CN2935268Y - 一种多用途的发声装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种电子发声装置，可以使儿童通过边看书边听故事来学习语言，同时还可以用作博物馆等旅游景点的电子解说装置。不仅适用于儿童学习汉语和英语，同样本装置还适合外国朋友学习中文和了解中国文化。它的特点是在电子模块中不需要内置的语音数据存储芯片，而是通过用户插入自己的存储卡或U盘来提供语音文件。这里的语音文件是由多种语言的语音片断构成，完全可以由用户自己选择播放。为了保护语音文件的版权，在本装置内还设计了版权保护单元，由非对称密钥系统和对称密钥系统构成。通过按键的控制，可以选择不同的语言种类。它的特点是，多用途，成本低，用户可随意升级，操作简单。

Description

一种多用途的发声装置

技术领域

本实用新型涉及电子发声装置，特别涉及一种不带有内置存储器、且能保护语音文件的版权的语音电子发声装置。

背景技术

现代社会对电子发声装置的需求越来越多，对其功能的要求也越来越多样化。一方面，随着世界经济的发展，人们也越来越多地重视儿童的基本素质教育。家长在重视母语教育的同时也加强了儿童对外语的学习。语言学习中的发音往往是重中之重。尽管通过磁带或录像可以一定程度的提高，可是过于死板，不利于儿童有针对性的灵活操作。由此带动了电子发声读物的兴起。电子发声书的装置一直是一个十分活跃的领域，现今有很多的电子发声书，要么只能提供简单的声音(例如猫狗叫)，并不能为儿童提供良好的语言启蒙教育，要么几乎所有的发明和产品都在内部集成了容量固定的存储器和页码或区域检测装置，例如CN02273039.7公开的电子发声图书，由于内置存储器价格昂贵，这就使得成本居高不下，且缺乏灵活性。

另一方面，关于电子导游装置，目前便携式的专利或产品均没有采用完全外置的存储器，受到存储容量的制约，不便于用户灵活的管理和升级。CN99120286.4(“通用型多语种电子讲解机及其使用方法”)公开的电子讲解机并非手持设备；有些其它的专利，如：CN01274768.8公开的电子导游机，CN03267706.5公开的个人电子导游器，采用了无线接收装置，既需要发射装置又需要手持的接收装置，从而提高了成本。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种多用途的发声装置，既可以是一种通过边看动画书边听故事来学习语言的装置，还可以用作博物馆等旅游景点的电子解说装置。本实用新型的核心考虑就是以最简洁和高效的方式提供一个操作简单(不仅适合游客而且适合儿童)并独立使用的便携的电子产品。

本实用新型的技术方案如下：

一种多用途的发声装置，含有一电子模块，该电子模块包括中央处理单元、版权认证单元、键盘扫描电路单元、发声单元和存储单元接口。这里中央处理单元分别通过各种不同的接口与其它的单元相连。

中央处理单元用于实现对版权认证单元的控制、监视并完成对键盘扫描电路单元的控制、监视并完成对存储单元接口的控制，实现文件系统的管理，实现对语音文件的解密，配合按键可以决定播放语言种类；这部分可以由单片机、DSP或ARM芯片来实现。

版权认证单元用于存放私钥和出厂的“证书文件“序列即公钥，从而实现验证是否为合法取得的语音文件，解决防盗版问题。版权认证单元采用了非对称加密模块和对称加密算法相结合的方式。这里的非对称加密模块可以用握奇公司的PK(Public Key)电子商务卡来实现，也可以采用能够实现公钥加密算法并能够安全保护私钥数据不被读出的IC卡等其它器件。这里的对称加密算法既可以是分组密码也可以是流密码。其中PK卡即可以基于RSA算法(Rivest-Shamir-Adleman，一种通用公钥加密算法)也可以是ECC算法(elliptic curve cryptography，椭圆曲线密码体制)。

键盘扫描电路单元用于实现用户对该装置的控制，用户通过电子模块外壳面板上的10个数字键和其它控制键发出指令，通过键盘扫描电路单元传递给中央处理单元，因而中央处理单元可以接收并执行相应的指令。

