摘 要： 为解决盲人交通问题，研究开发了一种新型交通语音提示系统。采用AT89S51单片机结合无线射频芯片NRF401的方法，为盲人设计一套便携式的信号发送/接收终端，以半双工通信的方式和ISD1420语音录放模块来共同实现交通灯" title="交通灯">交通灯信号的无线语音提示功能，性能比现有语音提示系统有了较大提高。
    关键词： 单片机技术   AT89S51   NRF401   无线通信

    如何有效地解决盲人交通问题，一直是当今社会关注的一大难题。现有的盲人过街提示装置，在红绿灯亮时，能够通过外置扩音器发出相应提示声，但为了使提示音更加清晰，不可避免地存在提示音音量过大的缺点，对居民生活造成严重干扰，且生产、维护成本高。
    本文利用单片机和射频技术^[1]设计了一套便携式的信号发送/接收终端，改变交通灯音频提示的方式，让每个盲人都能自主地发送/接收信号，通过嵌入在手持终端的音频模块使每个盲人做出判断同时不影响其他人的正常生活。
1系统硬件设计
    整个系统分为发送模块" title="发送模块">发送模块和接收模块" title="接收模块">接收模块两部分^[2]。
1.1发送模块的设计与实现
    发送模块设计成一个手持式信号发送/接收器，通过单片机与无线传输芯片的接口来实现询问信号的发送和反馈信号的接收。随后对反馈信号进行处理，利用内部嵌入的语音模块最终给机主以提示。发送模块工作流程如图1所示。

                            
    该模块主要包括一片AT89S51单片机芯片，该芯片是一种低功耗，高性能8位单片机，片内含4KB的可反复电擦写的Flash只读程序存储器；同时还要有一片无线发射芯片nRF401；为实现发送成功提示的目的，还有一个蜂鸣器，本系统采用ISD1420芯片。另外，为了防止系统崩溃，不再采用常用的RC复位电路，而是采用看门狗模块电路，本系统采用IMP813L芯片。发送模块系统组成如图2所示。

                          
    在具体实现方面^[3]，用AT89S51的P2.5口控制射频芯片的PWR_UP，使其为“1”时，表示正常工作模式，为“0”时，表示待机模式；P2.6口接射频芯片的CS,控制发送接收频率，为“1”时，表示工作频率为434.32MHz，为“0”时，表示工作频率为433.92MHz；RXD、TXD引脚分别接nRF401的DOUT、DIN引脚，以实现数据的发送和接收；P2.7口控制射频芯片的TXEN端，使其为“1”时，表示进人发送模式，为“0'时，表示进人接收模式；P0.0口控制ISD1420的PLAYE引脚,一个从高到低的电平跳变就可以触发其播放预先录好的提示音。用外部中断源INT1接一个点触式按钮来作为信号发送的触发源，同时还接有一个用S9013三极管驱动的蜂鸣器，因为P1.0的引脚状态在上电时为高，因此只要INT1被置低触发的时候，蜂鸣器回路即导通，同时发出声音提示机主信号发送成功。
1.2 接收模块的设计与实现
    接收模块嵌入交通灯系统内部，设计成一个信号接收/反馈模块，功能是接收并校验发送模块的询问信号，通过与交通灯系统间的接口电路，把交通灯的状态转换成一个数字I/O输入信号，同时就信号的不同状态给出不同的反馈信号，通过无线传输芯片进行发射，反馈给发送模块进行处理。接收模块工作流程如图3所示。

                         
    相对于发送模块，接收模块部分比较简单，主要包括一片AT89S51芯片、一片nRF401芯片和外围电路及交通灯部分接口电路。其系统组成如图4所示。具体实现方面，nRF401芯片的控制引脚与发送模块完全一致，不同的是，用P0.0口控制交通灯状态判断接口。

