??? 摘 要： 為解決盲人交通問題，研究開發(fā)了一種新型交通語音提示系統(tǒng)。采用AT89S51單片機結(jié)合無線射頻芯片NRF401的方法，為盲人設(shè)計一套便攜式的信號發(fā)送/接收終端，以半雙工通信的方式和ISD1420語音錄放模塊來共同實現(xiàn)交通燈" title="交通燈">交通燈信號的無線語音提示功能，性能比現(xiàn)有語音提示系統(tǒng)有了較大提高。
??? 關(guān)鍵詞： 單片機技術(shù)?? AT89S51?? NRF401?? 無線通信
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??? 如何有效地解決盲人交通問題，一直是當今社會關(guān)注的一大難題。現(xiàn)有的盲人過街提示裝置，在紅綠燈亮時，能夠通過外置擴音器發(fā)出相應提示聲，但為了使提示音更加清晰，不可避免地存在提示音音量過大的缺點，對居民生活造成嚴重干擾，且生產(chǎn)、維護成本高。
??? 本文利用單片機和射頻技術(shù)[1]設(shè)計了一套便攜式的信號發(fā)送/接收終端，改變交通燈音頻提示的方式，讓每個盲人都能自主地發(fā)送/接收信號，通過嵌入在手持終端的音頻模塊使每個盲人做出判斷同時不影響其他人的正常生活。
1系統(tǒng)硬件設(shè)計
??? 整個系統(tǒng)分為發(fā)送模塊" title="發(fā)送模塊">發(fā)送模塊和接收模塊" title="接收模塊">接收模塊兩部分[2]。
1.1發(fā)送模塊的設(shè)計與實現(xiàn)
??? 發(fā)送模塊設(shè)計成一個手持式信號發(fā)送/接收器，通過單片機與無線傳輸芯片的接口來實現(xiàn)詢問信號的發(fā)送和反饋信號的接收。隨后對反饋信號進行處理，利用內(nèi)部嵌入的語音模塊最終給機主以提示。發(fā)送模塊工作流程如圖1所示。
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??? 該模塊主要包括一片AT89S51單片機芯片，該芯片是一種低功耗，高性能8位單片機，片內(nèi)含4KB的可反復電擦寫的Flash只讀程序存儲器；同時還要有一片無線發(fā)射芯片nRF401；為實現(xiàn)發(fā)送成功提示的目的，還有一個蜂鳴器，本系統(tǒng)采用ISD1420芯片。另外，為了防止系統(tǒng)崩潰，不再采用常用的RC復位電路，而是采用看門狗模塊電路，本系統(tǒng)采用IMP813L芯片。發(fā)送模塊系統(tǒng)組成如圖2所示。
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??? 在具體實現(xiàn)方面[3]，用AT89S51的P2.5口控制射頻芯片的PWR_UP，使其為“1”時，表示正常工作模式，為“0”時，表示待機模式；P2.6口接射頻芯片的CS,控制發(fā)送接收頻率，為“1”時，表示工作頻率為434.32MHz，為“0”時，表示工作頻率為433.92MHz；RXD、TXD引腳分別接nRF401的DOUT、DIN引腳，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收；P2.7口控制射頻芯片的TXEN端，使其為“1”時，表示進人發(fā)送模式，為“0'時，表示進人接收模式；P0.0口控制ISD1420的PLAYE引腳,一個從高到低的電平跳變就可以觸發(fā)其播放預先錄好的提示音。用外部中斷源INT1接一個點觸式按鈕來作為信號發(fā)送的觸發(fā)源，同時還接有一個用S9013三極管驅(qū)動的蜂鳴器，因為P1.0的引腳狀態(tài)在上電時為高，因此只要INT1被置低觸發(fā)的時候，蜂鳴器回路即導通，同時發(fā)出聲音提示機主信號發(fā)送成功。
1.2 接收模塊的設(shè)計與實現(xiàn)
??? 接收模塊嵌入交通燈系統(tǒng)內(nèi)部，設(shè)計成一個信號接收/反饋模塊，功能是接收并校驗發(fā)送模塊的詢問信號，通過與交通燈系統(tǒng)間的接口電路，把交通燈的狀態(tài)轉(zhuǎn)換成一個數(shù)字I/O輸入信號，同時就信號的不同狀態(tài)給出不同的反饋信號，通過無線傳輸芯片進行發(fā)射，反饋給發(fā)送模塊進行處理。接收模塊工作流程如圖3所示。
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??? 相對于發(fā)送模塊，接收模塊部分比較簡單，主要包括一片AT89S51芯片、一片nRF401芯片和外圍電路及交通燈部分接口電路。其系統(tǒng)組成如圖4所示。具體實現(xiàn)方面，nRF401芯片的控制引腳與發(fā)送模塊完全一致，不同的是，用P0.0口控制交通燈狀態(tài)判斷接口。
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2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
2.1 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計
??? 軟件設(shè)計時，首先要注意nRF401模塊工作模式切換時，編程中要做相應的延時處理。一般在射頻系統(tǒng)中有兩種不同的基本通信方式" title="通信方式">通信方式：
??? 第一種通信方式：從接收器到發(fā)射器的數(shù)據(jù)傳輸。發(fā)送的數(shù)據(jù)流同時被所有的發(fā)射器接收，經(jīng)過發(fā)射器確認后再返回接收器，此方式稱為“無線廣播”。其數(shù)據(jù)流傳送的流程為：接收器→發(fā)射器→接收器。
