RFID和语音合成技术的语音导览终端设计

引言

在国内的一些大型博物馆和风景区，已经采用了一些语音导览器，为游客提供各种解说和导游，大大方便了游客对博物馆和风景区历史文化的了解。但传统的语音导览器功能比较单一、功耗大、成本高、数据更新复杂，游客需要手动输入编码才能得到相应的播放信息，限制了语音导览器的进一步推广使用。本设计结合RFID 射频识别技术和TTS语音合成技术，提出了一种可自动识别解说对象的语音导览器，并结合USB存储技术，实现各种导览信息的及时更新。

1 RFID技术、TTS技术及终端功能分析

RFID(Radio Frequency Identification，射频识别)俗称电子标签，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，识别工作无需人工干预，可工作于各种恶劣环境中。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。最基本的RFID系统由三部分组成：标签 (tag)，由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象；阅读器(reader)，读取(有时还可以写入)标签信息的设备，可设计为手持式或固定式；天线(anten—na)，在标签和读取器间传递射频信号。

TTS(Text To Speech，语音合成)技术解决如何将文字信息转化为声音信息的问题，从而变看为听，使得人们获取信息的方式更加丰富和自然。语音合成技术是实现人机语音通信的关键技术之一，涉及声学、语言学、数字信号处理、计算机科学等多种学科知识，是中文信息处理领域的一项前沿技术。

语音导览终端作为便携式终端，为确保其有足够的能量可靠地工作，整个设计必须满足低功耗要求。同时，通过对目前市场使用的语音导览器的分析，本设计所要实现的语音导览终端主要实现以下基本功能：目标对象自动识别；导览信息主动播放；USB信息更新；游览路线显示；服务信息查询。

2 语音导览终端硬件原理设计

语音导览终端基本原理框图如图l所示。RFID读头电路将获得的标签信息送到微控制器。微控制器根据标签信息从数据存储器中读取相应的文本信息并通过串口送到TTS语音合成电路。TTS语音合成电路将文本信息转换为语音信息，然后经音频放大电路放大后送到内置喇叭或外接耳机。同时，LCD显示屏根据标签信息显示目前的游览路线。另外，通过人机接口可以查询一些服务信息。



2．1 EM4095 RFID读头电路

EM4095是RFID基站读写芯片，载波工作频率为100～150 kHz，可以对EM400X、EM4050、EM4150等标签进行操作。采用图2所示工作电路时，其工作频率由以下关系式确定：



在实际应用中，上式中的电容选择陶瓷电容，并根据实际测试情况适当调整电感L1的值，从而确保工作频率为125 kHz。



2．2 XF—S3011语音合成及音频放大电路

XF一S30ll芯片是中科大讯飞信息科技有限公司研发的一款中文语音合成芯片，将完整的语音合成系统完全集成到单一的处理器内部，通过串口接收并合成任意文本。串口波特率为9600 bps，并通过RAD端口指示语音芯片目前的工作状态(Busy／Ready)。由于XF一S3011芯片输出的音频信号功率比较小，为了使音频信号有足够的功率驱动扬声器，需要通过LM4871电路进行功率放大，放大增益可以通过电阻R来调节。图3和图4是XF一S3011芯片和LM4871芯片外围电路设计图。

2．3 微控制器及接口电路

微控制器采用LPC2146，该控制器带有32 KB+8 KB和256 KB嵌入的高速Flash存储器，内置USB 2．0全速器件、UART、SPI、SSP、I2C串行通信接口，采用超小LQFP64封装，低功耗。为了与LCD 160×128、大容量数据存储器(SST39VF080)及键盘连接，本设计采用了74L574和74L245对I／0口进行了扩展。

LPC2146的串口1除了用来进行ISP编程外，还可以对系统工作参数进行设置。同时，在程序调试过程中，还可以设置一些状态点，方便代码的调试和测试。上位机管理软件通过USB口和LPC2146进行通信，LPC2146将上位机传来的导览信息按一定的格式保存到大容量程序存储器中，这样能够方便数据及时更新。



2．4 电源管理模块

对于语音导览终端，内部需要多种电源。因此如何合理设计电源管理模块，对终端的稳定工作以及控制功耗都有非常重要的影响。本设计采用MAXl677电源管理芯片将锂电池提供的电源转换为两路，一路提供给EL背光驱动，另一路输出3．3 V电压用于LPC2146及其他外围芯片，3．3 V电压再通过SPX5205／1．8 V芯片转换为1．8V电压提供给LPC2146内核。

3 应用软件设计

为了减小系统资源开销，同时考虑到终端功能需求，软件设计采用Keil C51自带的ARTX操作系统。该操作系统应用简单，所占资源少，适用于实时性要求不太高的应用场合。本终端软件程序框架如图5所示，主要包括主控程序、 ARTX内核程序、用户任务、底层驱动、配置与设置5部分。软件运行基本流程为：



    ①上电复位后主控程序运行，主控程序完成变量的初始化、RAM的分配、任务块初始化、ARTX初始化， 然后进入while循环；
    ②在whiIe循环中，启动任务调度与切换，任务查询节拍为10 ms，完成一个任务后，查询任务表中优先级最高的任务开始执行；
    ③外部中断将启动相应的中断处理程序，后者促使某些任务就绪，就绪的任务将根据优先级排队等待执行。