（通信与信息系统专业论文）智能无线电子解说系统的研制.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 随着我国经济的发展，人们生活水平的不断提高，以体闲、观光为主的旅游 业和以科技信息和人文信息吸收为主的展览馆、博物馆、文化教育陈列馆、产品 交易会越来越受到人们的极大关注。参观、旅游服务的电子化、智能化是全方位 提高服务档次和水平的发展方向。 传统的旅游景区、展览馆、博物馆中的解说工作主要由解说员担任，解说员 只能用单一语种解说，工作不但乏味，而且不能保证解说质量，特别是人数较多、 多个解说员同时讲解的时候，观众或游客大多听不到或听不清楚解说内容。为此， 本文提出一种新型的智能无线电子解说系统来代替传统的人工解说，这样既节省 了人力增加了效益，又能充分保证解说质量。 智能无线电子解说系统由两部分组成：地址码无线发射机和手持智能无线解 说终端。发射机安装在各个景点或展台处，同一景点，展台可以布置一个或多个发 射机，不同的景点展台的发射机发射不同的地址码，构成多个无线覆盖区域，用 户一旦进入区域，随身携带的手持终端自动接收该景点的地址码信号，通过区域 识别判断自身所属区域，自动选曲播放对应解说文件。 本文首先从系统功能需求分析入手，提出了系统组成结构，通过综合比较得 出了合理的芯片选型方案，并具体介绍了以a t 8 9 c 5 1 s n d l c 微控制器为控制核心 的硬件系统设计，给出了各模块的电路原理图。然后，文章详细论述了实现系统 功能的软件部分设计，阐述了f a t 文件系统、u s b 接口协议，m p 3 文件播放以及 无线区域识别的设计原理和软件流程。最后，通过对手持终端的性能测试和无线 链路的覆盖测试，给出系统性能评估。 测试结果表明，该系统具有较强的鲁棒性，完善的功能，良好的兼容性，达 到了系统设计的要求。 关键词：无线电，电子解说，区域识别，文件系统 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t p l e a s u r e - o r i e n t e dt o u r i s ma n di n f o r m a t i v ee x h i b i t i o n s 蛳b ) 0 i i l i n gr e c e n t l y , a c c o m p a n i e db yt h ee c o n o m i cp r 0 删够h i s t o r i c a lr e s o r t s ，m l l ! 犯哪sa n d 删ef a i r s d r a wm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n t oi m p r o v et h et o u r i s ms e r v i c e si n t e l l i g e n t i z a t i o ni so f g r e a ts i g n i f i c a n c e c o n v e n t i o n a l l y , t h eu n i l i n g u a lc e m m e n t a t o r sg u i d et h et o u r i s t s t h d r j o bi st e d i o u s m o r e o v e r , t h el 帕 l v i c eq u a l i t yc a n n o tb eg u a r a n t e e d ，e s p 训yw h e nt h et o u r i s t sa r ef l o n t l m a o u st h a tt h ec o m m e n t a t o ri si n c a p a b l eo fg e t t i n gc o n t r o lo ft h e m t oh a v et h i s p r o b l e ms o l v e d , l h i st h e s i sp r o p o s e dan o v e li n t e l l i g e n tw i r e l e s se l e c t r o n i ce x p l a n a t i o n s y s t e m , w h i c hg r e a t l ye n h 龃o e st h ee f f i c i e n c ya n d r v i c eq u a l i t y t h ep r o p o s e ds y s t e mc o n s i s t so ft w op a r t s ：w i r e l e s si dc o d et m n s m i t l z ra n d h a n d - h e l di n t e l l i g e n te x p l a n a t i o nt e r m i n a l s o n eo rm o r eu a n s m i t t e r sa r ei n s t a l l e da l d i f f e r e n td i s t r i c t