《電子技術(shù)應(yīng)用》
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智能無線電子解說系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2008-04-17
作者:馮文江,,邱 宇,張立鵬

  摘 要: 提出一種采用短距離無線通信芯片CYWUSB6934的全智能電子解說" title="電子解說">電子解說系統(tǒng)解決方案,。介紹了系統(tǒng)功能、構(gòu)成,、無線模塊" title="無線模塊">無線模塊及其與單片機(jī)的接口編程等,。
  關(guān)鍵詞: 無線電 導(dǎo)游 電子解說 CYWUSB6934


  傳統(tǒng)的旅游景區(qū)、展覽館,、博物館中的解說工作主要由解說員擔(dān)任,,相同的內(nèi)容每天要重復(fù)講解多次,且絕大多數(shù)解說員只能用單一語種解說,。其工作不但乏味,,而且不能保證解說質(zhì)量。特別是人數(shù)較多,、多個(gè)解說員同時(shí)講解時(shí),,觀眾或游客大多聽不到或聽不清楚解說內(nèi)容。本文介紹一種智能無線" title="智能無線">智能無線電子解說系統(tǒng),,具有智能化,、個(gè)性化、高音質(zhì),、實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)。無論觀眾到達(dá)的時(shí)間先后,,也無論觀眾的語言是否相同,,該系統(tǒng)都能根據(jù)觀眾的位置和需要自動(dòng)確定解說的語言和內(nèi)容,使每個(gè)觀眾不但得到每個(gè)展位,、景點(diǎn)的完整信息,,而且感受到高清晰,、低噪聲的音響效果。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
  一種能夠自動(dòng)識(shí)別當(dāng)前所處區(qū)域并自動(dòng)切換和播放與該區(qū)域?qū)?yīng)的解說文件的智能無線電子解說系統(tǒng)如圖1所示,,系統(tǒng)由地址碼無線發(fā)射機(jī)和手持智能無線接收終端組成,。


  地址碼無線發(fā)射機(jī)安裝在各個(gè)景點(diǎn)或展臺(tái)處,周期性地向外發(fā)射自身地址碼,,不同的景點(diǎn)/展臺(tái)具有不同的地址碼,,同一景點(diǎn)/展臺(tái)可以布置一個(gè)或多個(gè)相同地址碼的發(fā)射機(jī),盡量讓所發(fā)射的信號(hào)覆蓋整個(gè)景點(diǎn)/展臺(tái),。隨著用戶的移動(dòng),,所攜帶的手持智能無線接收終端在走近某景點(diǎn)/展臺(tái)時(shí)會(huì)自動(dòng)接收到對(duì)應(yīng)該景點(diǎn)/展臺(tái)的地址碼,通過對(duì)該地址碼的解析,,接收終端調(diào)用并切換到該地址碼對(duì)應(yīng)的解說文件進(jìn)行播放,。
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)

