基于“龍芯”1B 的智能小型室內(nèi)零食儲存柜的研究與設(shè)計(jì)

戴麗華，夏郅

（蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州，215104）

0 引言

近年來，隨著科技的不斷進(jìn)步和人們的日常生活水平的提高，小型室內(nèi)零食儲存柜作為智能家居中的一個(gè)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(nèi)零食儲存柜為研究對象，探討其新型材料和技術(shù)應(yīng)用，旨在提高其性能和用戶體驗(yàn)。該研究主要是基于零食儲存柜在日常生活中廣泛應(yīng)用的實(shí)際需求，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐和市場需求開發(fā)智能化、可靠性強(qiáng)、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(bǔ)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

本文是基于現(xiàn)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(jié)構(gòu)的構(gòu)成有語音模塊來控制物品的選擇；直流減速電機(jī)，螺旋支架，金屬平臺，緩沖平臺控制物品的輸出和保護(hù)；超聲波傳感器來判斷是否有物品剩余；光電感應(yīng)傳感器判斷物品是否輸出成功；TEC1-12706 半導(dǎo)體PELTIER 制冷器和散熱風(fēng)扇來進(jìn)行恒溫的控制防止意外發(fā)生；測光測溫傳感器進(jìn)行安全監(jiān)測；LCD 屏顯示需要的物品及采集的數(shù)值；高頻RFID 電路進(jìn)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(shè)計(jì)

本文采用“龍芯”1B 這一款芯片，它具有MIPS64 R1指令集架構(gòu)，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(diǎn)。支持在SOC 內(nèi)部設(shè)置系統(tǒng)控制寄存器，可以根據(jù)應(yīng)用的不同需求進(jìn)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(kuò)展性。CPU 核心功耗小，制作的開發(fā)板可以使用標(biāo)準(zhǔn)的Linux 系統(tǒng)，具備較高的通用性。

同時(shí)本文設(shè)計(jì)了“龍芯”1B 主控板其主要構(gòu)成有：電源降壓電路，USB 轉(zhuǎn)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(wǎng)接口等。

■2.1 電源電路的設(shè)計(jì)

SMAJ 是一種雙向的電壓穩(wěn)壓二極管，可在限制過電壓時(shí)使電路保持穩(wěn)定。它們也具有快速的響應(yīng)時(shí)間，可快速響應(yīng)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(hù)電路免受瞬間過電壓的影響。

圖2 電源電路

5V 轉(zhuǎn)3.3V 電路中的TLV62568DBVT是一款低壓差、高效率、2.25A、500kHz開關(guān)穩(wěn)壓器。該開關(guān)穩(wěn)壓器還具有過熱保護(hù)、短路保護(hù)和欠壓保護(hù)功能，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。過流報(bào)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(gè)不同電壓源的電壓，并提供多種報(bào)警和保護(hù)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(cè)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(lián)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(lián)合電路可以更好地平滑輸出電壓，避免電路的振蕩，保護(hù)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(wǎng)接口的設(shè)計(jì)

當(dāng)兩個(gè)帶電物體接觸時(shí)，它們之間的電荷會發(fā)生轉(zhuǎn)移，這種轉(zhuǎn)移會在他們之間產(chǎn)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(shè)備損壞和故障。ESD 二極管是防靜電保護(hù)元器件，選擇合適的規(guī)格可以保護(hù)電路免受靜電放電（ESD)的影響。

CP2102 是一款USB 轉(zhuǎn)串口芯片。它可用于實(shí)現(xiàn)USB 轉(zhuǎn)RS232、RS485 或TTL串口通信，是將USB 接口轉(zhuǎn)換成串口通信接口的重要組件。本文中的TTL 串口調(diào)試可以將信息打印到PC 機(jī)終端上，便于進(jìn)行及時(shí)的調(diào)試；可以實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，包括系統(tǒng)內(nèi)部變量的值、任務(wù)狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示等；通過串口調(diào)試，可以對嵌入式系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行配置和調(diào)整，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的調(diào)試和優(yōu)化；通過串口調(diào)試，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的在線升級，進(jìn)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(diào)試通過連接DEBUG—USB，可以將設(shè)備連接到PC 機(jī)上實(shí)現(xiàn)代碼的斷點(diǎn)調(diào)試等操作，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備與PC 機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，包括文件的傳輸、數(shù)據(jù)的備份等。方便在開發(fā)過程中進(jìn)行數(shù)據(jù)的快速交互。

本文采用的DM9161AEP 是一種常見的高性能以太網(wǎng)物理層接口芯片。支持10/100/1000Mbps 的數(shù)據(jù)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(wǎng)電路所示。

圖4 以太網(wǎng)電路

“龍芯”1B 采用UART BOOTLOADER 協(xié)議，需要配合指定的軟件IDE 實(shí)現(xiàn)。在使用UART BOOTLOADER 協(xié)議進(jìn)行固件升級時(shí)，需要將芯片的BOOT 引腳拉低，啟動芯片的BOORLOADER 程序，會在芯片內(nèi)部啟動一個(gè)小型升級程序，通過UART 接口接收上位機(jī)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(yùn)行時(shí)完成固件燒入，而無須依賴外部固件編程器進(jìn)行燒錄，方便快捷。

■2.3 傳感器的設(shè)計(jì)