发声单元用于把数字语音信号变成模拟语音信号，通过功率放大器再经由扬声器或耳机播出。

本装置没有内置的语音数据存储器，而采用存储单元接口兼容用户已有的通用移动存储器来存放语音数据。存储单元接口用于匹配不同的外置存储器，提供电平和协议匹配的接口电路。存储单元接口通常通过SPI接口和/或USB接口兼容主流的MMC卡(MultiMedia Card)、SD卡(Secure Digital Card)和USB接口的移动存储。

本实用新型的发声装置还可以包括一个背板，一方面这个背板可以固定上述电子模块，另一方面，这个背板还可以固定故事书等纸质读物。它的特点是电子模块可以简单地从这个背板上拆卸，这样就变成了一个便携的语音播放器。

上述的背板可以是一个带弹簧片的背板，如图3所示，背板的上方有两条平行的凸槽，而电子模块有两条相对应的凹槽。在背板上位于两条凸槽的中间，偏右侧有一个弹簧片，它的功能是为了卡住发声电子模块。这种结构的特点是方便儿童卡上模块或卸下模块。由于模块的外观可以设计成卡通形状，因而卸下后的模块既可以是便携的故事播放器又可以是他们的玩具。由于它拥有连续播放故事的能力和便携的特点，适合放于儿童枕边。该装置还可具有自动断电功能，条件是长时间没有检测到按键操作而且没有连续播放语音的时候。

应用于语言学习时，本实用新型的发声装置可由电子模块、背板和系列图书等纸质读物构成，如图2所示。它的特点是在电子模块中没有内置的语音存储芯片，而是通过用户插入自己的存储卡或U盘(包括MP3播放器)来存储信息，为了保护语音文件的版权，在本装置内采用加密智能卡来防止该语音文件被盗版。因而，家长只能从相关的网站上下载相应的语音文件。通过按键的控制输入页码或输入句子编号等信息，它就能够提供标准的朗读故事的声音，同时通过按键的控制可以进行语言种类切换，如中文和英文的切换。在儿童娱乐的同时可以增强语感，还可以借助配套的图书学习文字，如学习汉字和英文的拼写等。所以，本装置可帮助孩子在听故事娱乐的同时培养了母语和外语语感。

在将本实用新型应用于博物馆的景点解说时，只需要电子模块部分。电子模块很容易从图书背板上卸下，游客可以从相关网站上下载关于景点解说的语音文件到他们的移动存储介质上，然后将其插入到这个电子模块中。游客只要在面板上选择语言种类，然后输入景点的标识数字，就可以听到详细的解释了，尤其适合博物馆等有众多物品需要解说的情况。当然，游客也可以从景点服务部门租用此装置以方便游客，它的优点在于，因为该装置没有内置的存储器，景点服务部门可以很方便地进行升级。它还可以改变我们参观的习惯，由于该装置既有扬声器又有耳机，如果采用耳机，那么游客就都可以安静地欣赏他们自己感兴趣的物品或景点解说了，避免了多个导游同时解说时的吵闹状况。

本实用新型的发声装置尤其适用于儿童学习汉语和英语，同时本装置还适合外国朋友学习中文和了解中国文化。

本装置完全可由儿童操作，简单的按键操作一方面满足儿童的成就感，同时还可以进行语言学习。配合不同的故事书，从网站下载相应的中英文语音文件(该文件经过加密处理，防止盗版问题)到SD卡、MMC卡或U盘中。把上述的移动存储介质插入到本装置中，然后配合不同的书，儿童可以一边享受到故事书中的精彩图画，一边听语音纯正的中英文故事。

本装置可以提供整个故事书的中英文语音，儿童可以按故事书的页码甚至句子编号来配合图画有针对性地听故事，这是本装置的一个突出特点。本装置最大的特点是内部并没有内置的存储介质，而是采用外部的存储介质，主要是基于目前这类存储介质的高普及率，用户完全可以充分利用他们现有的资源。就是基于这个道理，用户可以从相应的网站上下载他们的孩子所喜爱的、内含中英文等多种语言的故事语音文件。在本实用新型中还解决了如何保护语音文件版权的技术难题。由于可以从相应的网站上下载孩子们所喜爱的语音文件，因而儿童可以一个人静静的享受多彩斑斓的故事世界。