                          
2 系统软件设计
2.1 系统软件总体设计
    软件设计时，首先要注意nRF401模块工作模式切换时，编程中要做相应的延时处理。一般在射频系统中有两种不同的基本通信方式" title="通信方式">通信方式：
    第一种通信方式：从接收器到发射器的数据传输。发送的数据流同时被所有的发射器接收，经过发射器确认后再返回接收器，此方式称为“无线广播”。其数据流传送的流程为：接收器→发射器→接收器。
    第二种通信方式:在接收器的应答范围内有多个发射器的数据同时传输给阅读器，是一种发射器主动通信的方式，这种通信方式称为多路存取方法。这也是射频系统中的主要通信方式之一。其数据流传送的流程为：发射器→接收器→发射器。
射频系统是个小的无线局域网，所以应选用比较简单的多路存取方法^[4]。通信的具体流程为：发送器发出询问信号，通过nRF401发送到接收端，此时接收端首先通过与交通灯的接口电路提供的数字I/O信号来判断交通灯的状态，分别调用相应的子程序，随后通过nRF401发出不同的反馈信号给发射器，发射器将根据约定好的协议，根据接收到的不同的反馈信号来调用不同的子程序去驱动语音模块ISD1420，以发出不同的提示音。
    在无线呼叫系统进行工作时，可能会出现同时有几个发射器处于接收器的工作范围内，这样当有两个或两个以上的发射器同时发送数据时就会出现数据相互的干扰(碰撞)。为此，可以在射频系统中使用多路存取方法来防止数据干扰的发生，其方法有：ALOHA法、“二进制搜索" title="二进制搜索">二进制搜索”算法和“动态二进制搜索”算法等，本系统使用“动态二进制搜索”算法防止数据碰撞。
    二进制搜索算法由一个接收器和多个发射器之间规定的一组命令和应答规则构成，目的在于从多个发射器中选出任一个数据实现通信^[5]。通过多次比较，不断筛选出不同的序列号，给每一个发射器编制一个固定的序列号，接收器发出的一个请求命令有意识地将序列号传输时的数据碰撞引导到接收器上，即通过接收器判断是否有碰撞发生。
    由二进制搜索算法的工作流程可知，发射器的数量越多，防碰撞执行时间就将越长，造成延时很大。而动态二进制搜索算法根据一定的算法把数据分成两部分，收发双方各自传送其中一部分数据，可把传输的数据量减小到一半，达到缩短传送时间的目的。因此，采用动态二进制搜索方法可提高执行防碰撞的速度，实现高效率的控制。
2.2 数据传送校验方法设计
    使用射频技术传输数据时很容易受外界的干扰，校验是用以识别并以一定的措施进行数据校正的必要方法。在电路设计中经常使用的校验方法有循环冗余校验法(CRC)、奇偶校验法等，本设计采用最为简单的检错码——奇偶校验码。这是一种简单同时被广泛使用的校验方法。这种方法是把一个奇偶校验位组合到每一字节中，与每个数据字节合并作为一帧，在数据传输前确定是用偶数校验还是用奇数校验，以保证发射器和接收器二者都用同样的方法进行校验。本设计采用偶校验。
3 抗干扰措施
    基于抗干扰的考虑，做PCB板时采用了1.6mmFR4板材的双面板，连接nRF401的天线以差分方式连接到nRF401。实际设计中，这种天线直接刻蚀在PCB板上。
4 供电及节电模块设计
    采用9V工业仪表用直流干电池供电，使用一个78L05变压/稳压模块转化成5V TTL电平。在节电方面，通过AT89S51的PCON电源控制寄存器来实现程序的睡眠和唤醒，通过非工作时的睡眠状态降低能耗。
5 结论
    (1)现存盲人交通语音提示系统存在较大的不足，无法起到应有的效果。本文采用AT89S51单片机结合无线射频芯片NRF401的方法对其硬件体系进行了改造，实现了数据的半双工传送且改变了提示音的传送方式。对于可能存在的数据碰撞问题也做了相应考虑，设计了一个简单实用的信号发送/接收系统，解决了现有提示系统存在的问题。
    (2)该系统采用表面贴装芯片,减小了整机的体积,提高了整机的性价比，成本低，易于生产和推广。经过验证，发射器和接收器通信有效范围在100米以上，信号的完整性维持在比较理想的范围内，成功地避免了数据的碰撞，实现了预想功能，运行可靠。
参考文献
[1] 徐建,孙大有.无线接收机前端研究.东南大学学报：自然科学版，2000，30(3).
[2]  FINKENZELLER K.射频识别(RFID)技术——无线电感应的应答器和非接触IC卡的原理与应用.第2版.北京：电子工业出版社,2001.

[3] 何少华,陈辉,王克,等.基于单片机的无线自动测控系统. 武汉理工大学学报:交通科学与工程版，2006,(5).
[4] 彭曙蓉,王耀南.一种实用型射频卡读写器的设计.长沙电力学院学报:自然科学版, 2005,(4).
[5] 吴京蓬,刘娜,王爽心.RFID中用于解决信道争用问题的防碰撞算法.仪器仪表学报，2006,(1).