  ·各景點(diǎn)/展臺(tái)的覆蓋范圍為5~25米可調(diào);
  ·各景點(diǎn)/展臺(tái)之間互不干擾,;
  ·景點(diǎn)識(shí)別編碼發(fā)射采用ISM頻段,;
  ·可由用戶選擇語音播放語種,USB接口快速下載,;
  ·信號(hào)發(fā)射功率" title="發(fā)射功率">發(fā)射功率在允許范圍之內(nèi)可調(diào),;
  ·能在溫度濕度相對(duì)惡劣的環(huán)境下工作;
  ·自動(dòng)實(shí)現(xiàn)不同景點(diǎn)/展臺(tái)的解說內(nèi)容切換,;
  ·能存儲(chǔ)30個(gè)景點(diǎn)/展臺(tái),、每個(gè)景點(diǎn)/展臺(tái)5分鐘左右的解說詞;
  ·發(fā)射主機(jī)符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),。
  為了滿足設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)的要求,,對(duì)構(gòu)成系統(tǒng)的主要器件做如下選擇:(1)發(fā)射機(jī)的低功耗單片機(jī)采用TI公司的MSP430F133;(2)接收終端的MCU采用ATMEL公司的AT89C51SND1C,,該芯片集成了MP3解碼核和USB接口模塊,;(3)無線模塊采用CYWUSB6934;(4)Flash存儲(chǔ)器采用三星公司的K9F1208UOB,;(5)顯示電路由多個(gè)LED構(gòu)成,,顯示當(dāng)前所處的景點(diǎn)/展臺(tái)位置。
2.2 CYWUSB6934無線收發(fā)器件
  CYWUSB6934是CYPRESS公司推出的低成本高集成2.4GHz直序擴(kuò)頻射頻片上系統(tǒng),。該器件工作于ISM頻段,,共78個(gè)頻道可選,具有低功耗,、低輻射等特點(diǎn),。發(fā)射功率最大為0dBm(1mW),且具有7個(gè)等級(jí)可調(diào);無線接收靈敏度高,,可達(dá)-90dBm(10-12瓦),;最大發(fā)射功率下的傳輸半徑超過10m,數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)62.5kbps,;與單片機(jī)之間的接口為SPI口,,最高數(shù)據(jù)速率為2Mbps;處于Power Down模式下的待機(jī)電流小于1μA,;內(nèi)部集成了無線收發(fā)模塊,、高斯頻移鍵控調(diào)制解調(diào)模塊、一對(duì)直序擴(kuò)頻基帶處理模塊以及一對(duì)串并/并串轉(zhuǎn)換模塊,;外圍電路僅需要少量電容和電感,,體積小、穩(wěn)定性高,,主要用于鍵盤,、鼠標(biāo)等無線USB連接。由于其短距離,、功耗低等特點(diǎn),,非常適用于景點(diǎn)/展臺(tái)的無線電子解說系統(tǒng)。
2.3 地址碼無線發(fā)射機(jī)
  MSP430F133具有超低功耗結(jié)構(gòu)體系,,工作電壓1.8~3.6V,;VCC為3V且在1MHz時(shí)鐘條件下運(yùn)行時(shí),耗電電流僅為420μA,,最高不超過560μA,。該芯片共有6種工作模式,包括5種省電模式(LPM0~LPM4)和一種正常模式(AM),。LPM3和LPM4兩種模式下,,耗電電流不到2μA;用中斷喚醒CPU的時(shí)間僅6μs,,因此可以在正常模式與低功耗模式之間靈活快速地轉(zhuǎn)換,,從而降低功耗。
  因?yàn)槌鼳M模式外的5種省電模式CPU都不再執(zhí)行指令,,所以,,必須讓芯片在AM模式和省電模式之間來回轉(zhuǎn)換。本文制定的工作流程如下:
  芯片上電之后處于正常模式(AM),,完成端口初始化,、外設(shè)初始化和定時(shí)器A初始化等各類初始化工作后,讓無線模塊進(jìn)入Power Down模式,,同時(shí)打開定時(shí)器A,,開中斷,,然后進(jìn)入LPM3模式(由于定時(shí)器A所選用時(shí)鐘是ACLK,,因此LPM3是保證ACLK前提下的最省電模式),。定時(shí)器A定時(shí)時(shí)間到后將產(chǎn)生中斷,單片機(jī)從LPM3模式回到正常工作模式,,喚醒無線模塊,,并發(fā)送數(shù)據(jù)。發(fā)送完畢后,,繼續(xù)讓無線模塊進(jìn)入Power Down模式,,然后開定時(shí)器,開中斷,,再次進(jìn)入LPM3模式,,等待下一次定時(shí)中斷到來。發(fā)射端狀態(tài)機(jī)如圖2所示,。


2.4 手持智能無線接收終端
  每個(gè)景點(diǎn)/展臺(tái)的解說內(nèi)容都以特定的文件格式存儲(chǔ)在手持智能無線接收終端的Flash中,,每個(gè)文件都唯一對(duì)應(yīng)一個(gè)地址碼。本系統(tǒng)解說文件采用48kbps的比特率,,64MB Flash可存儲(chǔ)180分鐘的解說內(nèi)容,,既保證了音質(zhì),也基本滿足播放時(shí)間要求,。若采用更低的比特率,,可獲得更長(zhǎng)的播放時(shí)間。
  接收終端開機(jī)完成各模塊的初始化后,,打開無線模塊,,開始監(jiān)聽信道,同時(shí)播放歡迎詞,,等待中斷產(chǎn)生,。CYWUSB6934的IRQ引腳連接到MCU的INT_0引腳上,當(dāng)收到1字節(jié)數(shù)據(jù)后,,會(huì)在其IRQ引腳上產(chǎn)生一次中斷,,通知MCU已收到數(shù)據(jù)。MCU響應(yīng)外部中斷0,,通過SPI口總線讀取CYWUSB6934接收數(shù)據(jù)寄存器中收到的地址碼,,與當(dāng)前播放文件所對(duì)應(yīng)的地址碼進(jìn)行比較。若相同則繼續(xù)播放,,若不同則切換到接收地址碼對(duì)應(yīng)文件播放,。
  為了提高切換的可靠性,避免頻繁切換,,規(guī)定連續(xù)若干次收到同一地址碼時(shí)才進(jìn)行切換,。同時(shí),,每次收到地址碼后還要讀取RSSI寄存器中的值,若小于規(guī)定閾值,,則此次接收判作無效,。
2.5 SPI口編程
  對(duì)CYWUSB6934的操作就是對(duì)各個(gè)功能寄存器寫入正確的值或讀出需要的值。一共有32個(gè)寄存器,,包括發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器在內(nèi)需要寫入的數(shù)據(jù)有22個(gè),。圖3和圖4分別是CYWUSB6934 SPI傳輸格式和單字節(jié)寫入時(shí)序。由此可知:
  ·要對(duì)某個(gè)寄存器進(jìn)行寫入,,必須連續(xù)傳輸兩個(gè)字節(jié),,第一個(gè)為寄存器地址等信息,第二個(gè)才是真正的數(shù)據(jù),。
  ·SS信號(hào)在每次寫入或讀出操作時(shí)都持續(xù)有效,,但在這之前與之后均保持無效。
  ·時(shí)鐘信號(hào)SCK在空閑時(shí)保持低電平,,在每個(gè)上升沿時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣,,數(shù)據(jù)的變化發(fā)生在下降沿處。
  基于上述幾點(diǎn),,對(duì)接收端" title="接收端">接收端MCU的設(shè)置為:CPOL=0,,CPHA=0;對(duì)發(fā)射端單片機(jī)的設(shè)置為:CKPH=1,,CKPL=0,。
  接收端SPI口單個(gè)寄存器寫操作代碼如下(軟件開發(fā)環(huán)境為Keil C51):
void SPI_reg_write(unsigned char address,unsigned char content)
{address  &=0x3f,;
address  |=0x80,;      //傳輸方向?yàn)镮nput
   SS_=0;         //ss有效(為低)
SPDAT=address,;         //送寄存器地址
while(!(SPSTA & SPIF)),;   //若SPIF沒有置位,等待
serial_data=SPDAT,;      //接收數(shù)據(jù)
SPDAT=content,;         //送入該寄存器的值
while(!(SPSTA & SPIF)); //若SPIF沒有置位,,等待
serial_data=SPDAT,;       //接收數(shù)據(jù)
   SS_=1;         //ss無效(為高)
}

