RFID和語音合成技術(shù)的語音導(dǎo)覽終端設(shè)計(jì)

引 言
    在國內(nèi)的一些大型博物館和風(fēng)景區(qū)，已經(jīng)采用了一些語音導(dǎo)覽器，為游客提供各種解說和導(dǎo)游，大大方便了游客對博物館和風(fēng)景區(qū)歷史文化的了解。但傳統(tǒng)的語音導(dǎo)覽器功能比較單一、功耗大、成本高、數(shù)據(jù)更新復(fù)雜，游客需要手動輸入編碼才能得到相應(yīng)的播放信息，限制了語音導(dǎo)覽器的進(jìn)一步推廣使用。本設(shè)計(jì)結(jié)合RFID射頻識別技術(shù)和TTS語音合成技術(shù)，提出了一種可自動識別解說對象的語音導(dǎo)覽器，并結(jié)合USB存儲技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各種導(dǎo)覽信息的及時更新。

1 RFID技術(shù)、TTS技術(shù)及終端功能分析
    RFID(Radio Frequency Identification，射頻識別)俗稱電子標(biāo)簽，是一種非接觸式的自動識別技術(shù)。它通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無需人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境中。RFID技術(shù)可識別高速運(yùn)動物體并可同時識別多個標(biāo)簽，操作快捷方便。最基本的RFID系統(tǒng)由三部分組成：標(biāo)簽(tag)，由耦合元件及芯片組成，每個標(biāo)簽具有唯一的電子編碼，附著在物體上標(biāo)識目標(biāo)對象；閱讀器(reader)，讀取(有時還可以寫入)標(biāo)簽信息的設(shè)備，可設(shè)計(jì)為手持式或固定式；天線(anten—na)，在標(biāo)簽和讀取器間傳遞射頻信號。
    TTS(Text To Speech，語音合成)技術(shù)解決如何將文字信息轉(zhuǎn)化為聲音信息的問題，從而變看為聽，使得人們獲取信息的方式更加豐富和自然。語音合成技術(shù)是實(shí)現(xiàn)人機(jī)語音通信的關(guān)鍵技術(shù)之一，涉及聲學(xué)、語言學(xué)、數(shù)字信號處理、計(jì)算機(jī)科學(xué)等多種學(xué)科知識，是中文信息處理領(lǐng)域的一項(xiàng)前沿技術(shù)。
    語音導(dǎo)覽終端作為便攜式終端，為確保其有足夠的能量可靠地工作，整個設(shè)計(jì)必須滿足低功耗要求。同時，通過對目前市場使用的語音導(dǎo)覽器的分析，本設(shè)計(jì)所要實(shí)現(xiàn)的語音導(dǎo)覽終端主要實(shí)現(xiàn)以下基本功能：目標(biāo)對象自動識別；導(dǎo)覽信息主動播放；USB信息更新；游覽路線顯示；服務(wù)信息查詢。

2 語音導(dǎo)覽終端硬件原理設(shè)計(jì)
    語音導(dǎo)覽終端基本原理框圖如圖l所示。RFID讀頭電路將獲得的標(biāo)簽信息送到微控制器。微控制器根據(jù)標(biāo)簽信息從數(shù)據(jù)存儲器中讀取相應(yīng)的文本信息并通過串口送到TTS語音合成電路。TTS語音合成電路將文本信息轉(zhuǎn)換為語音信息，然后經(jīng)音頻放大電路放大后送到內(nèi)置喇叭或外接耳機(jī)。同時，LCD顯示屏根據(jù)標(biāo)簽信息顯示目前的游覽路線。另外，通過人機(jī)接口可以查詢一些服務(wù)信息。

2．1 EM4095 RFID讀頭電路
    EM4095是RFID基站讀寫芯片，載波工作頻率為100～150 kHz，可以對EM400X、EM4050、EM4150等標(biāo)簽進(jìn)行操作。采用圖2所示工作電路時，其工作頻率由以下關(guān)系式確定：

   
    在實(shí)際應(yīng)用中，上式中的電容選擇陶瓷電容，并根據(jù)實(shí)際測試情況適當(dāng)調(diào)整電感L1的值，從而確保工作頻率為125 kHz。

