一種基於RFID的便攜式智能語音播放器設計論文

摘 要：針對傳統的紅外電子導遊系統的不足，採用RFID技術設計並實現了一種便攜式智能語音播放器。在給出RFID便攜式智能語音播放器的總體設計方案之後，分別對RFID模塊、無線信號收發模塊、控制器和解碼模塊進行了詳細設計並給出了電路設計原理圖;該播放器不僅體積小、感應靈敏，而且可以廣泛應用在不同領域。

關鍵詞：RFID;無線信號識別;音頻解碼;語音播放器

基金項目：國家大學生創新計劃和西北工業大學2011年重點扶持本科畢業設計項目資助

0 引 言

傳統的電子導遊系統一般採用紅外無線通信的方式，容易出現遊客接收到錯誤的景點信息而造成遊客的不便。

RFID(無線射頻識別技術)是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象並獲取相關數據，識別工作無須人工干預，可工作於各種惡劣環境，尤其是RFID技術與物聯網應用的結合，更是使得它成為目前研究的熱點。因此，與RFID技術相結合的智能語音播放器也成為一種發展趨勢，它可實現用户在展廳方便的進行參觀、瞭解展品、收聽各類文物、景點介紹等，實現博物館等的自動化智能數字管理[1]。

本文設計的便攜式智能語音播放器可以通過USB接口與PC通信下載景點資料，RFID電子標籤安放在景區內，發射景點的編碼信息，當遊客進入景區時，便攜式智能語音播放器接收到對應的景點編碼信息後，進行編碼並進行播放。

1 系統總體設計

根據RFID技術的特點，設計了基於RFID的便攜式智能語音播放器的總體結構框圖，如圖1所示。

圖1 基於RFID的便攜式智能語音播放器設計框圖該設計共由三部分構成：RFID模塊;無線信號收發模塊;智能語音播放控制及解碼模塊。主要包括RFID電子標籤與閲讀器，用於主控的STC12LE5410AD單片機，VS1003音頻解碼芯片，大容量存儲器，USB通信接口等。

當播放器處於工作狀態時，由RFID閲讀器識別標籤信號後，再通過收發系統將語音信號信息及標籤信息發送對應標籤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並播放語音。該系統有效工作距離為3～5m，可存儲至少3～5段(每段時長3～5min)語音文件(內置中文、英文、日文語音文件)，語音文件亦可由用户通過播放器自主控制播放。

2 RFID模塊設計

RFID系統[2]工作原理：用户標籤進入磁場後，如果接收到閲讀器發出的特殊射頻信號，則能通過感應電流所獲得的能量發送出存儲在無源標籤(被動標籤，即Passive Tag)芯片中的產品地址信息，或由有源標籤(主動標籤，即Active Tag)主動發送某一頻率信息，再由閲讀器讀取信息並解碼，再進行有關數據的處理。

RFID系統的基本模型如圖2所示，電子標籤與閲讀器之間通過耦合元件實現射頻信號的空間(非接觸式)耦合，在耦合通道內，根據時序關係，實現數據交換以及能量傳遞。

基於RFID的便攜式智能語音播放器工作範圍(感應距離)應控制在3～5m，由於展廳各展台之間距離較小，若感應距離太遠，容易造成信號間的干擾，出現未到展台便已經播放語音片段的情況，因此，感應距離最遠不超過10m。

電子反向散射耦合方式[3]的作用距離為3～10m，符合便攜式智能語音播放器的感應距離要求，同時無源電子標籤相對於有源電子標籤更節約成本，且標籤內部無需內置電源供電，易於攜帶且較為環保，因此，基於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籤更為合適。

3 無線信號收發模塊設計

無線信號收發系統工作原理如下：無線信號收發系統接收到由RFID系統閲讀器識別的信號，由發射部分發射信號;無線信號收發系統接收裝置接收信號，並將信號傳入便攜式語音裝置。

無線信號收發系統共由兩部分組成：RFID系統部分的無線信號發射部分，該部分分為編碼模塊與信號發射模塊(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。

無線信號收發信息發送的信息格式應包含兩部分：地址信息用於便攜式智能語音播放器識別接收無線射頻識別系統無線信號的信息來源;語音文件編號信息，用於便攜式智能語音播放器識別語音文件，選擇語音文件播放。發送的信息格式如圖3所示。