在电子导游方面，本实用新型一方面不再受到存储容量的制约，另一方面它便于用户灵活的管理和升级，且本装置完全采用简单的数字输入即可，操作简单，降低了成本。

综上所述，本实用新型一方面是让儿童以听故事的方式来达到语言的启蒙教育，让儿童在阅读故事书精美图画的同时，还可以根据需要切换，聆听到相应的中文或英文等外语颂读声；另一方面本实用新型给旅游参观带来新的革命，在游客参观时可以聆听到母语的详细解说。

附图说明

图1是本实用新型发声装置电子模块的结构框图。

图2a是本实用新型电子模块的外观正面示意图；图2b是电子模块的侧面外观示意图。

图3是弹性背板的结构示意图。

图4是加密智能卡PK卡的示意图。

图5是键盘扫描电路单元的电路示意图。

图6是存储单元接口连接方式图。

图7是语音文件的构成格式示意图。

图8是本实用新型电子模块工作流程图。

其中：1——弹簧片    2——凸槽

具体实施方式

下面结合附图详细说明本实用新型，以便更加准确地理解本实用新型的内容，但不在任何方式上限制本实用新型的范围。

本实用新型的电子模块部分包括中央处理单元、版权认证单元、键盘扫描电路单元，发声单元和存储单元接口，注意这里并不包括存储单元而只包含存储单元接口(参见图1)。

中央处理单元的主要作用是实现对加密智能卡的控制、监视并完成对键盘的控制、监视并完成对存储单元接口的控制(检测是否有外部存储器插入)、实现文件系统的管理(要确保能够从不同的文件系统中读取语音文件)、实现对语音文件的解密，配合按键可以决定是播放英文、中文还是其它的语言。这部分可以由单片机、DSP(数字信号处理器)或ARM(Advanced RISC Machines)芯片来实现。

为了解决防盗版问题，设计中采用了一种加密智能卡——TIMEOS PK卡(握奇公司)，智能卡是IC(Integrated Circuit Card，集成电路卡)卡中最高级的一种卡，内部一般有CPU、ROM、RAM、EEPROM(Electrically Erasable Programmable ROM)等资源，卡内一般都驻有COS(智能卡操作系统)，对卡进行维护和管理并解释终端的各种命令(详见图4)。因为卡内有CPU和RAM，所以可以根据需要进行一些运算和数据加密，同时卡内的EEPOM也可以存放用户的一些资料(容量也较存储卡大)。智能卡较普通存储卡而言功能更强大，且由于数据都受到加密保护，所以更安全，因而应用领域更广。这里主要用它发放给用户一个“证书文件“即公钥序列，和一个用户的”私钥文件“。证书文件是一组序列号(它的位数由所采用的PK卡类型决定)，不仅存在PK卡中，还要印制在该装置的盒子上，当用户想从网站上下载语音文件时，首先输入用户盒子上的用户编号即公钥序列，因为网站就要验证是否是合法的证书，如果验证通过，网站端会利用用户的公钥序列来对一个随机字符串(16个字节，即为语音文件的对称加密算法的密钥)进行加密，加密后的字符串(存放于文件的头部)只有通过用户的”私钥文件“才能解出这个随机字符串。这样用户下载到移动存储器的语音文件是被这个随机字符串加密了的文件(值得注意的是，由于文件头存放有隐藏的密钥、用户的“证书“序列号和语言文件内容信息等，所以文件头不能被这个随机串加密，如图7)，不可能用任何其它的播放器来播放，而只能采用用户自己的装置来播放，这是因为一方面该装置会把PK卡内部的”证书“序列号和文件头部的序列号来比对，验证是否是为本装置定制的文件，另一方面采用装置内部PK卡中的私钥文件才能正确解出网站端生成的随机字符串，再采用与网站端同样的对称加密算法(这里的对称加密算法既可以采用分组密码也可以采用流密码，但是前提是必须与网站端一致)来解密，因而就可以播放此语音文件了。甚至换成其他用户的该装置也不能播放该文件，这是因为不能通过文件头部证书文件的验证，更不可能解密获得那个随机字符串。通过这种方式就解决了防止盗版的问题，维护了语音文件提供商的利益。

