一种基于RFID的便携式智能语音播放器设计

摘要：针对传统的红外电子导游系统的不足，采用RFID技术设计并实现了一种便携式智能语音播放器。在给出RFlD便携式智能语音播放器的总体设计方案之后，分别对RFID模块、无线信号收发模块、控制器和解码模块进行了详细设计并给出了电路设计原理图；该播放器不仅体积小、感应灵敏，而且可以广泛应用在不同领域。
关键词：RFID；无线信号识别；音频解码；语音播放器

0 引言
    传统的电子导游系统一般采用红外无线通信的方式，容易出现游客接收到错误的景点信息而造成游客的不便。
    RFID(无线射频识别技术)是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境，尤其是RFID技术与物联网应用的结合，更是使得它成为目前研究的热点。因此，与RFID技术相结合的智能语音播放器也成为一种发展趋势，它可实现用户在展厅方便的进行参观、了解展品、收听各类文物、景点介绍等，实现博物馆等的自动化智能数字管理。
    本文设计的便携式智能语音播放器可以通过USB接口与PC通信下载景点资料，RFID电子标签安放在景区内，发射景点的编码信息，当游客进入景区时，便携式智能语音播放器接收到对应的景点编码信息后，进行编码并进行播放。

1 系统总体设计
    根据RFID技术的特点，设计了基于RFID的便携式智能语音播放器的总体结构框图，如图1所示。

     该设计共由三部分构成：RFID模块；无线信号收发模块；智能语音播放控制及解码模块。主要包括RFID电子标签与阅读器，用于主控的STC12LE5410AD单片机，VS1003音频解码芯片，大容量存储器，USB通信接口等。
    当播放器处于工作状态时，由RFID阅读器识别标签信号后，再通过收发系统将语音信号信息及标签信息发送对应标签信息的便携式语音装置，读取存储在便携式语音装置中的语音片段并播放语音。该系统有效工作距离为3～5 m，可存储至少3～5段(每段时长3～ 5 min)语音文件(内置中文、英文、日文语音文件)，语音文件亦可由用户通过播放器自主控制播放。

2 RFID模块设计
    RFID系统工作原理：用户标签进入磁场后，如果接收到阅读器发出的特殊射频信号，则能通过感应电流所获得的能量发送出存储在无源标签(被动标签，即Passive Tag)芯片中的产品地址信息，或由有源标签(主动标签，即Active Tag)主动发送某一频率信息，再由阅读器读取信息并解码，再进行有关数据的处理。
    RFID系统的基本模型如图2所示，电子标签与阅读器之间通过耦合元件实现射频信号的空间(非接触式)耦合，在耦合通道内，根据时序关系，实现数据交换以及能量传递。

    基于RFID的便携式智能语音播放器工作范围(感应距离)应控制在3～5 m，由于展厅各展台之间距离较小，若感应距离太远，容易造成信号间的干扰，出现未到展台便已经播放语音片段的情况，因此，感应距离最远不超过10m。
    电子反向散射耦合方式的作用距离为3～10 m，符合便携式智能语音播放器的感应距离要求，同时无源电子标签相对于有源电子标签更节约成本，且标签内部无需内置电源供电，易于携带且较为环保，因此，基于RFID的便携式智能语音播放器选择使用电子反向散射耦合方式的无源电子标签更为合适。

3 无线信号收发模块设计
    无线信号收发系统工作原理如下：无线信号收发系统接收到由RFID系统阅读器识别的信号，由发射部分发射信号；无线信号收发系统接收装置接收信号，并将信号传入便携式语音装置。
    无线信号收发系统共由两部分组成：RFID系统部分的无线信号发射部分，该部分分为编码模块与信号发射模块(含天线)；便携式语音装置部分的无线信号接收部分，该部分分为信号接收模块(含天线)与解码模块。
    无线信号收发信息发送的信息格式应包含两部分：地址信息用于便携式智能语音播放器识别接收无线射频识别系统无线信号的信息来源；语音文件编号信息，用于便携式智能语音播放器识别语音文件，选择语音文件播放。发送的信息格式如图3所示。

    发送的信息采用8位地址码和4位信息码，地址设定时共有3种状态(悬空、接正电源、接地)可供选择，即地址编码共有38即6 561组不重复的编码方式，可有效发送无线信号的信息来源地址，避免出现由于地址信息重复造成的发送错误或重复的地址信息，使得信息无法识别或识别不正确信息的错误。