s t h ee m i t t e di dc o d ev a r i e sw i t hl o c a t i o n a ni dc o d es e ts h o u l df u l l y e n v e rt h ee n t i r es p o t o n c et h et o u r i s tc o m e si n t oo l l ed i s t r i c t , h a u d s e tr e c e i v e st h e p a r t i c t f l 簦c o d ea u t o m a t i c a l l yt ol o c a t ei t s e l f a n dt h e n , c o r r e s p o n d i n ge x p l a n a t i o nf i l ei s s e l e c t e da n dp l a y e 日l f i r s t l yt h es y s t e m ss t r u c t u r ew a sp r o p o s e db a s e do np r a c t i c a ln e c d s s e c o n d l mt h e a p p r o p r i a t ec h i pw a s s e l e c t e da n dt h eh a r d w a r e s y s t e mw a sd e s i g n e du s i n g a t 8 9 c 5 1 s n d i cm i e r o - c o n t r o l l e r a n dt h e n , t h i st h e s i sd i s c u s s e dt h ed e t a i l e ds o f t w a r e d e s i g n , w h i c hi n c l u d e sf a t 匐，s 呱u s bi n t e r f a c ep r o t o c o l ，m p 3f i l e sp l a ya n d w i r e l e s sd i s t r i c tr e c o g n i t i o n f i n a l l y , t h es y s t e mw a ge v a l u a t e db yt e s t i n gt h eh a n d s e t s p e r f o r m a n c ea n dw i r e l e s sl i n k s c o v e r a g e t h ee v a l u a t i o ns h o w st h es y s t e m s t i s f a c t o r yr o b u s t n e s s ，u 虹l i 修a n dc o m p a t i b i l i t y , w l u c hs u c c e s s f u l l ym e e to u rd e m a n d k e y w o r d s ：w i r e l e s s , e l e c t r o n i ce x p l a n a t i o n , d i s t r i c tr e c o g n i t i o n , f i l es y s t e m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导f 进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重迭盍堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：却咛签字日期：2 哆年f 月3 日 | j 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重麽太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重迭太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名： 却字 导师签名： 签字日期： 7 年 月j1 日签字日期：冲7 年月午m 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 课题背景及意义 目前，在国内大多数展馆和旅游市场，观众和游客在参观或观光时，可看的 内容或景点很多，而可了解的科技信息和人文信息却极其匮乏，属于低层次的感 性参观。当今社会所倡导的是一种在旅游过程中通过知性的讲解、官能和心灵的 参与等活动来了解当地的人文地理风俗史迹从而加深旅游中的认知和体验的深度 旅游形式如何能使观众和游客在满足感观认识的基础上，对人文、历史、科技 知识等信息有更深刻的了解，提供高水平，高质量的服务，以满足不同游客和参 观者的个性化需要，是各个展览馆、博物馆和旅游景区管理部门急需改善的问题。 传统的旅游景区、展览馆、博物馆中的解说工作主要由解说员担任，解说员 每天要重复讲解多次相同内容的解说词，且绝大多数解说员只能用单一语种解说。 其工作不但乏味，而且不能保证解说质量。