键盘扫描电路单元的主要作用是满足用户对该装置的控制，例如在用作听故事学语言时，输入34，表示播放34页的语音内容，同样还可以进行前进一页和后退一页的控制。而在用于参观时，则表示游客想听到第34个古董或景点的解说。除此之外，键盘还可以实现连续播放的模式，这样可以让儿童流畅地欣赏中文或英文讲故事的声音。这里由10个数字键和其它几个控制键实现。键盘扫描电路单元的电路示意图见图5。

文件系统主要是用于兼容用户的移动存储器，确保本装置完全能够正确地搜索到语音文件并能否正确地读出来。这里的文件系统完全能够兼容SD/MMC卡的fat(FileAllocation Table)16系统，和usb的fat12/16/32。可以兼容所有的主流应用。这部分完全采用软件实现。其中支持usb的文件系统可以充分利用芯片商的技术支持，例如采用ch375这个接口芯片(如图6中的U4)时，可以参照公司的实例和加入厂家的库文件即可。

发声单元主要是用于把数字信号变成模拟信号，同时采用功放以保证驱动喇叭，当然这里也可以使用耳机。这两种方式都可以通过面板上的音量调节器控制声音的大小。本装置内即可以采用简单的语音压缩技术也可以采用复杂的语音编码技术。这里采用PCM(脉冲编码调制信号)转A-LAW(一种欧洲采用的电话语音压缩方法)的简单压缩算法，一方面考虑中央处理器的处理能力，另一方面，由于该装置并不受到存储器容量的限制，由用户自己保障，针对一般的语音文件32M字节就足够了。所以这里采用的方法是把8k采样率，每样点用16bit的分辨率的语音数据通过PCM转A-LAW的程序来简单压缩，变成8k采样率，每样点用8bit来表示，最终把这样的语音数据放到网站上提供合法用户下载。

存储单元接口部分主要是用于匹配不同的外置存储器，提供电平和协议匹配的接口电路。由于SD卡向下兼容MMC卡(虽然SD卡有9个管脚而MMC只有7个)，所以在中央处理器端，只需要完成实现MMC的主控端即可。这里采用SPI接口(连接方式如图6中U2所示，这里以msp430f149为例)，主要是为了兼容SD卡和简化电路。USB接口的设计采用ch375v来实现。这里采用了它的主端功能，通过这个芯片保证识别外部插入的U盘MP3播放器并读出数据。具体连接方式参照图6。

这里的读故事或旅游讲解的语音文件属于网站的知识产权，为了解决防止盗版问题，在本装置中引入了版权认证系统。这里的版权认证系统是由非对称加密系统和对称加密系统构成的。非对称加密系统可以由PK卡来实现，它的功能是提供给每个购买该装置用户一个“证书”序列号，这个序列号可以印制到该装置壳上，防止用户丢失。网站将通过这个序列号来判断是否是合法的用户，网站端一方面验证这个证书，另一方面会通过这个证书内的用户公钥来对密钥(随机产生的字符串)进行加密并存放于文件头，而网站端会利用这个随机字符串来对该文件语音数据进行加密(这里是对称加密，可以采用流密码或分组密码)。用户从网站上下载的语音文件是加密后的文件，只有通过该装置内部的非对称加密系统才能从文件头部解密出那个随机字符串，而后该装置就可以利用这个字符串来解密(这里是对称解密，要和网站端采用的加密方法一致)。这样用户下载的语音文件是网站端针对他的装置生成的特定文件。即使其他用户获得，也不可能破解密码，这样就保护了相应网站的版权。只要用户向网站输入“证书”序列号即可，整个加密和解密过程均不需要用户介入，由网站端和该装置内部完成。