4 智能语音播放控制及解码模块设计
    便携式智能语音播放器主要由单片机(Micro Control Unit)、音频解码器、存储设备、PC通讯端口、音频DAC及功放、显示界面和控制键等构成。其中单片机和音频解码器是整个系统的核心。
    便携式智能语音播放器工作流程如图4所示。

    首先由便携式智能语音播放器的无线信号接收部分接收无线信号，识别出应播放的由播放器存储的语音信号并读取后，再由音频解码芯片对信号进行解码，通过数模转换机将音频数字信号转换为模拟信号放大输出。
    便携式智能语音播放器的整个控制程序都由单片机的运行来完成，控制播放器的各个部分的工作(从存储设备读取语音信号送到音频解码器解码、与PC连接时完成与PC的数据交换、响应控制按键的操作、显示系统运行状态等)；音频解码器可以直接完成多种格式的音频信号的解码操作；存储设备是系统的重要部分，它用于存储预存在播放器中的音频信号，也可以存储由PC通信端口传来的数据，播放时由单片机读取存储器中的数据并送到音频解码器；PC通信端口是播放器与：PC机进行数据交换，完成存储器中数据的拷贝、删除、复制等操作；音频DAC是将数字音频信号转换为模拟音频信号，方便耳机或功放等设备的使用。
    单片机STC12LE5410AD部分用于控制响应接收识别的无线信号并读取存储设备中的语音文件信息，并播放由音频解码芯片解码后的语音文件，并控制LED显示屏显示文件信息(包括文件名、文件长度、播放长度等)，除此之外，同时可以响应播放器上的按钮播放、暂停、快进以及音量调节等。
    STC12LE5410AD系列单片机是单时钟／机器周期兼容的8051内核单片机。STC12LE5410AD特点如下：增强型1T流水线精简指令集结构8051 CPU；用户应用程序空间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个)，复位后为准双向口，弱上拉(普通8051传统I／O口)；可设置成四种模式：准双向口弱上拉，推挽强上拉，仅为输入高阻，开漏每个I／O口驱动能力均可达到20 mA，但整个芯片最大不得超过55 mA；ISP(在系统可编程)、IAP(在应用可编程)，无需专用编程器可通过串口(P3．0／P3．1)直接下载用户程序，数秒即可完成一片；内部集成MAX810专用复位电路(外部晶体20 MHz以下时，可省外部复位电路)；时钟源：外部高精度晶体时钟，内部R／C振荡器用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R／C振荡器还是外部晶体时钟；常温下内部R／C振荡器频率为5．2～6．8 MHz，精度要求不
高时，可选择使用内部时钟，但因为有温漂，应认为是4～8 MHz；共2个16位定时器、计数器。
    当单片机部分获取了无线信号中语音信号的文件信息后，将对应的语音信号读取，由音频解码芯片解码语音文件，再由单片机控制通过耳机或其他音频设备播放已解码的音频文件。
    VS1003是一个MP3，WMA，MIDI音频解码器和ADPCM编码器。VS1003通过一个串行接口来接收输入的比特流，它可以作为一个系统的从机，输入的比特流被解码，然后通过一个数字音量控制器到达一个18位过采样多位，通过串行总线控制解码器。VS1003特性如下：能解码MPEG 1和MPEG 2音频层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；单时钟操作12．13 MHz；内部PLL锁相环时钟倍频器；内含高性能片上立体声数模转换器；模拟、数字、I／O单独供电；为用户代码和数据准备的5．5 KB片上RAM。
    播放器的存储介质选用SD卡，SD卡应用广泛，应用于移动存储设备中，且容量有多种选择，方便用户任意改变存储介质中的语音文件，成本较低；利用USB与PC进行通信，方便用户将语音文件导人播放器；显示部分采用LED显示屏，供用户通过显示屏了解展品简要信息。
    便携式智能语音播放器的电路设计原理图如图5所示。

5 结语
    本文设计并实现的的基于RFID的便携式智能语音播放器以STC12LE5410AD单片机为主控芯片，使用VS1003音频解码芯片，结合RFID技术可以实现博物馆展厅等全方向的无线数据通信。本系统不仅具备电子导游系统的功能，其设计还可用于交通管理、停车场管理等。