?


  接收端SPI口單個(gè)寄存器讀操作與寫操作流程大體相似,,僅三點(diǎn)不同:(1)傳輸方向?yàn)镺utput,;(2)寫入寄存器的值可為任意值;(3)最后一次接收的數(shù)據(jù)即為讀取值,,需返回此值,。
  發(fā)射端單片機(jī)對(duì)無線模塊的操作流程與接收端類似(開發(fā)環(huán)境為IAR EW430),。發(fā)射端SPI口單個(gè)寄存器寫操作代碼如下:
void RF_write_sigle_reg(unsigned char reg_add,unsigned char
reg_data)
{ reg_add &=0x3f,;
 reg_add |=0x80,;          //傳輸方向?yàn)镮nput
 SS_enable();            //ss有效
 CPU_SPI_byte_send(reg_add),;    //向SPI口寫入地址
 CPU_SPI_byte_send(reg_data),;    //向SPI口寫入數(shù)據(jù)
 SS_disable();            //ss無效
}
  發(fā)送端SPI口單個(gè)寄存器讀操作代碼如下:
unsigned char RF_read_sigle_reg(unsigned char reg_add)
{ volatile unsigned char temp,;
 reg_add &=0x3f;           //傳輸方向?yàn)镺utput
 SS_enable(),;             //ss有效
 CPU_SPI_byte_send(reg_add),;     //向SPI口寫入地址
 temp=CPU_SPI_byte_read();      //讀出SPI口數(shù)據(jù)
 SS_disable(),;
 return temp,;
}
  其中,兩個(gè)子函數(shù)代碼分別如下:
void CPU_SPI_byte_send(unsigned char send_data)
{ while((0x80&IFG1)==0),;        //SPI口發(fā)送器未準(zhǔn)備好,,等待
 U0TXBUF =send_data;          //送入數(shù)據(jù)
}
unsigned char CPU_SPI_byte_read(void)
{ while((0x80&IFG1)==0),; //SPI口發(fā)送器未準(zhǔn)備好,,等待
 U0TXBUF=0;             //送入數(shù)據(jù)0,,以置換出寄存器中的值
 while((0x40&IFG1)==0x40),;      //接收數(shù)據(jù)完成
 return(U0RXBUF);          //返回讀取值
}
  本文設(shè)計(jì)的將短距離無線通信技術(shù)應(yīng)用到電子解說系統(tǒng),,實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定,、可靠的區(qū)域識(shí)別和自動(dòng)選曲播放。發(fā)射端的覆蓋范圍可通過調(diào)節(jié)發(fā)射功率進(jìn)行控制,。實(shí)測(cè)最小功率下覆蓋半徑僅為3米,,最大功率覆蓋半徑可達(dá)25米,若要求更大的覆蓋半徑,,可由多個(gè)同一地址碼發(fā)射機(jī)組成,。發(fā)射端功耗極低,采用3節(jié)5號(hào)堿性電池供電,,可工作2~3個(gè)月,。該智能無線電子解說系統(tǒng)適用于各種不同面積、不同類型的景點(diǎn)/展臺(tái),。本系統(tǒng)已申請(qǐng)了國(guó)家專利,,市場(chǎng)前景良好,。
參考文獻(xiàn)

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