(chuàng)建、打開、編輯多種格式的工程，同時也支持不同工程但同類型的多個文件可以直接導入所用工程中無須新建。

本設計結構的功能實現程序有：點燈程序設計，實現補光燈的亮與滅控制；語音總控制程序設計，實現對整個系統(tǒng)的語音控制；使用PWM 控制的半導體芯片制冷的程序設計，實現對物品的溫度控制；散熱風扇程序設計，實現散熱風扇的開關控制保障產品的安全；PWM電機控制程序設計，實現對螺旋出貨機構電機的轉速、方向控制；物品是否剩余的判斷及出貨是否成功的程序設計，實現對貨物數量、出貨是否成功的判斷和記錄；LCD 屏顯示語音識別，出貨成功，采集數據等文本信息。

■3.1 語音系統(tǒng)程序的設計

語音系統(tǒng)程序設計主要包括三部分：語音識別、語音合成和語音控制。

硬件采集：從麥克風等硬件設備中獲取語音信號，然后進行數模轉換等處理。信號預處理：由于語音中含有噪聲、回聲等信息，需要進行濾波、增強等預處理以提高識別準確率。語音特征提?。和ㄟ^提取語音頻率、時域信息等特征，將語音信號轉化為計算機可識別的數據。

語音庫構建：需要構建完整的語音庫以滿足不同場景下的需求，該部分可以利用TTS（文本到語音)系統(tǒng)或者第三方語音庫；語音信號的生成：根據合成的文字信息生成相應的音頻信息，圖9 為一些物品文本及提示音。

圖9 語音識別播報的文本

語音控制是利用識別到的語音指令來控制設備的運行，該部分程序設計中需要考慮：（1)語音指令的識別：利用前面提到的語音識別技術，通過對應的通信數據幀將語音指令識別出來；（2)指令的處理：根據指令的內容進行相應的處理，設置一個語音控制的標志位在識別成功后打開/關閉設備或調整某些參數等；（3)反饋信息：在指令處理后，可以通過語音合成將反饋信息轉化為音頻輸出。

圖10 語音控制的流程圖

■3.2 超聲波程序的設計

利用PID 算法器通過測量被控系統(tǒng)輸出的控制量（即實際值)，與期望值進行比較，由此計算出誤差。根據誤差的大小，分別計算比例、積分、微分三部分的控制量，并將三個部分的控制量按一定方式進行組合，形成總體控制量輸出精確數值。

圖11 部分PID 程序

■3.3 制冷和散熱程序的設計

由于半導體制冷片的制冷原理是普爾電效應，是指在溫度梯度下，兩個不同材料之間的P-N 結之間發(fā)生霍爾電壓，這個電壓稱為普爾電。而熱電效應則是指當通過兩種不同材料的電流受到溫度梯度的影響時，使這種霍爾電勢成為溫度壓差電壓的現象?；谶@兩個效應，半導體制冷片通過在P-N 結上加上電子流的方式，使得能量從低溫側流向高溫側，從而實現制冷。半導體會有一端是高熱，可能會產生危險，便需要加風扇進行散熱處理。使用主控板的PWM 控制矩形脈沖的占空比從而控制用電器的功率，從而降低危險性。

圖12 制冷與散熱程序的流程圖

4 結語

本文介紹了小型室內智能儲存柜的電路及軟件的設計及原理結構類型與販賣機相關，但是由于存在支付及聯網遠程操作等問題的原因無法在技術上實現，等未來見識和學識的提高再來進一步的革新。