基于RFID和語音合成技術的語音導覽終端設計 - 全文

引言

　　在國內的一些大型博物館和風景區，已經采用了一些語音導覽器，為游客提供各種解說和導游，大大方便了游客對博物館和風景區歷史文化的了解。但傳統的語音導覽器功能比較單一、功耗大、成本高、數據更新復雜，游客需要手動輸入編碼才能得到相應的播放信息，限制了語音導覽器的進一步推廣使用。本設計結合RFID 射頻識別技術和TTS語音合成技術，提出了一種可自動識別解說對象的語音導覽器，并結合USB存儲技術，實現各種導覽信息的及時更新。

　　1 RFID技術、TTS技術及終端功能分析

　　RFID(Radio Frequency Identification，射頻識別)俗稱電子標簽，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并獲取相關數據，識別工作無需人工干預，可工作于各種惡劣環境中。RFID技術可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽，操作快捷方便。最基本的RFID系統由三部分組成：標簽(tag)，由耦合元件及芯片組成，每個標簽具有唯一的電子編碼，附著在物體上標識目標對象；閱讀器(reader)，讀取(有時還可以寫入)標簽信息的設備，可設計為手持式或固定式；天線(anten—na)，在標簽和讀取器間傳遞射頻信號。

　　TTS(Text To Speech，語音合成)技術解決如何將文字信息轉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。語音合成技術是實現人機語音通信的關鍵技術之一，涉及聲學、語言學、數字信號處理、計算機科學等多種學科知識，是中文信息處理領域的一項前沿技術。

　　語音導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，整個設計必須滿足低功耗要求。同時，通過對目前市場使用的語音導覽器的分析，本設計所要實現的語音導覽終端主要實現以下基本功能：目標對象自動識別；導覽信息主動播放；USB信息更新；游覽路線顯示；服務信息查詢。

　　2 語音導覽終端硬件原理設計

　　語音導覽終端基本原理框圖如圖1所示。RFID讀頭電路將獲得的標簽信息送到微控制器。微控制器根據標簽信息從數據存儲器中讀取相應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換為語音信息，然后經音頻放大電路放大后送到內置喇叭或外接耳機。同時，LCD顯示屏根據標簽信息顯示目前的游覽路線。另外，通過人機接口可以查詢一些服務信息。

　　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等標簽進行操作。采用圖2所示工作電路時，其工作頻率由以下關系式確定：

　　在實際應用中，上式中的電容選擇陶瓷電容，并根據實際測試情況適當調整電感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的一款中文語音合成芯片，將完整的語音合成系統完全集成到單一的處理器內部，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(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動揚聲器，需要通過LM4871電路進行功率放大，放大增益可以通過電阻R來調節。圖3和圖4是XF一S3011芯片和LM4871芯片外圍電路設計圖。

　　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、大容量數據存儲器(SST39VF080)及鍵盤連接，本設計采用了74L574和74L245對I／0口進行了擴展。

　　LPC2146的串口1除了用來進行ISP編程外，還可以對系統工作參數進行設置。同時，在程序調試過程中，還可以設置一些狀態點，方便代碼的調試和測試。上位機管理軟件通過USB口和LPC2146進行通信，LPC2146將上位機傳來的導覽信息按一定的格式保存到大容量程序存儲器中，這樣能夠方便數據及時更新。

　　2．4 電源管理模塊

　　對于語音導覽終端，內部需要多種電源。因此如何合理設計電源管理模塊，對終端的穩定工作以及控制功耗都有非常重要的影響。本設計采用MAXl677電源管理芯片將鋰電池提供的電源轉換為兩路，一路提供給EL背光驅動，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芯片轉換為1．8V電壓提供給LPC2146內核。

　　3 應用軟件設計

　　為了減小系統資源開銷，同時考慮到終端功能需求，軟件設計采用Keil C51自帶的ARTX操作系統。該操作系統應用簡單，所占資源少，適用于實時性要求不太高的應用場合。本終端軟件程序框架如圖5所示，主要包括主控程序、ARTX內核程序、用戶任務、底層驅動、配置與設置5部分。軟件運行基本流程為：