特别是人数较多，多个解说员同时讲 解的时候，观众或游客大多听不到或听不清楚解说内容。我们国家博物馆、展览 馆大大小小几千家，目前最大的通病特别是在节假日馆内导游先后进馆介绍，导 游的讲解高音喇叭到处是噪声一片，既相互干扰又得不到好的讲解效果。为此， 非常希望能有一种不受制于人的自动装置代替解说员，这样既节省人力、增加效 益，又能充分保证解说质量。为此，有必要研究一种可广泛应用于旅游业、博物 馆、展览馆、文化教育陈列馆、产品交易会等行业的智能无线电子解说系统，将 目前先进的语音压缩技术、数码存储技术、无线电传输、数字编码区域识别技术 等应用到该系统中。其特点是具有智能化、个性化、高音质，实用性强。无论观 众到达的时间先后，也无论观众的语言是否相同，该系统都能自动根据观众的位 置和需要确定解说的语言和内容，使每个观众得到每个展位、景点的完整信息， 使用户得到高清晰、低噪声的音响效果。为用户提供一种不受制于解说员的小巧 玲珑、使用方便、能提供多语种解说的智能无线终端装置。 解说系统的目的是：协助游客对景区的入文、历史、渊源认识、了解和欣 赏，使其获得丰富而令人愉快的经验。追求永续经营的目标，促使游客对游憩 资源作明智的使用，同时将各种资源的人为冲击降至最低，推动旅游景区长远的 可持续发展。传达管理单位的信息，引导游客远离易遭破坏之地区，减少对环 境的干扰。 智能无线解说系统的应用可以彻底改变传统的解说方式，使我国的文化、旅 游业的数字化水平达到国内外的先迸水平。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 2 国内外现状综述 近年来自动解说系统在国内外得到广泛发展，最初采用的是静态文字显示系 统，如简单的介绍牌。随着信息技术的发展，能为人们方便、快捷地提供信息传 播服务的方式越来越多。参观、旅游服务的电子化和智能化成为全方位提高服务 档次和水平的发展方向。 目前先进的发达国家大都采用了非导游讲解的电子解说器。在博物馆等室内 展馆，基本上取消了导游讲解。特别是噪音比较大而又影响其他人参观的高音喇 叭，在国外基本上找不到它的踪影。游客进展馆后，自己拿讲解器按说明书上的 说明听讲解，听完以后自觉放回原处，以便供下一位游客继续使用。所以他们的 博物馆很安静，根本没有人为的杂音。 国外在这方面发展得比较早，其早期产品大部分采用的是模拟信号的播放器。 这一代的播放机主要是体积大，显得比较笨重。在科技飞速发展的今天，数字化 的语音技术有了长足的发展，并得到广泛地运用。国外许多著名公司如n 公司、 p h i l i p s 公司、s i g m a t e l 公司等，都提出了自己的数字化语音系统解决方案，国内 也有不少公司完成了数字化语音系统的实现。数字化语音解说系统主要的表现方 式有以下几类【l h 3 】： 无线接收方式 无线接收方式导游解说系统由多台无线调频发射机和游客接收机构成。在旅 游景区的重要景点放置调频发射机，将解说内容预先存贮在发射机内。发射机开 始工作后，一种或多种语言的导游解说信号通过发射天线发射出去。游客通过手 中的接收机在景点周围收听适合自己语种的导游解说。无线接收方式的导游解说 系统的优点是系统投资较少，服务面较宽。需解说景点均安置发射机，游览路线 不受限制，但缺点是循环播放缺乏个性。如果游客到达时间先后不同，则不能同 时获得完整的信息，且收听语音解说的质量相对较低。 按键选择方式 这种导游解说方式多数采用数码录音或m p 3 方式，未采用无线收发模块。导 游解说机上有液晶显示屏，数字键和操作键。游客根据旅游景点提示牌上的数字 编号，按下导游解说机上对应数字键，再按下播放键，播放预先大量存储在导游 解说机内的导游解说信息。由于采用数码录音技术，加之是播放方式，收听质量 能够得到保证。但这种导游解说机自身的弱点是不能自动播放，需要手动选台来 切换播放内容。 自动播放方式 该导游解说方式，具有智能化功能，游客除了开关机和收听音量外，基本可 以做到免操作。在需解说的旅游景点，分别安置一个或多个启动发射装置。游客 2 重庆大学硕士学位论文l 绪论 到达任何一个景点，他们手中的播放机可自动接收到景点的启动信号，播放机自 动播放解说信号。自动播放方式的优点是智能化强，游客使用方便、实用。缺点 是相邻区域的干扰问题很难解决：在展台与展台间距离较近时，不能很好地处理 切换问题，产生较大的相互于扰，影响收听音质。 国际上先进国家的部分产品体积、性能指标较好，但价格昂贵，根据功能不 同每套接收系统的价格约2 0 - - 8 0 美元，发射系统从3 0 0 - 8 0 0 美元不等。另一些产 品要么体积太大，不便于携带；要么容量不够，存储信息不多，制约了其应用和 推广。国内有雷通电子公司、中科软件公司、久鼎公司、那达电子、奔流电子公 司、沪宏软件、广州新支点科技、启东远卓电脑工程公司等单位生产类似产品。 但都普遍存在以下一些问题： 相邻区域的干扰问题：在展台与展台间距离较近时，不能很好地处理切换 问题，产生较大的相互干扰，影响收听音质； 可供用户选择的语言较少，不能满足扩大对外交流的要求； 不能实现自动功率控制，因而产品的功耗较大，不利于环保； 存储容量太小，存储信息不够； 部分产品采用红外线传输编码信息，存在覆盖阴影和信息阻挡等问题； 还有部分产品采用手动控制选择方式，使用不便。 