基于RFID和語音合成技術的語音導覽終端設計

引 言

　　在國內的一些大型博物館和風景區(qū)，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(qū)歷史文化的了解。但傳統(tǒng)的語音導覽器功能比較單一、功耗大、成本高、數(shù)據(jù)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(xiàn)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(shù)據(jù)，識別工作無需人工干預，可工作于各種惡劣環(huán)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(tǒng)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(xiàn)人機語音通信的關鍵技術之一，涉及聲學、語言學、數(shù)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(xiàn)的語音導覽終端主要實現(xiàn)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(jù)標簽信息從數(shù)據(jù)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(jù)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(jù)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(fā)的一款中文語音合成芯片，將完整的語音合成系統(tǒng)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(tài)(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(jié)。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(shù)據(jù)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(tǒng)工作參數(shù)進行設置。同時，在程序調試過程中，還可以設置一些狀態(tài)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(shù)據(jù)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(wěn)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(tǒng)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(tǒng)。該操作系統(tǒng)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：

　　①上電復位后主控程序運行，主控程序完成變量的初始化、RAM的分配、任務塊初始化、ARTX初始化， 然后進入while循環(huán)；

　　②在whiIe循環(huán)中，啟動任務調度與切換，任務查詢節(jié)拍為10 ms，完成一個任務后，查詢任務表中優(yōu)先級最高的任務開始執(zhí)行；

　　③外部中斷將啟動相應的中斷處理程序，后者促使某些任務就緒，就緒的任務將根據(jù)優(yōu)先級排隊等待執(zhí)行。

　　結 語

　　RFID技術在語音導覽終端中的應用，解決了手動輸入識別信息的麻煩，實現(xiàn)了識別對象的自動信息采集，大大簡化了常規(guī)操作程序，方便游客使用；同時，結合屏幕顯示，為游客提供了準確的游覽位置。語音合成技術擺脫了傳統(tǒng)的錄音存儲模式，一方面減少了對終端存儲量的要求，另一方面實現(xiàn)導覽信息的快速更新。