一種基于RFID的便攜式智能語音播放器設(shè)計

摘要：針對傳統(tǒng)的紅外電子導(dǎo)游系統(tǒng)的不足，采用RFID技術(shù)設(shè)計并實現(xiàn)了一種便攜式智能語音播放器。在給出RFlD便攜式智能語音播放器的總體設(shè)計方案之后，分別對RFID模塊、無線信號收發(fā)模塊、控制器和解碼模塊進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計并給出了電路設(shè)計原理圖；該播放器不僅體積小、感應(yīng)靈敏，而且可以廣泛應(yīng)用在不同領(lǐng)域。
關(guān)鍵詞：RFID；無線信號識別；音頻解碼；語音播放器

0 引言
    傳統(tǒng)的電子導(dǎo)游系統(tǒng)一般采用紅外無線通信的方式，容易出現(xiàn)游客接收到錯誤的景點(diǎn)信息而造成游客的不便。
    RFID(無線射頻識別技術(shù))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)，識別工作無須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境，尤其是RFID技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的結(jié)合，更是使得它成為目前研究的熱點(diǎn)。因此，與RFID技術(shù)相結(jié)合的智能語音播放器也成為一種發(fā)展趨勢，它可實現(xiàn)用戶在展廳方便的進(jìn)行參觀、了解展品、收聽各類文物、景點(diǎn)介紹等，實現(xiàn)博物館等的自動化智能數(shù)字管理。
    本文設(shè)計的便攜式智能語音播放器可以通過USB接口與PC通信下載景點(diǎn)資料，RFID電子標(biāo)簽安放在景區(qū)內(nèi)，發(fā)射景點(diǎn)的編碼信息，當(dāng)游客進(jìn)入景區(qū)時，便攜式智能語音播放器接收到對應(yīng)的景點(diǎn)編碼信息后，進(jìn)行編碼并進(jìn)行播放。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計
    根據(jù)RFID技術(shù)的特點(diǎn)，設(shè)計了基于RFID的便攜式智能語音播放器的總體結(jié)構(gòu)框圖，如圖1所示。

     該設(shè)計共由三部分構(gòu)成：RFID模塊；無線信號收發(fā)模塊；智能語音播放控制及解碼模塊。主要包括RFID電子標(biāo)簽與閱讀器，用于主控的STC12LE5410AD單片機(jī)，VS1003音頻解碼芯片，大容量存儲器，USB通信接口等。
    當(dāng)播放器處于工作狀態(tài)時，由RFID閱讀器識別標(biāo)簽信號后，再通過收發(fā)系統(tǒng)將語音信號信息及標(biāo)簽信息發(fā)送對應(yīng)標(biāo)簽信息的便攜式語音裝置，讀取存儲在便攜式語音裝置中的語音片段并播放語音。該系統(tǒng)有效工作距離為3～5 m，可存儲至少3～5段(每段時長3～ 5 min)語音文件(內(nèi)置中文、英文、日文語音文件)，語音文件亦可由用戶通過播放器自主控制播放。

2 RFID模塊設(shè)計
    RFID系統(tǒng)工作原理：用戶標(biāo)簽進(jìn)入磁場后，如果接收到閱讀器發(fā)出的特殊射頻信號，則能通過感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在無源標(biāo)簽(被動標(biāo)簽，即Passive Tag)芯片中的產(chǎn)品地址信息，或由有源標(biāo)簽(主動標(biāo)簽，即Active Tag)主動發(fā)送某一頻率信息，再由閱讀器讀取信息并解碼，再進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)的處理。
    RFID系統(tǒng)的基本模型如圖2所示，電子標(biāo)簽與閱讀器之間通過耦合元件實現(xiàn)射頻信號的空間(非接觸式)耦合，在耦合通道內(nèi)，根據(jù)時序關(guān)系，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換以及能量傳遞。