1 3 嵌入式系统应用综述 1 9 7 0 年左右出现了嵌入式系统的概念，一般来说，嵌入式系统是指执行专用 功能并被内部计算机控制的设备或者系统删。嵌入式系统不能使用通用型计算机， 而且运行的是固化的软件，用术语表示就是固件( f i r m w a r e ) ，终端用户很难或者 不可能改变固件。此时的嵌入式系统很多都不采用操作系统，它们只是为了实现 某个控制功能，使用一个简单的循环控制对外界的控制请求进行处理。简单的嵌 入式系统可以执行单一或一组预先设计的功能，较复杂的嵌入式系统大都经由应 用程序控制执行一个特殊功能，由固化在程序存储器中的程序和硬件系统一起完 成某一任务。制造工业、过程控制、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航 天、军事装备、消费类产品等方面均是嵌入式系统的应用领域。嵌入式系统是将 先进的计算机技术、半导体技术，电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产 物。 而数字化的语音系统则是采用数字技术对传统模拟语音系统的革新，它将先 进的语音压缩编码技术、数字化存储技术和数字控制技术结合起来，彻底解决了 传统存储介质的弱点( 如磁带容易磨损，语音失真等，存储介质体积偏大等) ；其 优良的控制性能是传统语音系统不可比拟的。把嵌入式系统技术与语音系统数字 3 重庆大学硕士学位论文1 绪论 化技术相结合，就构成了基于嵌入式的数字化语音系统，它在便携式语音设备、 移动办公设备、信息家电、智能设备、语音服务系统等领域有着广泛的应用。 单片机作为嵌入式信息产品的一个重要应用方面，以嵌入式系统的形式隐藏 在各种装置、产品和系统中。基于单片机的无线区域识别过程中，手持终端确定 自身当前所属区域范围，根据这个结果采取相应措施和处理目前状态信息。其主 要特点是： 可靠性要求高：计算机都必须具有自我检测、自我纠错、自我恢复的容错 技术。而在保证完成功能的前提下，用最简单的计算机实现区域位置的识别，这 是提高可靠性的行之有效的办法。 对环境的适应性强：发射系统装置往往安装在离现场不远的地方，接收部 分在被识别的装置或人身上，计算机所处的环境会有震动，电磁干扰等不利条件， 因此要求计算机要有很好的适应性，使之能保证在各种环境的条件下正常工作。 实时性好：对被测量的微小变化，计算机都能及时捕捉到，并做出快速处 理，为了达到这一要求，一般从硬件和软件两方面来保证，保证在检测过程中， 严格按照事先编制的时间迸行操作，过程有变化时，尽快地及时相应。 价格低，尺寸小，安装方便：单片机往往与产品融为一体，它的价格直接 影响到产品成本及售价。因此生产者要求尽可能降低系统价格，以保证利润。单 片机体积小及外围电路简单，不但降低了成本而且可以灵活地安装在产品设备上， 并不必改变原产品设备外形尺寸。 因此，在进行本系统的设计时，不但在实时性方面作了一定的考虑和设计， 对于系统的实用性也做了许多设计和设想。比如手持终端的体积要在保证功能和 可靠性的前提下尽可能小，信号接收灵敏度要高，响应的时间要短。 1 4 本文的主要内容和章节安排 本文的工程背景是研制用于旅游景区、展览馆的无线解说系统，系统在实体 上分为地址码无线发射机和手持智能无线解说终端两个部分。根据系统探测范围 大小和特殊环境的需要，在每个景点设置一套或多套地址码发射机，在保证接收 范围尽可能大的同时，使景点信息不相互干扰。用户一旦进入该区域范围，随身 携带的手持终端自动接收该景点的启动信号，通过地址码识别出游客所处位置的 区域；然后播放器根据区域识别的结果自动完成解说内容切换功能，选择播放存 储在手持终端内高清晰、低噪声的解说内容。 本文将从系统需求分析入手，给出系统组成结构，系统硬件设计，系统软件 设计及最后的测试结果。重点在软件设计部分，详细阐述了f a t 文件系统、u s b 接 口编程，m p 3 文件播放以及无线区域识别的设计原理和软件流程。 4 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 论文章节安排如下： 第一章为绪论。简单介绍了本课题的意义，当前国内外发展概况及采用单片 机嵌入式系统对于本项目的优势所在。 第二章为系统方案设计。详细给出了系统结构。各模块芯片选型依据和各部 分硬件电路设计。 第三章为系统软设计。将系统软件在功能上进行划分，分为f a t 文件系统、 u s b 接口、m p 3 播放、无线模块编程、发射机编程和区域识别六个部分，分别进 行详细阐述。 第四章为系统测试。通过对手持终端的性能测试和无线链路的覆盖测试，给 出系统性能评估。 第五章为全文总结，给出系统优点的同时提出了进一步需要解决的问题和努 力方向。 5 重庆大学硕士学位论文2 系统方案设计 2 系统方案设计 2 1 系统功能需求分析 本系统主要用于旅游景区、展览馆的无线智能解说。游客通过耳机从随身携 带的智能解说终端中收听解说内容，同时考虑到该系统的市场运作和保证景区租 赁方的经济利益，对系统有以下一些要求： 智能化播放。