??? 第二種通信方式:在接收器的應答范圍內(nèi)有多個發(fā)射器的數(shù)據(jù)同時傳輸給閱讀器，是一種發(fā)射器主動通信的方式，這種通信方式稱為多路存取方法。這也是射頻系統(tǒng)中的主要通信方式之一。其數(shù)據(jù)流傳送的流程為：發(fā)射器→接收器→發(fā)射器。
射頻系統(tǒng)是個小的無線局域網(wǎng)，所以應選用比較簡單的多路存取方法[4]。通信的具體流程為：發(fā)送器發(fā)出詢問信號，通過nRF401發(fā)送到接收端，此時接收端首先通過與交通燈的接口電路提供的數(shù)字I/O信號來判斷交通燈的狀態(tài)，分別調(diào)用相應的子程序，隨后通過nRF401發(fā)出不同的反饋信號給發(fā)射器，發(fā)射器將根據(jù)約定好的協(xié)議，根據(jù)接收到的不同的反饋信號來調(diào)用不同的子程序去驅(qū)動語音模塊ISD1420，以發(fā)出不同的提示音。
??? 在無線呼叫系統(tǒng)進行工作時，可能會出現(xiàn)同時有幾個發(fā)射器處于接收器的工作范圍內(nèi)，這樣當有兩個或兩個以上的發(fā)射器同時發(fā)送數(shù)據(jù)時就會出現(xiàn)數(shù)據(jù)相互的干擾(碰撞)。為此，可以在射頻系統(tǒng)中使用多路存取方法來防止數(shù)據(jù)干擾的發(fā)生，其方法有：ALOHA法、“二進制搜索" title="二進制搜索">二進制搜索”算法和“動態(tài)二進制搜索”算法等，本系統(tǒng)使用“動態(tài)二進制搜索”算法防止數(shù)據(jù)碰撞。
??? 二進制搜索算法由一個接收器和多個發(fā)射器之間規(guī)定的一組命令和應答規(guī)則構(gòu)成，目的在于從多個發(fā)射器中選出任一個數(shù)據(jù)實現(xiàn)通信[5]。通過多次比較，不斷篩選出不同的序列號，給每一個發(fā)射器編制一個固定的序列號，接收器發(fā)出的一個請求命令有意識地將序列號傳輸時的數(shù)據(jù)碰撞引導到接收器上，即通過接收器判斷是否有碰撞發(fā)生。
??? 由二進制搜索算法的工作流程可知，發(fā)射器的數(shù)量越多，防碰撞執(zhí)行時間就將越長，造成延時很大。而動態(tài)二進制搜索算法根據(jù)一定的算法把數(shù)據(jù)分成兩部分，收發(fā)雙方各自傳送其中一部分數(shù)據(jù)，可把傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量減小到一半，達到縮短傳送時間的目的。因此，采用動態(tài)二進制搜索方法可提高執(zhí)行防碰撞的速度，實現(xiàn)高效率的控制。
2.2 數(shù)據(jù)傳送校驗方法設(shè)計
??? 使用射頻技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)時很容易受外界的干擾，校驗是用以識別并以一定的措施進行數(shù)據(jù)校正的必要方法。在電路設(shè)計中經(jīng)常使用的校驗方法有循環(huán)冗余校驗法(CRC)、奇偶校驗法等，本設(shè)計采用最為簡單的檢錯碼——奇偶校驗碼。這是一種簡單同時被廣泛使用的校驗方法。這種方法是把一個奇偶校驗位組合到每一字節(jié)中，與每個數(shù)據(jù)字節(jié)合并作為一幀，在數(shù)據(jù)傳輸前確定是用偶數(shù)校驗還是用奇數(shù)校驗，以保證發(fā)射器和接收器二者都用同樣的方法進行校驗。本設(shè)計采用偶校驗。
3 抗干擾措施
??? 基于抗干擾的考慮，做PCB板時采用了1.6mmFR4板材的雙面板，連接nRF401的天線以差分方式連接到nRF401。實際設(shè)計中，這種天線直接刻蝕在PCB板上。
4 供電及節(jié)電模塊設(shè)計
??? 采用9V工業(yè)儀表用直流干電池供電，使用一個78L05變壓/穩(wěn)壓模塊轉(zhuǎn)化成5V TTL電平。在節(jié)電方面，通過AT89S51的PCON電源控制寄存器來實現(xiàn)程序的睡眠和喚醒，通過非工作時的睡眠狀態(tài)降低能耗。
5 結(jié)論
??? (1)現(xiàn)存盲人交通語音提示系統(tǒng)存在較大的不足，無法起到應有的效果。本文采用AT89S51單片機結(jié)合無線射頻芯片NRF401的方法對其硬件體系進行了改造，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的半雙工傳送且改變了提示音的傳送方式。對于可能存在的數(shù)據(jù)碰撞問題也做了相應考慮，設(shè)計了一個簡單實用的信號發(fā)送/接收系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有提示系統(tǒng)存在的問題。
??? (2)該系統(tǒng)采用表面貼裝芯片,減小了整機的體積,提高了整機的性價比，成本低，易于生產(chǎn)和推廣。經(jīng)過驗證，發(fā)射器和接收器通信有效范圍在100米以上，信號的完整性維持在比較理想的范圍內(nèi)，成功地避免了數(shù)據(jù)的碰撞，實現(xiàn)了預想功能，運行可靠。
參考文獻
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[2] ?FINKENZELLER K.射頻識別(RFID)技術(shù)——無線電感應的應答器和非接觸IC卡的原理與應用.第2版.北京：電子工業(yè)出版社,2001.
[3] 何少華,陳輝,王克,等.基于單片機的無線自動測控系統(tǒng). 武漢理工大學學報:交通科學與工程版，2006,(5).
[4] 彭曙蓉,王耀南.一種實用型射頻卡讀寫器的設(shè)計.長沙電力學院學報:自然科學版, 2005,(4).
[5]?吳京蓬,劉娜,王爽心.RFID中用于解決信道爭用問題的防碰撞算法.儀器儀表學報，2006,(1).
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