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基于RFID的便攜式智能語(yǔ)音播放器設(shè)計(jì)

更新時(shí)間：2011-8-25 11:04:00 　（編輯：溫情）【大中小】

前言: RFID(無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù))是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別工作無(wú)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)。

　　【音響網(wǎng)資訊】
傳統(tǒng)的電子導(dǎo)游系統(tǒng)一般采用紅外無(wú)線通信的方式，容易出現(xiàn)游客接收到錯(cuò)誤的景點(diǎn)信息而造成游客的不便。

　　RFID(無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù))是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別工作無(wú)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(yǔ)音播放器也成為一種發(fā)展趨勢(shì)，它可實(shí)現(xiàn)用戶(hù)在展廳方便的進(jìn)行參觀、了解展品、收聽(tīng)各類(lèi)文物、景點(diǎn)介紹等，實(shí)現(xiàn)博物館等的自動(dòng)化智能數(shù)字管理。

　　本文設(shè)計(jì)的便攜式智能語(yǔ)音播放器可以通過(guò)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(shí)，便攜式智能語(yǔ)音播放器接收到對(duì)應(yīng)的景點(diǎn)編碼信息后，進(jìn)行編碼并進(jìn)行播放。

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

　　該設(shè)計(jì)共由三部分構(gòu)成：RFID模塊；無(wú)線信號(hào)收發(fā)模塊；智能語(yǔ)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(chǔ)器，USB通信接口等。

　　當(dāng)播放器處于工作狀態(tài)時(shí)，由RFID閱讀器識(shí)別標(biāo)簽信號(hào)后，再通過(guò)收發(fā)系統(tǒng)將語(yǔ)音信號(hào)信息及標(biāo)簽信息發(fā)送對(duì)應(yīng)標(biāo)簽信息的便攜式語(yǔ)音裝置，讀取存儲(chǔ)在便攜式語(yǔ)音裝置中的語(yǔ)音片段并播放語(yǔ)音。該系統(tǒng)有效工作距離為3～5 m，可存儲(chǔ)至少3～5段(每段時(shí)長(zhǎng)3～ 5 min)語(yǔ)音文件(內(nèi)置中文、英文、日文語(yǔ)音文件)，語(yǔ)音文件亦可由用戶(hù)通過(guò)播放器自主控制播放。

　　RFID模塊設(shè)計(jì)
　　RFID系統(tǒng)工作原理：用戶(hù)標(biāo)簽進(jìn)入磁場(chǎng)后，如果接收到閱讀器發(fā)出的特殊射頻信號(hào)，則能通過(guò)感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲(chǔ)在無(wú)源標(biāo)簽(被動(dòng)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(dòng)標(biāo)簽，即Active Tag)主動(dòng)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(guò)耦合元件實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的空間(非接觸式)耦合，在耦合通道內(nèi)，根據(jù)時(shí)序關(guān)系，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換以及能量傳遞。

　　基于RFID的便攜式智能語(yǔ)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(tái)之間距離較小，若感應(yīng)距離太遠(yuǎn)，容易造成信號(hào)間的干擾，出現(xiàn)未到展臺(tái)便已經(jīng)播放語(yǔ)音片段的情況，因此，感應(yīng)距離最遠(yuǎn)不超過(guò)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(yǔ)音播放器的感應(yīng)距離要求，同時(shí)無(wú)源電子標(biāo)簽相對(duì)于有源電子標(biāo)簽更節(jié)約成本，且標(biāo)簽內(nèi)部無(wú)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(yǔ)音播放器選擇使用電子反向散射耦合方式的無(wú)源電子標(biāo)簽更為合適。

　　無(wú)線信號(hào)收發(fā)模塊設(shè)計(jì)
　　無(wú)線信號(hào)收發(fā)系統(tǒng)工作原理如下：無(wú)線信號(hào)收發(fā)系統(tǒng)接收到由RFID系統(tǒng)閱讀器識(shí)別的信號(hào)，由發(fā)射部分發(fā)射信號(hào)；無(wú)線信號(hào)收發(fā)系統(tǒng)接收裝置接收信號(hào)，并將信號(hào)傳入便攜式語(yǔ)音裝置。

　　無(wú)線信號(hào)收發(fā)系統(tǒng)共由兩部分組成：RFID系統(tǒng)部分的無(wú)線信號(hào)發(fā)射部分，該部分分為編碼模塊與信號(hào)發(fā)射模塊(含天線)；便攜式語(yǔ)音裝置部分的無(wú)線信號(hào)接收部分，該部分分為信號(hào)接收模塊(含天線)與解碼模塊。

　　無(wú)線信號(hào)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(yǔ)音播放器識(shí)別接收無(wú)線射頻識(shí)別系統(tǒng)無(wú)線信號(hào)的信息來(lái)源；語(yǔ)音文件編號(hào)信息，用于便攜式智能語(yǔ)音播放器識(shí)別語(yǔ)音文件，選擇語(yǔ)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(shí)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(wú)線信號(hào)的信息來(lái)源地址，避免出現(xiàn)由于地址信息重復(fù)造成的發(fā)送錯(cuò)誤或重復(fù)的地址信息，使得信息無(wú)法識(shí)別或識(shí)別不正確信息的錯(cuò)誤。