游客携带解说终端进入景区，无论到达的时间先后，也无论 所选语言是否相同，解说终端都能自动根据游客的位置和需要确定解说内容；游 客可以根据自己的需要选择自己习惯的语言；每个游客进入景点都能从头听到该 景点的解说词，而不是采用随到随听的集中循环广播方式。 高质量的解说效果。由于采用耳机收听，要求对解说文件达到清晰、低嗓 音的重放。 内容高速下载。应用标准语音编码格式压缩和存储数据，采用u s b 接口通 信，实现数据的实时快速更新和传送。 数码储存。使用数码语音存储模式，彻底解决传统存储介质的弱点( 如磁 带容易磨损，语音失真等) 。 多语种可选。当游客处于任一个景点时，解说终端会根据选择的语种解说 该景点内容，同一景点不同游客可以选择不同的语种。 抗干扰技术和区域识别。应用数字编码区域位置识别技术和扩频通信技术， 按需提供景点数，有效控制收发距离，解决控制准确性和相互干扰之问的矛盾， 抗干扰性强，保密性好。 单次游览重听限次功能。内置一定的重听次数，在一次游览中厨一段内容 最多重复播放至限定次数。防止中途转租等情况，确保景区管理者权益。 计数功能。内置最高使用次数，一旦使用次数达到上限，解说终端将自动 锁定，必须由专人携带解码机解锁，方可再次投入使用，且计数值不应受开关机 影响，确保该解说系统所有者的权益。 状态信息显示。电子地图直观表述景区各景点位置信息以及游客是否去过 某景点的状态信息( 用发光二极管表述) ，且状态信息不受开关机影响。 工作环境。系统可以在任何复杂地形、密集人群、电磁环境下稳定工作。 抗干扰能力强。工作温度在5 一5 0 之问，湿度在5 - - 9 5 * , 2 问。手持终端具有 抗震能力，游客在佩戴行走或跑步时都可以正常工作。 o 播放时间。解说终端能够存储约1 0 0 分钟的解说内容，连续播放时间要求 达到3 个小时以上。 6 重庆大学硕士学位论文2 系统方案设计 发射机供电：为了降低施工安装难度，位置码发射机采用干电池供电，要 求电池的更换周期在两个月以上。 2 2 系统整体结构 本系统由两个部分组成：地址码无线发射机、手持智能无线解说终端。发射 机安装在各个景点或展台处，不同的景点展台的发射机发射不同的地址码，同一 景点展台可以布置一个或多个发射机，尽量让所发射的信号覆盖整个景点，展台； 不同的景点，展台之间，如果距离过近，要通过减小发射功率来控制信号覆盖范围， 尽量不要出现交叉覆盖区域，在交叉覆盖区域，解说终端同时解收到多个发射机 发射的地址码，无法实现正常切换。也即是说，信号覆盖盲点是允许的，不同地 址码的交叉覆盖是不允许的。 图2 1 智能无线电子解说系统结构框图 f i g2 1a r c h i t e c t m eo f i n t e l l i g e n tw i r e l e s se l e c t r o n i ce x p l a n a t i o ns y s t e m 地址码无线发射机通过低功耗单片机对无线发射模块进行配置，无线发射模 块将位置编码信号调制成为射频信号并发射。手持解说终端通过一个与发射端相 匹配的无线接收模块接收射频信号，把接收到的信息传给信号处理单片机。单片 机从f l a s h 存储器中提取出相对应的语音文件进行解码及播放，经过d a 转换、滤 波放大输出到耳机。同时通过显示驱动电路驱动l e d 电子地图显示当前状态信息， 已游览过的景点处l e d 熄灭，未游览的景点处l e d 保持明亮状态，当前所处的景 点处l e d 日烁。 7 重庆大学硕士学位论文 2 系统方案设计 2 3 主要芯片选型 系统在设计选型时主要是基于以下几个方面综合考虑： 性能指标达到如前所述的功能需求，同时兼具功能的可升级性； 开发的难易程度及构建开发平台所需要投入的成本； 器件的可购买性； 单机成本。 2 3 1 无线模块选型 射频芯片的选用原则： 由于无线收发芯片的种类和数量比较多，无线收发芯片的选择在设计中是至 关重要，正确的选择可以减小开发难度，缩短开发周期，降低成本，更快地将产 品推向市场。选择无线收发芯片时应考虑需要以下几点因素：功耗，距离、发射 功率、接收灵敏度、收发芯片所需的外围元件数量、芯片成本等。 发射功率：在同等条件下为保证有效可靠的通信，应该选用发射功率较高、 功率调节范围更大的产品。 功耗：大多数无线收发芯片是应用在便携式产品上的，因此功耗也非常重要， 应该根据需要选择综合功耗较小的产品。 工程实现及工艺要求：便携式产品要求体积小。 收发芯片所需的外围元件数量：芯片外围元件的数量直接决定产品的成本和 系统的稳定度。有些芯片似乎比较便宜，但外围元件使用昂贵的元件如变容管以 及声表滤波器等。 几种无线收发芯片比较与选择 目前常用的r f 短距离数据通信芯片有：n r f 4 0 1 、n r f 9 0 3 和c c l 0 0 0 ；还有 就是日趋流行的w i r e l e s s u s bl s 技术的短距离无线外设接口芯片c y w u s b 6 9 3 4 。 下面分别介绍几者的结构原理和特性【5 h 引。 1 ) n r f 4 0 1 无线收发芯片 n r f 4 0 1 是n o r d i c 公司研制的单片l r h f 无线收发芯片。n r f 4 0 1 工作在4 3 3 m h z i s m ( i n d u s t r i a l ，s c i e n t i f i ca n dm e d i c a l ) 频段。