基于“龙芯”1B 的智能小型室内零食储存柜的研究与设计

戴丽华，夏郅

（苏州工业职业技术学院，江苏苏州，215104）

0 引言

近年来，随着科技的不断进步和人们的日常生活水平的提高，小型室内零食储存柜作为智能家居中的一个重要组成部分，为人们提供便利。本篇研究以基于“龙芯”1B 处理器的智能室内零食储存柜为研究对象，探讨其新型材料和技术应用，旨在提高其性能和用户体验。该研究主要是基于零食储存柜在日常生活中广泛应用的实际需求，结合生产实践和市场需求开发智能化、可靠性强、易操作且具有一定安全性的新型小型零食储存柜。本文是一款可以通过语音选择所需物品的小型储存柜，再通过自助窗口取货。事后补充货物或者需要打开门是需要读卡器读取指定扇区的RFID 卡。

1 整体结构设计分析

本文是基于现有的一款“龙芯一号”核心板而制作的MCU 主控板如图1 所示。整体结构的构成有语音模块来控制物品的选择；直流减速电机，螺旋支架，金属平台，缓冲平台控制物品的输出和保护；超声波传感器来判断是否有物品剩余；光电感应传感器判断物品是否输出成功；TEC1-12706 半导体PELTIER 制冷器和散热风扇来进行恒温的控制防止意外发生；测光测温传感器进行安全监测；LCD 屏显示需要的物品及采集的数值；高频RFID 电路进行安全防盗门处理；12V 电源来提供MCU 主控板的整体用电等。

图1 板对板连接器框图

2 硬件电路设计

本文采用“龙芯”1B 这一款芯片，它具有MIPS64 R1指令集架构，主频为400MHz，采用65 纳米制造工艺，具有低功耗、高性能、抗核电磁辐射等特点。支持在SOC 内部设置系统控制寄存器，可以根据应用的不同需求进行编程。支持2 路SPI 接口、61 位GPIO、4 路可配置PWM 接口等外部接口，有很好的扩展性。CPU 核心功耗小，制作的开发板可以使用标准的Linux 系统，具备较高的通用性。

同时本文设计了“龙芯”1B 主控板其主要构成有：电源降压电路，USB 转换电路，智能语音电路，串行ADC 采集，PWM 输出电路，LCD 屏接口，测温测光芯片电路，高频RFID 电路，外部传感器接口，核心板接口，百兆以太网接口等。

■2.1 电源电路的设计

SMAJ 是一种双向的电压稳压二极管，可在限制过电压时使电路保持稳定。它们也具有快速的响应时间，可快速响应电路中的瞬态电压，适用于高速布线，防振动和高温环境。由于电路需要不同的电源，因此采用不同型号使用在电路中如图2所示，采用具有16V，5V，3.3V 的额定反向工作电压的SMAJ 二极管，可保护电路免受瞬间过电压的影响。

图2 电源电路

5V 转3.3V 电路中的TLV62568DBVT是一款低压差、高效率、2.25A、500kHz开关稳压器。该开关稳压器还具有过热保护、短路保护和欠压保护功能，保证了系统的稳定性和可靠性。过流报警电路中的TPS2001CDGK 是一款高精度、低功耗、2通道电压监测器。它能够监测2 个不同电压源的电压，并提供多种报警和保护功能来确保系统的安全可靠性。

虽然输入的是12V 直流电源，但在降压电路中，存在电源输入中的纹波、噪声和其他高频信号。电流从左侧流入RLC—π 型滤波电路，在电感、电容的滤波作用下输出稳定的直流电压。电感和电容的联合作用使得电路可以提供更稳定的输出电压。电感可以阻止高频噪声，而电容可以滤波低频噪声。使用电感和电容的多级联合电路可以更好地平滑输出电压，避免电路的振荡，保护电子元件不受电源波动或其他电路噪声的影响。

■2.2 USB 电路及以太网接口的设计

当两个带电物体接触时，它们之间的电荷会发生转移，这种转移会在他们之间产生电压差，一旦电压差足够大，静电就会以放电形式发生从而设备损坏和故障。ESD 二极管是防静电保护元器件，选择合适的规格可以保护电路免受静电放电（ESD)的影响。

CP2102 是一款USB 转串口芯片。它可用于实现USB 转RS232、RS485 或TTL串口通信，是将USB 接口转换成串口通信接口的重要组件。本文中的TTL 串口调试可以将信息打印到PC 机终端上，便于进行及时的调试；可以实时监控系统运行状态，包括系统内部变量的值、任务状态实时显示等；通过串口调试，可以对嵌入式系统的参数进行配置和调整，实现系统功能的调试和优化；通过串口调试，可以实现设备的在线升级，进行程序下载，固件升级等操作，方便之后维修。如图3 所示。

Debug 在线调试通过连接DEBUG—USB，可以将设备连接到PC 机上实现代码的断点调试等操作，可以实现设备与PC 机之间的数据传输，包括文件的传输、数据的备份等。方便在开发过程中进行数据的快速交互。

本文采用的DM9161AEP 是一种常见的高性能以太网物理层接口芯片。支持10/100/1000Mbps 的数据传输速度，具有极好的电气性能、稳定性和可靠性。如图4 以太网电路所示。

图4 以太网电路

“龙芯”1B 采用UART BOOTLOADER 协议，需要配合指定的软件IDE 实现。在使用UART BOOTLOADER 协议进行固件升级时，需要将芯片的BOOT 引脚拉低，启动芯片的BOORLOADER 程序，会在芯片内部启动一个小型升级程序，通过UART 接口接收上位机发送的升级文件，并将升级文件写入到芯片的Flash 中。完成固化程序，这种方法可以在系统运行时完成固件烧入，而无须依赖外部固件编程器进行烧录，方便快捷。

