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、多個解說員同時講解時，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確定解說的語言和內(nèi)容，使每個觀眾不但得到每個展位、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)
一種能夠自動識別當(dāng)前所處區(qū)域并自動切換和播放與該區(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)安裝在各個景點(diǎn)或展臺處，周期性地向外發(fā)射自身地址碼，不同的景點(diǎn)/展臺具有不同的地址碼，同一景點(diǎn)/展臺可以布置一個或多個相同地址碼的發(fā)射機(jī)，盡量讓所發(fā)射的信號覆蓋整個景點(diǎn)/展臺。隨著用戶的移動，所攜帶的手持智能無線接收終端在走近某景點(diǎn)/展臺時會自動接收到對應(yīng)該景點(diǎn)/展臺的地址碼，通過對該地址碼的解析，接收終端調(diào)用并切換到該地址碼對應(yīng)的解說文件進(jìn)行播放。
2 系統(tǒng)設(shè)計
2.1 設(shè)計技術(shù)指標(biāo)
·各景點(diǎn)/展臺的覆蓋范圍為5~25米可調(diào)；
·各景點(diǎn)/展臺之間互不干擾；
·景點(diǎn)識別編碼發(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)；
·能在溫度濕度相對惡劣的環(huán)境下工作；
·自動實(shí)現(xiàn)不同景點(diǎn)/展臺的解說內(nèi)容切換；
·能存儲30個景點(diǎn)/展臺、每個景點(diǎn)/展臺5分鐘左右的解說詞；
·發(fā)射主機(jī)符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
為了滿足設(shè)計技術(shù)指標(biāo)的要求，對構(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存儲器采用三星公司的K9F1208UOB；(5)顯示電路由多個LED構(gòu)成，顯示當(dāng)前所處的景點(diǎn)/展臺位置。
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個等級可調(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、一對直序擴(kuò)頻基帶處理模塊以及一對串并/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時鐘條件下運(yùn)行時，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，同時打開定時器A，開中斷，然后進(jìn)入LPM3模式(由于定時器A所選用時鐘是ACLK，因此LPM3是保證ACLK前提下的最省電模式)。定時器A定時時間到后將產(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，然后開定時器，開中斷，再次進(jìn)入LPM3模式，等待下一次定時中斷到來。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
每個景點(diǎn)/展臺的解說內(nèi)容都以特定的文件格式存儲在手持智能無線接收終端的Flash中，每個文件都唯一對應(yīng)一個地址碼。本系統(tǒng)解說文件采用48kbps的比特率，64MB Flash可存儲180分鐘的解說內(nèi)容，既保證了音質(zhì)，也基本滿足播放時間要求。若采用更低的比特率，可獲得更長的播放時間。
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才進(jìn)行切換。同時，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CYWUSB6934的操作就是對各個功能寄存器寫入正確的值或讀出需要的值。一共有32個寄存器，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。圖3和圖4分別是CYWUSB6934 SPI傳輸格式和單字節(jié)寫入時序。由此可知：
·要對某個寄存器進(jìn)行寫入，必須連續(xù)傳輸兩個字節(jié)，第一個為寄存器地址等信息，第二個才是真正的數(shù)據(jù)。
·SS信號在每次寫入或讀出操作時都持續(xù)有效，但在這之前與之后均保持無效。
·時鐘信號SCK在空閑時保持低電平，在每個上升沿時對數(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)，對接收端" title="接收端">接收端MCU的設(shè)置為：CPOL=0，CPHA=0；對發(fā)射端單片機(jī)的設(shè)置為：CKPH=1，CKPL=0。
接收端SPI口單個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)域識別和自動選曲播放。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號堿性電池供電，可工作2~3個月。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。本系統(tǒng)已申請了國家專利，市場前景良好。
參考文獻(xiàn)
[1] 黃智偉.單片無線收發(fā)集成電路原理與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2005.
[2] 博創(chuàng)科技.MP3播放器與U盤設(shè)計[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.
[3] MSP430x1xx family user′s guide[M].Texas instruments corporation，2002.
[4] CYWUSB6934 Datasheet.Cypress Corporation，2005.
[5] AT89C51SND1C Datasheet.Atmel Corporation，2003.