它采用f s k 调制解调技术，抗干扰 能力强，并采用p l l 频率合成技术，频率稳定性好，发射功率最大可达1 0 d b m ， 接收灵敏度最大为一1 0 5 d b m ，数据传输速率可达2 0 k b p s ，工作电压在+ 3 + 5 v 之 间。n r f 4 0 1 无线收发芯片所需外围元件较少，可直接连接微控制器串口。n r f 4 0 1 芯片内包含有发射功率放大器( p a ) ，低噪声接收放大器( l n a ) 、晶体振荡器 ( o s c ) 、锁相环( p l l ) 、压控振荡器( v c o ) 、混频器( m i x f r ) 、解调器 ( d e m ) 等电路。 2 ) n r f 9 0 3 无线收发芯片 s 重庆大学硕士学位论文 2 系统方案设计 n r f 9 0 3 是n o r d i c 公司为4 3 3 8 6 8 9 1 5 m i - i zi s m 频段设计的单片u h f 多段无线 收发芯片，它采用优化的g f s k 调制解调技术，抗干扰能力强，采用d d s + p l l 频率合成技术，频率稳定性好，灵敏度高达1 0 4 d b m ，发射功率可以调整，最大发 射功率是+ 1 0 d b m ，可在1 5 5 6 k h z 的有效带宽下传输最高7 6 8 k b p s 的数据。工作 电压范围可以从2 7 3 3 v ，接收待机状电流消耗为6 0 0 v a ，低功耗模式电流消耗 仅为1 仙a ，可满足低功耗设备的要求。n r f 9 0 3 具有多个频道( 最多1 7 0 个以上) ， 特别满足需要多信道工作的特殊场合，适合采用跳频协议。n r f 9 0 3 内部结构可分 为发射电路、接收电路、模式和低功耗控制逻辑电路及串行接口几个部分。 3 ) c c l 0 0 0 无线收发芯片 c c l 0 0 0 是c h i p c o n 公司推出的单片可编程r f 收发芯片，它基于c h i p e o n s s m a r tr f 技术，在0 3 5 p r oc m o s 工艺下制造的一种理想的超高频单片收发通信 芯片。可工作在i s m 频段( 3 0 0 1 0 0 0 m h z ) 。具有低电压( 2 3 3 6 v ) ，极低 的功耗，小尺寸( t s s o p - 2 8 封装) ，c c l 0 0 0 集成了射频发射、射频接收、p l l 合成、f s k 调制解调、可编程控制等多种功能。c c l 0 0 0 采用锁相环技术，发射频 率是通过内部的频率合成器来配置的，可配置的范围为3 0 0 1 0 0 0 m h z ，适合应用 跳频协议，一般可配出1 0 或2 0 个频点，该芯片灵敏度为1 0 9 d b m ，并可自动校准， 可编程输出功率为2 0 d b m + 1 0 d b m ，通信速率可达7 8 。6 k b p s 。 4 ) c y w u s b 6 9 3 4 无线收发芯片 c y w u s b 6 9 3 4 是美国c y p r e s s 公司于2 0 0 4 年推出的基于w i r e l e s s u s bl s 技 术的系统级无线收发芯片，具有高度集成的无线收发器和数字基带。该芯片既可 用作发射，也可用作接收，工作在2 4 g h zi s m 频段，频率范围为 2 4 g h z - 2 4 8 3 g h z 。- i - 作电压2 弼6 v ，工作温度范围：0 至+ 7 0o c ，休眠状态工 作电流：0 2 4 u a 。 最大发射功率0 d b m ，且发射功率共8 等级可调( 最低为2 9 d b m ) 接收灵敏 度为9 0 d l m ；通信半径可达1 0 米( 当输出最大功率且无障碍物阻挡时的直线通信 距离可达2 5 米) 。采用直序扩频( d s s s ) 技术，单位频带内的功率很小，信号功 率湮没在噪声中，调制方式采用高斯频移键控( g f s k ) 调制，与单片机之间接口为 s p i 口，接口数据传输速率最高2 m h z 。无线数据传输率达6 2 5 k b i t s s e e 。 5 ) 四款无线收发芯片综合比较 上述四款无线收发芯片n r f 4 0 1 、n r f 9 0 3 、c c l 0 0 0 和c y w u s b 6 9 3 4 在无线 短距离数传中都有着大量的应用，这四款无线收发芯片的性能对比如表2 1 所示。 9 重庆大学硕士学位论文 2 系统方案设计 表2 1 四款无线收发芯片性能比较表 芯片n r f 4 0 1i l i t f 9 0 3 c c l 0 0 0c y w u s b 6 9 3 4 频段4 3 3 m h z4 3 3 8 6 8 9 1 5 m h z3 0 0 1 0 0 0 m h z2 4 g h z 最大发射 + 1 0 d b m+ 1 0 d b m+ lo l m0 d b i l l 功率 最高灵敏1 0 5 d b m- 1 0 4 d b m1 0 9 d b m9 0 d b m 度 最高通信 2 0 k b p s1 9 2 k b p s7 6 8 k b p s6 2 5 k b p e 速率 调制方式 f s kg f s kf s k d s s s + g f s k 工作电压 2 7 5 2 5 v 2 7 3 。