■2.3 传感器的设计

（1)语音电路

本文采用“小创”语音模块，通常用于智能家居、智能助理等场景中，可以通过语音指令控制设备或获取信息。如图5所示。“小创”的语音模块是可以通过不断地训练和学习，不断优化自身的模型参数，从而逐步提高其性能和表现，这个过程类似于人类的学习和成长。通过接触越来越多的数据、不断调整模型参数和算法，经过一定的时间和经验积累，“小创”的语音模块可以逐渐变得越来越智能、越来越准确、越来越完善。

图5 语音电路

（2)超声波电路

超声波发送电路，输入端在经过非门反相后一路转入第二级非门和由两个非门组成的闸门电路非与门到输出2，一路反相后直接经过闸门电路到闸门1，它最终输出到超声波发射器，控制超声波的发射。如图6 所示。当输出信号变成了低电平时，此时超声波发射器被关闭，超声波测量系统处于待机状态。当门电路的任意一个输入变为高电平时，输出端经过门电路的转换为高电平，此时超声波发射器被打开。

图6 超声波接收电路

（3)直流电机和制冷片电路

电机电路采用了DRV8837 芯片，如图7 所示，其工作电压范围广，可以接受最高11V 的工作电压。有编程的PWM 驱动器，可以通过一个标准双向PWM 接口控制电机的速度和方向。

图7 PWM 电路

半导体制冷片的正极接到电源供电端口，负极接到一个固定电阻。再将该电阻接到场效应管的源极，漏极连接到三极管的基极。将三极管的发射极接到电源负极，集电极接到制冷片的负极。将三极管的基极接到主控板的PWM 脚上，通过单片机的程序控制场效应管的栅极输入电压，来控制场效应管的导通和截止，同时控制三极管的放大和截止，从而控制电路流经制冷片的电流。

（4)RFID 电路

RFID 电路是采用MFRC522 芯片（NFC)，如图8 所示，常用于RFID 读写器、门禁设备、游戏机等应用中。它基于13.56MHz 的射频信号技术，支持ISO/IEC 14443 Type A/B、FeliCa 以及ISO/IEC 15693 等不同标准的近场通讯协议。可以有效地保护产品不被偷窃。

图8 RFID 电路

3 软件驱动程序设计

本文采用龙芯IDE 是龙芯公司推出的，基于Eclipse 开发的中国自主芯片的集成开发环境。龙芯IDE 支持跨平台使用，能够在Linux、Windows 等多种操作系统上使用；能够创建、打开、编辑多种格式的工程，同时也支持不同工程但同类型的多个文件可以直接导入所用工程中无须新建。

本设计结构的功能实现程序有：点灯程序设计，实现补光灯的亮与灭控制；语音总控制程序设计，实现对整个系统的语音控制；使用PWM 控制的半导体芯片制冷的程序设计，实现对物品的温度控制；散热风扇程序设计，实现散热风扇的开关控制保障产品的安全；PWM电机控制程序设计，实现对螺旋出货机构电机的转速、方向控制；物品是否剩余的判断及出货是否成功的程序设计，实现对货物数量、出货是否成功的判断和记录；LCD 屏显示语音识别，出货成功，采集数据等文本信息。

■3.1 语音系统程序的设计

语音系统程序设计主要包括三部分：语音识别、语音合成和语音控制。

硬件采集：从麦克风等硬件设备中获取语音信号，然后进行数模转换等处理。信号预处理：由于语音中含有噪声、回声等信息，需要进行滤波、增强等预处理以提高识别准确率。语音特征提取：通过提取语音频率、时域信息等特征，将语音信号转化为计算机可识别的数据。

语音库构建：需要构建完整的语音库以满足不同场景下的需求，该部分可以利用TTS（文本到语音)系统或者第三方语音库；语音信号的生成：根据合成的文字信息生成相应的音频信息，图9 为一些物品文本及提示音。

图9 语音识别播报的文本

语音控制是利用识别到的语音指令来控制设备的运行，该部分程序设计中需要考虑：（1)语音指令的识别：利用前面提到的语音识别技术，通过对应的通信数据帧将语音指令识别出来；（2)指令的处理：根据指令的内容进行相应的处理，设置一个语音控制的标志位在识别成功后打开/关闭设备或调整某些参数等；（3)反馈信息：在指令处理后，可以通过语音合成将反馈信息转化为音频输出。

图10 语音控制的流程图

■3.2 超声波程序的设计

利用PID 算法器通过测量被控系统输出的控制量（即实际值)，与期望值进行比较，由此计算出误差。根据误差的大小，分别计算比例、积分、微分三部分的控制量，并将三个部分的控制量按一定方式进行组合，形成总体控制量输出精确数值。

图11 部分PID 程序

■3.3 制冷和散热程序的设计

由于半导体制冷片的制冷原理是普尔电效应，是指在温度梯度下，两个不同材料之间的P-N 结之间发生霍尔电压，这个电压称为普尔电。而热电效应则是指当通过两种不同材料的电流受到温度梯度的影响时，使这种霍尔电势成为温度压差电压的现象。基于这两个效应，半导体制冷片通过在P-N 结上加上电子流的方式，使得能量从低温侧流向高温侧，从而实现制冷。半导体会有一端是高热，可能会产生危险，便需要加风扇进行散热处理。使用主控板的PWM 控制矩形脉冲的占空比从而控制用电器的功率，从而降低危险性。

图12 制冷与散热程序的流程图

4 结语

本文介绍了小型室内智能储存柜的电路及软件的设计及原理结构类型与贩卖机相关，但是由于存在支付及联网远程操作等问题的原因无法在技术上实现，等未来见识和学识的提高再来进一步的革新。