（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(shè)備或獲取信息。如圖5所示?！靶?chuàng)”的語音模塊是可以通過不斷地訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，不斷優(yōu)化自身的模型參數(shù)，從而逐步提高其性能和表現(xiàn)，這個(gè)過程類似于人類的學(xué)習(xí)和成長。通過接觸越來越多的數(shù)據(jù)、不斷調(diào)整模型參數(shù)和算法，經(jīng)過一定的時(shí)間和經(jīng)驗(yàn)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(zhǔn)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(jīng)過非門反相后一路轉(zhuǎn)入第二級非門和由兩個(gè)非門組成的閘門電路非與門到輸出2，一路反相后直接經(jīng)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(dāng)輸出信號變成了低電平時(shí)，此時(shí)超聲波發(fā)射器被關(guān)閉，超聲波測量系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)。當(dāng)門電路的任意一個(gè)輸入變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，輸出端經(jīng)過門電路的轉(zhuǎn)換為高電平，此時(shí)超聲波發(fā)射器被打開。

圖6 超聲波接收電路

（3)直流電機(jī)和制冷片電路

電機(jī)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(qū)動器，可以通過一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)雙向PWM 接口控制電機(jī)的速度和方向。

圖7 PWM 電路

半導(dǎo)體制冷片的正極接到電源供電端口，負(fù)極接到一個(gè)固定電阻。再將該電阻接到場效應(yīng)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(fù)極，集電極接到制冷片的負(fù)極。將三極管的基極接到主控板的PWM 腳上，通過單片機(jī)的程序控制場效應(yīng)管的柵極輸入電壓，來控制場效應(yīng)管的導(dǎo)通和截止，同時(shí)控制三極管的放大和截止，從而控制電路流經(jīng)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(shè)備、游戲機(jī)等應(yīng)用中。它基于13.56MHz 的射頻信號技術(shù)，支持ISO/IEC 14443 Type A/B、FeliCa 以及ISO/IEC 15693 等不同標(biāo)準(zhǔn)的近場通訊協(xié)議。可以有效地保護(hù)產(chǎn)品不被偷竊。

圖8 RFID 電路

3 軟件驅(qū)動程序設(shè)計(jì)

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(shí)也支持不同工程但同類型的多個(gè)文件可以直接導(dǎo)入所用工程中無須新建。

本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的功能實(shí)現(xiàn)程序有：點(diǎn)燈程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)光燈的亮與滅控制；語音總控制程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)系統(tǒng)的語音控制；使用PWM 控制的半導(dǎo)體芯片制冷的程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對物品的溫度控制；散熱風(fēng)扇程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)散熱風(fēng)扇的開關(guān)控制保障產(chǎn)品的安全；PWM電機(jī)控制程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對螺旋出貨機(jī)構(gòu)電機(jī)的轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對貨物數(shù)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(shù)據(jù)等文本信息。

■3.1 語音系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)

語音系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)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(fēng)等硬件設(shè)備中獲取語音信號，然后進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換等處理。信號預(yù)處理：由于語音中含有噪聲、回聲等信息，需要進(jìn)行濾波、增強(qiáng)等預(yù)處理以提高識別準(zhǔn)確率。語音特征提?。和ㄟ^提取語音頻率、時(shí)域信息等特征，將語音信號轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可識別的數(shù)據(jù)。

語音庫構(gòu)建：需要構(gòu)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(jù)合成的文字信息生成相應(yīng)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(bào)的文本

語音控制是利用識別到的語音指令來控制設(shè)備的運(yùn)行，該部分程序設(shè)計(jì)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(shù)，通過對應(yīng)的通信數(shù)據(jù)幀將語音指令識別出來；（2)指令的處理：根據(jù)指令的內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)的處理，設(shè)置一個(gè)語音控制的標(biāo)志位在識別成功后打開/關(guān)閉設(shè)備或調(diào)整某些參數(shù)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(zhuǎn)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(shè)計(jì)

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

圖11 部分PID 程序

■3.3 制冷和散熱程序的設(shè)計(jì)

由于半導(dǎo)體制冷片的制冷原理是普爾電效應(yīng)，是指在溫度梯度下，兩個(gè)不同材料之間的P-N 結(jié)之間發(fā)生霍爾電壓，這個(gè)電壓稱為普爾電。而熱電效應(yīng)則是指當(dāng)通過兩種不同材料的電流受到溫度梯度的影響時(shí)，使這種霍爾電勢成為溫度壓差電壓的現(xiàn)象?；谶@兩個(gè)效應(yīng)，半導(dǎo)體制冷片通過在P-N 結(jié)上加上電子流的方式，使得能量從低溫側(cè)流向高溫側(cè)，從而實(shí)現(xiàn)制冷。半導(dǎo)體會有一端是高熱，可能會產(chǎn)生危險(xiǎn)，便需要加風(fēng)扇進(jìn)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(xiǎn)性。

圖12 制冷與散熱程序的流程圖

4 結(jié)語

本文介紹了小型室內(nèi)智能儲存柜的電路及軟件的設(shè)計(jì)及原理結(jié)構(gòu)類型與販賣機(jī)相關(guān)，但是由于存在支付及聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程操作等問題的原因無法在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)，等未來見識和學(xué)識的提高再來進(jìn)一步的革新。