3 v 2 7 3 6 v 2 l 3 ，6 v 接收电流1 1 m a 4 3 3 m h z1 8 ，5 m a 4 3 3 m h z 7 7 m a 4 3 3 m h z 5 7 ，7 m a 2 2 5 m a 8 6 s 9 g m a s 6 8 m h z 9 2 8 眦z 发送电流 8 m a - - 1 0 d b m1 2 5 m a - - 8 d b m8 0 m a - - 5 d b m6 9 m a 0 d b m ( 4 3 3 m 1 4 z )( 4 3 3 m i - i z ) 1 5 5 m a - - 8 d b m1 3 9 m a - - 5 d b m ( 8 6 8 9 2 8 m h z )( 8 6 8 m h z ) 低功耗电 8 陋 s m d b y6 0 0 心 s t a | ! l d b y3 0 t t a j o w e r d o w n3 m a s y n t h e s i z e r 流 i i j a p o w e f a o w n( o s c o n ) o 仃 o 2 t t a p o w e r d o w n2 8 7 m a s y n t h e s i z ( o s co f f ) 胃o n 0 2 4 u a p o w e r d o w n r s s i 检测无 无 可选 有 c y w u s b 6 9 3 4 由于采用了6 4 b i tp n 码直序扩频【9 】模块，在功耗上比另外三种 都要大，但极大的提高了系统的抗干扰能力。同时，由于其具有很高的集成度， 外围设备很少，仅需要增加少量的电容和电感，这不仅可以减小设备的体积，降 低了线路板的难度，同时也给设备稳定性带来很大的便利。通过写入或读出3 2 个 寄存器的值便可完成所有操作，内部集成有r s s i 检测功能，检测值直接存储于相 应寄存器中，无需外部a d 转换电路，降低了开发难度。综合各方因素，考虑采 用c y w u s b 6 9 3 4 芯片作为无线模块的收发芯片 1 0 重庆大学硕士学位论文2 系统方案设计 c y w u s b 6 9 3 4 芯片的内部模块结构 c y w u s b 6 9 3 4 具有a 、b 两组s e r i a l i z e r d e s e r i a l i z e r ( s e r d e s ) 模块，和两组 直序扩频( d s s s ) 模块。与单片机的连接引脚就是图2 2 中椭圆内的部分，再加 上v c c 和g n d 共9 个引脚。其中的s s ( s l a v e s e l e c t ) 、s c k ( s e r i a l c l o c k ) 、m i s o ( m a s t e rh 卜s l a v eo u t ) 、m o s i ( m a s t e ro u t - - s l a v ei n ) 为标准的s p i4 线接口，p d ( p o w e rd o w n ) 为休眠模式触发。 c y w u s b 6 9 3 4 的内部框图如图2 2 所示。 图2 2c y w u s b 6 9 3 4 内部结构 f i g2 2i n t e r i o ra r c h i t e c h t u r eo f c y w u s b 6 9 m 2 3 。2 发射机低功耗单片机选型 选用原则 随着微电子工艺水平的发展，微控制器处理器的能力不断提高，从最初的8 位单片机到3 2 位单片机，功能越来越强大，执行速度越来越快、集成度、精确度 也越来越高，应用领域进一步拓宽。单片机是整个系统的关键，单片机的性能决 定了系统的功能。资源方面考虑的重要指标有：处理能力( m i p s ) 、功耗、存储容 量以及抗干扰能力等；另外软件开发的简易性也是要考虑的重要因素。基于以上 考虑和充分的比较，选用了1 1 公司生产的m s p 4 3 0 系列超低功耗单片机。 m s p 4 3 0 微控制器【1 0 1 1 1 1 m s p 4 3 0 系列的m s p 4 3 0 f 1 3 3 的主要特点为： 1 ) 低功耗： 乱低电压工作：1 踮3 6 v 范围内正常工作。 b 超低电流损耗：活动模式下4 2 0 1 x a ，l p m 3 节能模式工作电流2 2 u a ， 重庆大学硕士学位论文2 系统方案设计 待机模式下0 8 n a 。掉电模式下；o 1 t l a 。c p u 关断和晶体振荡器关断模 式在运行过程中可以选择不同的模式来降低功耗。 c 多种时钟：主系统时钟供c p u 和系统使用；子系统时钟供外围模块使 用；辅助时钟a c l k ，供外围模块使用。 2 ) 系统集成度高：液晶显示驱动器、模拟数字转换器、输入输出端口、定 时器、e e p r o m ( 电可擦除式) ，u a r t ( 通用异步接收发送) 、看门狗w a t c h d o g 等集成于芯片上。所有单独的i 0 位都可以单独编程。 3 ) 内置看门狗定时器：嵌入式产品由于箕使用环境的特殊，极易受外部干扰 而出现程序跑飞等现象。