    基于RFID的便攜式智能語音播放器工作范圍(感應(yīng)距離)應(yīng)控制在3～5 m，由于展廳各展臺之間距離較小，若感應(yīng)距離太遠(yuǎn)，容易造成信號間的干擾，出現(xiàn)未到展臺便已經(jīng)播放語音片段的情況，因此，感應(yīng)距離最遠(yuǎn)不超過10m。
    電子反向散射耦合方式的作用距離為3～10 m，符合便攜式智能語音播放器的感應(yīng)距離要求，同時無源電子標(biāo)簽相對于有源電子標(biāo)簽更節(jié)約成本，且標(biāo)簽內(nèi)部無需內(nèi)置電源供電，易于攜帶且較為環(huán)保，因此，基于RFID的便攜式智能語音播放器選擇使用電子反向散射耦合方式的無源電子標(biāo)簽更為合適。

3 無線信號收發(fā)模塊設(shè)計
    無線信號收發(fā)系統(tǒng)工作原理如下：無線信號收發(fā)系統(tǒng)接收到由RFID系統(tǒng)閱讀器識別的信號，由發(fā)射部分發(fā)射信號；無線信號收發(fā)系統(tǒng)接收裝置接收信號，并將信號傳入便攜式語音裝置。
    無線信號收發(fā)系統(tǒng)共由兩部分組成：RFID系統(tǒng)部分的無線信號發(fā)射部分，該部分分為編碼模塊與信號發(fā)射模塊(含天線)；便攜式語音裝置部分的無線信號接收部分，該部分分為信號接收模塊(含天線)與解碼模塊。
    無線信號收發(fā)信息發(fā)送的信息格式應(yīng)包含兩部分：地址信息用于便攜式智能語音播放器識別接收無線射頻識別系統(tǒng)無線信號的信息來源；語音文件編號信息，用于便攜式智能語音播放器識別語音文件，選擇語音文件播放。發(fā)送的信息格式如圖3所示。

    發(fā)送的信息采用8位地址碼和4位信息碼，地址設(shè)定時共有3種狀態(tài)(懸空、接正電源、接地)可供選擇，即地址編碼共有38即6 561組不重復(fù)的編碼方式，可有效發(fā)送無線信號的信息來源地址，避免出現(xiàn)由于地址信息重復(fù)造成的發(fā)送錯誤或重復(fù)的地址信息，使得信息無法識別或識別不正確信息的錯誤。

4 智能語音播放控制及解碼模塊設(shè)計
    便攜式智能語音播放器主要由單片機(jī)(Micro Control Unit)、音頻解碼器、存儲設(shè)備、PC通訊端口、音頻DAC及功放、顯示界面和控制鍵等構(gòu)成。其中單片機(jī)和音頻解碼器是整個系統(tǒng)的核心。
    便攜式智能語音播放器工作流程如圖4所示。