　　智能語(yǔ)音播放控制及解碼模塊設(shè)計(jì)
　　便攜式智能語(yǔ)音播放器主要由單片機(jī)(Micro Control Unit)、音頻解碼器、存儲(chǔ)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(gè)系統(tǒng)的核心。

　　便攜式智能語(yǔ)音播放器工作流程如圖4所示。

　　首先由便攜式智能語(yǔ)音播放器的無(wú)線信號(hào)接收部分接收無(wú)線信號(hào)，識(shí)別出應(yīng)播放的由播放器存儲(chǔ)的語(yǔ)音信號(hào)并讀取后，再由音頻解碼芯片對(duì)信號(hào)進(jìn)行解碼，通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換機(jī)將音頻數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)放大輸出。

　　便攜式智能語(yǔ)音播放器的整個(gè)控制程序都由單片機(jī)的運(yùn)行來(lái)完成，控制播放器的各個(gè)部分的工作(從存儲(chǔ)設(shè)備讀取語(yǔ)音信號(hào)送到音頻解碼器解碼、與PC連接時(shí)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(hào)的解碼操作；存儲(chǔ)設(shè)備是系統(tǒng)的重要部分，它用于存儲(chǔ)預(yù)存在播放器中的音頻信號(hào)，也可以存儲(chǔ)由PC通信端口傳來(lái)的數(shù)據(jù)，播放時(shí)由單片機(jī)讀取存儲(chǔ)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(chǔ)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(hào)轉(zhuǎn)換為模擬音頻信號(hào)，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(shí)別的無(wú)線信號(hào)并讀取存儲(chǔ)設(shè)備中的語(yǔ)音文件信息，并播放由音頻解碼芯片解碼后的語(yǔ)音文件，并控制LED顯示屏顯示文件信息(包括文件名、文件長(zhǎng)度、播放長(zhǎng)度等)，除此之外，同時(shí)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(shí)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(jiǎn)指令集結(jié)構(gòu)8051 CPU；用戶(hù)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(gè))，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(kāi)漏每個(gè)I／O口驅(qū)動(dòng)能力均可達(dá)到20 mA，但整個(gè)芯片最大不得超過(guò)55 mA；ISP(在系統(tǒng)可編程)、IAP(在應(yīng)用可編程)，無(wú)需專(zhuān)用編程器可通過(guò)串口(P3．0／P3．1)直接下載用戶(hù)程序，數(shù)秒即可完成一片；內(nèi)部集成MAX810專(zhuān)用復(fù)位電路(外部晶體20 MHz以下時(shí)，可省外部復(fù)位電路)；時(shí)鐘源：外部高精度晶體時(shí)鐘，內(nèi)部R／C振蕩器用戶(hù)在下載用戶(hù)程序時(shí)，可選擇是使用內(nèi)部R／C振蕩器還是外部晶體時(shí)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(shí)，可選擇使用內(nèi)部時(shí)鐘，但因?yàn)橛袦仄瑧?yīng)認(rèn)為是4～8 MHz；共2個(gè)16位定時(shí)器、計(jì)數(shù)器。

　　當(dāng)單片機(jī)部分獲取了無(wú)線信號(hào)中語(yǔ)音信號(hào)的文件信息后，將對(duì)應(yīng)的語(yǔ)音信號(hào)讀取，由音頻解碼芯片解碼語(yǔ)音文件，再由單片機(jī)控制通過(guò)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(gè)MP3，WMA，MIDI音頻解碼器和ADPCM編碼器。VS1003通過(guò)一個(gè)串行接口來(lái)接收輸入的比特流，它可以作為一個(gè)系統(tǒng)的從機(jī)，輸入的比特流被解碼，然后通過(guò)一個(gè)數(shù)字音量控制器到達(dá)一個(gè)18位過(guò)采樣多位，通過(guò)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(shí)鐘操作12．13 MHz；內(nèi)部PLL鎖相環(huán)時(shí)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(hù)代碼和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備的5．5 KB片上RAM。

　　播放器的存儲(chǔ)介質(zhì)選用SD卡，SD卡應(yīng)用廣泛，應(yīng)用于移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備中，且容量有多種選擇，方便用戶(hù)任意改變存儲(chǔ)介質(zhì)中的語(yǔ)音文件，成本較低；利用USB與PC進(jìn)行通信，方便用戶(hù)將語(yǔ)音文件導(dǎo)人播放器；顯示部分采用LED顯示屏，供用戶(hù)通過(guò)顯示屏了解展品簡(jiǎn)要信息。

　　便攜式智能語(yǔ)音播放器的電路設(shè)計(jì)原理圖如圖5所示。

　　結(jié)語(yǔ)
　　本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的的基于RFID的便攜式智能語(yǔ)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(shí)現(xiàn)博物館展廳等全方向的無(wú)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(jì)還可用于交通管理、停車(chē)場(chǎng)管理等。


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