语音文件的结构采用特殊存放格式，包括：文件头、M种语言的文件片断地址列表和M种文件语音数据块。语音文件的构成格式如图7所示，文件头：用户“证书”序列号和隐藏随机字符串的序列(利用用户公钥加密随机字符串，由网站端生成)，内含语音片断数N，语言种类M(指该语音文件包含的M种语音)和每种语音数据的起始地址列表(相对于文件头部的偏置)；M种语言的文件片断地址列表：第一种语言的第一片断地址信息(相对于第一种语音数据块起始地址的偏置地址和语音片断的长度)，第一种语言的第二片断地址信息，…第M种语言的第N片断地址信息(相对于第M种语音数据块起始地址的偏置地址和语音片断的长度)；文件语音数据：第一种语音数据…第M种语音数据。

这里的语音文件既包括中文语音也包括外文语音。可以通过操作面板上的切换开关进行选择。

本实用新型发声装置的电子模块的工作过程如下：开机上电；配置各个芯片，从PK卡中读出“证书”文件；检测是否有U盘或MP3播放器插入，如果没有再检查是否有MMC/SD卡插入，如果没有则关机，要是有则搜索语音文件，找到后从语音文件中读出“证书“序列号并与PK卡中的比较。验证通过后再利用PK卡中的私钥计算出该语音文件的加密密钥。同时也再进行键盘扫描，当检测出用户输入了语音片断号后，中央处理器就会利用密钥对语音数据进行解密，从而得到语音数据。详见图8。

本实用新型的发声装置采用外部的存储器，一方面节约成本可以充分利用现有非常普及的移动存储器。另一方面，方便家长从网站随意选择下载孩子喜爱的语音文件，而本装置不需要任何电脑驱动，使得用户操作非常方便。

由于提供了连续播放功能，可以变成普通播放器。用户可以在不购买故事书的情况下，从相关网站上通过付费的方式下载任意多的故事语音，让孩子只是单纯的听故事(同样这里既可以是外语也可以是母语，由面板上的选择开关决定)。培养了孩子们的语感。通过这种方式，家长可以节省用于买故事书的钱，却可以让孩子欣赏更多的故事。

使用背板的发声装置可方便地从背板上拆卸下电子模块部分，形成了玩具和播放器相结合的特点，可以使孩子在娱乐的同时培养了语感，充分了解中外文化，打好基本素质教育的基础。

如果卸下背板，该装置还可以应用于旅游景点和博物馆的电子导游器。当然前提是，旅游景点或博物馆内的古董有相应的数字标签和插入相对应的带有景点介绍语音文件的外置存储器，这样游客只要输入数字，则该装置就可以当一名电子导游了。由于它外置存储器的特点，所以它很容易升级和使用(因为它只需要下载相应的解说语音文件即可)。由于面板上的语言选择开关可以供游客选择他们自己的母语，使用非常方便。

Claims (6)

1.一种发声装置，含有一电子模块，该电子模块具有中央处理单元、键盘扫描电路单元和发声单元，中央处理单元通过不同接口分别与键盘扫描电路单元和发声单元连接，发声单元将中央处理单元传来的数字信号变成模拟信号，经由扬声器或耳机播出；键盘扫描电路单元将用户发出的指令传递给中央处理单元，由中央处理单元完成对键盘扫描电路单元的控制、监视；其特征在于：所述电子模块不带有内置存储器，而是具有版权认证单元和存储单元接口，版权认证单元对语音数据文件的合法性进行鉴别，并对加密了的语音文件进行解密；存储单元接口匹配不同的外置存储器，提供电平和协议匹配的接口电路；中央处理单元通过不同接口分别与它们相连，由中央处理单元实现对版权认证单元的控制、监视并完成对存储单元接口的控制。

2.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，所述中央处理单元是单片机、数字信号处理器或ARM芯片。

3.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，所述版权认证单元是非对称加密模块。

4.如权利要求3所述的发声装置，其特征在于，所述非对称加密模块是PK卡或能够实现公钥加密算法并能够安全保护私钥数据不被读出的IC卡。

5.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，所述存储单元接口是兼容主流的MMC卡、SD卡的SPI接口和/或USB接口。

6.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，该装置还包括一个背板，用于固定所述电子模块和纸质读物，所述背板的上方有两条平行的凸槽，而电子模块有两条相对应的凹槽，在背板上两条凸槽的中间偏右侧有一个用于卡住电子模块的弹簧片。

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