2．2 XF—S3011語音合成及音頻放大電路
    XF一S30ll芯片是中科大訊飛信息科技有限公司研發(fā)的一款中文語音合成芯片，將完整的語音合成系統(tǒng)完全集成到單一的處理器內(nèi)部，通過串口接收并合成任意文本。串口波特率為9600 bps，并通過RAD端口指示語音芯片目前的工作狀態(tài)(Busy／Ready)。由于XF一S3011芯片輸出的音頻信號功率比較小，為了使音頻信號有足夠的功率驅(qū)動揚(yáng)聲器，需要通過LM4871電路進(jìn)行功率放大，放大增益可以通過電阻R來調(diào)節(jié)。圖3和圖4是XF一S3011芯片和LM4871芯片外圍電路設(shè)計(jì)圖。
2．3 微控制器及接口電路
    微控制器采用LPC2146，該控制器帶有32 KB+8 KB和256 KB嵌入的高速Flash存儲器，內(nèi)置USB 2．0全速器件、UART、SPI、SSP、I2C串行通信接口，采用超小LQFP64封裝，低功耗。為了與LCD 160×128、大容量數(shù)據(jù)存儲器(SST39VF080)及鍵盤連接，本設(shè)計(jì)采用了74L574和74L245對I／0口進(jìn)行了擴(kuò)展。
    LPC2146的串口1除了用來進(jìn)行ISP編程外，還可以對系統(tǒng)工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。同時，在程序調(diào)試過程中，還可以設(shè)置一些狀態(tài)點(diǎn)，方便代碼的調(diào)試和測試。上位機(jī)管理軟件通過USB口和LPC2146進(jìn)行通信，LPC2146將上位機(jī)傳來的導(dǎo)覽信息按一定的格式保存到大容量程序存儲器中，這樣能夠方便數(shù)據(jù)及時更新。

2．4 電源管理模塊
    對于語音導(dǎo)覽終端，內(nèi)部需要多種電源。因此如何合理設(shè)計(jì)電源管理模塊，對終端的穩(wěn)定工作以及控制功耗都有非常重要的影響。本設(shè)計(jì)采用MAXl677電源管理芯片將鋰電池提供的電源轉(zhuǎn)換為兩路，一路提供給EL背光驅(qū)動，另一路輸出3．3 V電壓用于LPC2146及其他外圍芯片，3．3 V電壓再通過SPX5205／1．8 V芯片轉(zhuǎn)換為1．8V電壓提供給LPC2146內(nèi)核。

3 應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)
    為了減小系統(tǒng)資源開銷，同時考慮到終端功能需求，軟件設(shè)計(jì)采用Keil C51自帶的ARTX操作系統(tǒng)。該操作系統(tǒng)應(yīng)用簡單，所占資源少，適用于實(shí)時性要求不太高的應(yīng)用場合。本終端軟件程序框架如圖5所示，主要包括主控程序、ARTX內(nèi)核程序、用戶任務(wù)、底層驅(qū)動、配置與設(shè)置5部分。軟件運(yùn)行基本流程為：

    ①上電復(fù)位后主控程序運(yùn)行，主控程序完成變量的初始化、RAM的分配、任務(wù)塊初始化、ARTX初始化， 然后進(jìn)入while循環(huán)；
    ②在whiIe循環(huán)中，啟動任務(wù)調(diào)度與切換，任務(wù)查詢節(jié)拍為10 ms，完成一個任務(wù)后，查詢?nèi)蝿?wù)表中優(yōu)先級最高的任務(wù)開始執(zhí)行；
    ③外部中斷將啟動相應(yīng)的中斷處理程序，后者促使某些任務(wù)就緒，就緒的任務(wù)將根據(jù)優(yōu)先級排隊(duì)等待執(zhí)行。

結(jié) 語
    RFID技術(shù)在語音導(dǎo)覽終端中的應(yīng)用，解決了手動輸入識別信息的麻煩，實(shí)現(xiàn)了識別對象的自動信息采集，大大簡化了常規(guī)操作程序，方便游客使用；同時，結(jié)合屏幕顯示，為游客提供了準(zhǔn)確的游覽位置。語音合成技術(shù)擺脫了傳統(tǒng)的錄音存儲模式，一方面減少了對終端存儲量的要求，另一方面實(shí)現(xiàn)導(dǎo)覽信息的快速更新。