看门狗机制是实现抗干扰的一种重要措施。该芯片内置 看门狗定时器、同时具备口令保护功能，并可运行于超低电源状态。 4 ) 使用方便且功能强大的指令集合令软件开发迅速快捷。 5 ) j t a g 技术。m s p 4 3 0 微控制器内部预设了y r a g 模块，它使得每一个微控 制器芯片都具有完整的在线调试功能，而不必使用复杂的仿真调试工具。 6 ) 具备i s p ( 在系统编程) 和l a p ( 在应用编程) 功能，便于系统升级。 2 3 3 手持解说终端m c u 选型 选用原则 手持端m c u 需要完成m p 3 音频解说文件的调用和解码，无线模块的查询， u s b 接口协议，电子地图等多项任务，要求具有较高的处理能力，较大的片内 r a m ，尽可能集成多的模块与接口，同时还要具有低功耗特性。开发平台的成本 与开发难易度也是重要困素。 各选方案 分别为单芯片解决方案和多芯片解决方案。单芯片解决方案中c p u 自带m p 3 解码模块，主要有采用a t 8 9 c 5 1 s n d l c 、采用s m t p 3 5 0 2 以及采用a r m 7 系列器 件进行软件解码；多芯片解决方案中则需要单独增加m p 3 硬件解码模块，主要有 采用p t c l s f 4 5 2 配合m p 3 解码硬件以及a r m 7 系列器件配合m p 3 解码硬件实现 等。以下分别予以介绍； 1 ) 采用a t 8 9 c 5 1 s n d i c 实现i j z j a t 8 9 c 5 1 s n d l 是美国a t m e l 公司推出的专门的m p 3 解决方案。该器件内核 为符合工业标准的8 0 5 1 ，自带m p 3 硬件解码单元、u s b i 1 通信模块、s p i 通信模 块，可提供足够的用于扩展n a n df l a s h 的引线，同时具备符台i i s 标准的通信 模块 该方案的优点在于m e 3 硬件解码单元位于c p u 内部，同时由于c p u 内核为 8 0 5 1 ，因此在开发平台的构建上相对容易和廉价( k e i l 开发环境【1 3 】较易构建，同 时a t m c l 提供了免费的下载程序f h p ，程序的调试亦可采用串口调试) 。 重庆大学硕士学位论文2 系统方案设计 但由于其c p u 的性能不是很高，要想很好的利用该器件进行设计则对软件编 程能力提出了较高的要求。 2 ) 采用s m t p 3 5 0 2 实现 s m t p 的解决方案时目前市面上应用最为广泛的一种，现有m p 3 市场上有超 过一半的都是采用s i g m a t e l 公司的方案。其最大的优点在于系统为真正的单芯片 ( s o c ) 解决方案，在器件中不仅包括了m p 3 硬件解码单元和u s b 2 0 模块，而且 还包括了d c - - d c 、音频d a c 以及耳机放大器。 而采用该方案的问题在于：由于s i g m a t e l 公司是采用随开发包( s d k ) 的方 式提供相关资料，其s d k 价格在5 万元人民币左右，而且基本不会提供免费的 d a t a s h c c t ，导致开发成本过高。 3 ) 采用a r m 7 器件进行软件解码 a r m 7 器件本身具有比较强的运算能力，对于m p 3 解码这种工作基本可以承 受。而目前各种基于a r m 7 的器件价格也不是很贵，在1 0 0 元以内已经有多个厂 家的器件可供选择( 如a t m e l 、p h i l i p s 、s t 等公司的产品) 。作为本项目应选用具 有u s b 和i i s 接口的、引脚数相对较少的器件，如l p c 2 1 4 2 、a t g l s a m 7 s 1 2 8 等。 这些器件均具有较小封装、耗电量也比较小，且均基于a r m 7 t d m i ( s ) 的内核， 在开发平台上比较统一。 采用a r m 7 进行软件解码在成本上具有较大的优势，可以减少硬件解码器的 使用，减小了p c b 的面积、提高了电池的工作时间。但对于m p 3 软件解码算法提 出了较高要求，程序编制的好坏直接影响输出音频的质量，同时软件解码会占用 较多的c p u 资源，可能会对其他几项任务的完成产生影响，加大了开发难度。 4 ) 单片机+ 专用解码芯片 单片机只负责处理无线数据收发以及管理f a t 数据等，可考虑采用m i c r o c h i p 公司的p i c l 8 系列单片机或者a u - a e l 公司的a t 9 1 s a m 7 s 1 2 8 或者p h i l i p s 公司的 l p c 2 1 4 2 作为控制c p u ；解码部分可选择s t 公司的s t a 0 1 3 、s t a 0 0 3 等专门的 m p 3 解码芯片。 该方案的优点是两块芯片各负其责，既能得到较高音质的m p 3 解码输出，又 能很好的完成其他的各项任务。但缺点也是非常明显的，由于多一块芯片，这样 势必增加电路板面积和布线难度，同时增加的还有功耗和成本。 上述几种方案各有优缺点，本着降低设备复杂度，降低开发成本与难度，缩 短开发周期，提高系统稳定性的指导思想，最终选定集成有多个模块和接口的 a t 8 9 c 5 1 s n