    首先由便攜式智能語音播放器的無線信號接收部分接收無線信號，識別出應(yīng)播放的由播放器存儲的語音信號并讀取后，再由音頻解碼芯片對信號進(jìn)行解碼，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換機(jī)將音頻數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號放大輸出。
    便攜式智能語音播放器的整個控制程序都由單片機(jī)的運(yùn)行來完成，控制播放器的各個部分的工作(從存儲設(shè)備讀取語音信號送到音頻解碼器解碼、與PC連接時完成與PC的數(shù)據(jù)交換、響應(yīng)控制按鍵的操作、顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)等)；音頻解碼器可以直接完成多種格式的音頻信號的解碼操作；存儲設(shè)備是系統(tǒng)的重要部分，它用于存儲預(yù)存在播放器中的音頻信號，也可以存儲由PC通信端口傳來的數(shù)據(jù)，播放時由單片機(jī)讀取存儲器中的數(shù)據(jù)并送到音頻解碼器；PC通信端口是播放器與：PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，完成存儲器中數(shù)據(jù)的拷貝、刪除、復(fù)制等操作；音頻DAC是將數(shù)字音頻信號轉(zhuǎn)換為模擬音頻信號，方便耳機(jī)或功放等設(shè)備的使用。
    單片機(jī)STC12LE5410AD部分用于控制響應(yīng)接收識別的無線信號并讀取存儲設(shè)備中的語音文件信息，并播放由音頻解碼芯片解碼后的語音文件，并控制LED顯示屏顯示文件信息(包括文件名、文件長度、播放長度等)，除此之外，同時可以響應(yīng)播放器上的按鈕播放、暫停、快進(jìn)以及音量調(diào)節(jié)等。
    STC12LE5410AD系列單片機(jī)是單時鐘／機(jī)器周期兼容的8051內(nèi)核單片機(jī)。STC12LE5410AD特點(diǎn)如下：增強(qiáng)型1T流水線精簡指令集結(jié)構(gòu)8051 CPU；用戶應(yīng)用程序空間12 KB，10 KB，8 KB，6 KB，4 KB，2 KB；片上集成512 B RAM；通用I／O口(27／23個)，復(fù)位后為準(zhǔn)雙向口，弱上拉(普通8051傳統(tǒng)I／O口)；可設(shè)置成四種模式：準(zhǔn)雙向口弱上拉，推挽強(qiáng)上拉，僅為輸入高阻，開漏每個I／O口驅(qū)動能力均可達(dá)到20 mA，但整個芯片最大不得超過55 mA；ISP(在系統(tǒng)可編程)、IAP(在應(yīng)用可編程)，無需專用編程器可通過串口(P3．0／P3．1)直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片；內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路(外部晶體20 MHz以下時，可省外部復(fù)位電路)；時鐘源：外部高精度晶體時鐘，內(nèi)部R／C振蕩器用戶在下載用戶程序時，可選擇是使用內(nèi)部R／C振蕩器還是外部晶體時鐘；常溫下內(nèi)部R／C振蕩器頻率為5．2～6．8 MHz，精度要求不
高時，可選擇使用內(nèi)部時鐘，但因為有溫漂，應(yīng)認(rèn)為是4～8 MHz；共2個16位定時器、計數(shù)器。
    當(dāng)單片機(jī)部分獲取了無線信號中語音信號的文件信息后，將對應(yīng)的語音信號讀取，由音頻解碼芯片解碼語音文件，再由單片機(jī)控制通過耳機(jī)或其他音頻設(shè)備播放已解碼的音頻文件。
    VS1003是一個MP3，WMA，MIDI音頻解碼器和ADPCM編碼器。VS1003通過一個串行接口來接收輸入的比特流，它可以作為一個系統(tǒng)的從機(jī)，輸入的比特流被解碼，然后通過一個數(shù)字音量控制器到達(dá)一個18位過采樣多位，通過串行總線控制解碼器。VS1003特性如下：能解碼MPEG 1和MPEG 2音頻層Ⅲ(CBR+VBR+ABR)、WMA 4．0／4．1／7／8／9，5～384 Kb／s所有流文件、WAV(PCM+IMAAD—PCM)等格式文件；單時鐘操作12．13 MHz；內(nèi)部PLL鎖相環(huán)時鐘倍頻器；內(nèi)含高性能片上立體聲數(shù)模轉(zhuǎn)換器；模擬、數(shù)字、I／O單獨(dú)供電；為用戶代碼和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備的5．5 KB片上RAM。
    播放器的存儲介質(zhì)選用SD卡，SD卡應(yīng)用廣泛，應(yīng)用于移動存儲設(shè)備中，且容量有多種選擇，方便用戶任意改變存儲介質(zhì)中的語音文件，成本較低；利用USB與PC進(jìn)行通信，方便用戶將語音文件導(dǎo)人播放器；顯示部分采用LED顯示屏，供用戶通過顯示屏了解展品簡要信息。
    便攜式智能語音播放器的電路設(shè)計原理圖如圖5所示。

5 結(jié)語
    本文設(shè)計并實現(xiàn)的的基于RFID的便攜式智能語音播放器以STC12LE5410AD單片機(jī)為主控芯片，使用VS1003音頻解碼芯片，結(jié)合RFID技術(shù)可以實現(xiàn)博物館展廳等全方向的無線數(shù)據(jù)通信。本系統(tǒng)不僅具備電子導(dǎo)游系統(tǒng)的功能，其設(shè)計還可用于交通管理、停車場管理等。