圖3 發送的信息格式圖示

發送的信息採用8位地址碼和4位信息碼，地址設定時共有3種狀態(懸空、接正電源、接地)可供選擇，即地址編碼共有38即6 561組不重複的編碼方式，可有效發送無線信號的信息來源地址，避免出現由於地址信息重複造成的發送錯誤或重複的地址信息，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計

便攜式智能語音播放器主要由單片機(Micro Con-trol Unit)、音頻解碼器、存儲設備、PC通訊端口、音頻DAC及功放、顯示界面和控制鍵等構成。其中單片機和音頻解碼器是整個系統的核心。

圖4 便攜式智能語音播放器工作流程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，識別出應播放的.由播放器存儲的語音信號並讀取後，再由音頻解碼芯片對信號進行解碼，通過數模轉換機將音頻數字信號轉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[4-5]的運行來完成，控制播放器的各個部分的工作(從存儲設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的數據交換、響應控制按鍵的操作、顯示系統運行狀態等);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;存儲設備是系統的重要部分，它用於存儲預存在播放器中的音頻信號，也可以存儲由PC通信端口傳來的數據，播放時由單片機讀取存儲器中的數據並送到音頻解碼器[6];PC通信端口是播放器與PC機進行數據交換，完成存儲器中數據的拷貝、刪除、複製等操作;音頻DAC是將數字音頻信號轉換為模擬音頻信號，方便耳機或功放等設備的使用。

單片機STC12LE5410AD部分用於控制響應接收識別的無線信號並讀取存儲設備中的語音文件信息，並播放由音頻解碼芯片解碼後的語音文件，並控制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，同時可以響應播放器上的按鈕播放、暫停、快進以及音量調節等。

STC12LE5410AD系列單片機是單時鐘/機器週期兼容的8051內核單片機。STC12LE5410AD特點如下：增強型1T流水線精簡指令集結構8051CPU;用户應用程序空間12KB，10KB，8KB，6KB，4KB，2KB;

片上集成512BRAM;通用I/O口(27/23個)，復位後為準雙向口，弱上拉(普通8051傳統I/O口);可設置成四種模式：準雙向口弱上拉，推輓強上拉，僅為輸入高阻，開漏每個I/O口驅動能力均可達到20mA，但整個芯片最大不得超過55mA;

ISP(在系統可編程)、IAP(在應用可編程)，無需專用編程器可通過串口(P3.0/P3.1)直接下載用户程序，數秒即可完成一片;內部集成MAX810專用復位電路(外部晶體20MHz以下時，可省外部復位電路);時鐘源：外部高精度晶體時鐘，內部R/C振盪器用户在下載用户程序時，可選擇是使用內部R/C振盪器還是外部晶體時鐘;常温下內部R/C振盪器頻率為5.2～6.8MHz，精度要求不高時，可選擇使用內部時鐘，但因為有温漂，應認為是4～8MHz;共2個16位定時器、計數器。

當單片機部分獲取了無線信號中語音信號的文件信息後，將對應的語音信號讀取，由音頻解碼芯片解碼語音文件[7]，再由單片機控制通過耳機或其他音頻設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的從機，輸入的比特流被解碼，然後通過一個數字音量控制器到達一個18位過採樣多位，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 4.0/4.1/7/8/9，5～384Kb/s所有流文件、WAV(PCM+IMAAD-PCM)等格式文件;單時鐘操作12.13MHz;內部PLL鎖相環時鐘倍頻器;內含高性能片上立體聲數模轉換器;模擬、數字、I/O單獨供電;為用户代碼和數據準備的5.5KB片上RAM。

播放器的存儲介質選用SD卡，SD卡應用廣泛，應用於移動存儲設備中，且容量有多種選擇，方便用户任意改變存儲介質中的語音文件，成本較低;利用USB與PC進行通信，方便用户將語音文件導入播放器[8];顯示部分採用LED顯示屏，供用户通過顯示屏瞭解展品簡要信息。

圖5 便攜式智能語音播放器電路設計原理圖5 結 語本文設計並實現的的基於RFID的便攜式智能語音播放器以STC12LE5410AD單片機為主控芯片，使用VS1003音頻解碼芯片，結合RFID技術可以實現博物館展廳等全方向的無線數據通信。本系統不僅具備電子導遊系統的功能，其設計還可用於交通管理、停車場管理等。