2018年02月14日 | 基于嵌入式USB主机和ZigBee无线通信技术的音响系统解决方案

1 引言

近几年来，随着嵌入式系统技术、网络通讯技术以及家电产业的迅猛发展，信息技术正逐渐渗透到人们的生活当中，智能家居设计也渐渐进入视野。然而，现阶段的智能家居设计，多采用有线设计，存在着系统结构复杂、不易改动等缺点。

本文设计了一种基于嵌入式USB 主机的家用无线音响系统，可以实现在不连接PC 机的情况下直接读取U盘或MP3 中的音频数据，并通过ZigBee 无线网络传输给家庭内部各个位置上的分节点，实现家庭音响的无线播放mp3 的功能，将人们从繁杂的布线中解放出来。

2 系统结构

系统主要由嵌入式USB 主机和ZigBee 分节点播放器组成。而USB 主机又是系统设计的关键，主要由USB接口、MCU 控制器、ZigBee 主节点和电源模块等组成，系统结构如图1 所示。

系统处理流程为：本地端控制器MSP430 通过CH375 按照相应的USB 协议，读取U 盘或MP3 中的音频文件，并将其传输给ZigBee 主节点。ZigBee主节点利用ZigBee 网络将音频信号发送给位于不同位置的ZigBee 分节点。分节点接收到信号后，经过处理，将数字信号传送给音频解码芯片，经解码后实现音频输出。

图1 系统结构。

3 系统硬件设计

3.1 USB 接口部分

3.1.1 CH375 介绍

CH375 是一个USB 总线的通用接口芯片，支持USB-HOST主机方式和USB-DEVICE/SLAVE 设备方式。在本地端，CH375 具有8 位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，可以方便地挂接到单片机/DSP/MCU/MPU 等控制器的系统总线上。

CH375的USB主机方式支持常用的USB全速设备，外部单片机可以通过CH375按照相应的USB协议与USB 设备通讯。CH375 还内置了处理Mass-Storage 海量存储设备的专用通讯协议的固件，通常情况下，外部单片机不需要编写固件程序，就可以直接以扇区为基本单位读写常用的USB存储设备（包括USB硬盘/USB闪存盘/U盘）。

3.1.2 U盘接口电路设计

由于CH375 和单片机采用并行方式通信传输速度快，编程简单，所以本设计采用并行连接方式。

图2 CH375 并行接口电路。

在CH375 芯片的复位期间，TXD 引脚用于选择通讯接口。如果CH375 在复位期间检测到TXD 引脚为低电平则启用并行接口。硬件连接方式如下：CH375的8 位双向数据总线D7~D0、中断输出引脚INT#、读选通输入引脚RD#、写选通输入引脚WR#以及地址输入引脚A0 分别接MSP430 的P3 口、P1.0、P4.4、P4.5、 P4.6 脚，由于在本系统中CPU 只有一片CH375 扩展，所以片选输入引脚CS#接地选通，接口电路如图2 所示。

3.2 主控制器与ZigBee 无线网络部分

本系统采用MSP430F1611 构成控制模块，采用CC2430 为核心的无线收发模块，核心芯片之间采用SPI 方式通讯，MSP430F1611 采用主模式，CC2430采用从模式。

MSP430 系列单片机是美国TI 公司推出的超低功耗16 位混合信号处理器，具有精简指令集结构（RISC）以及丰富的寻址方式；拥有高性能模拟技术及丰富的片上外围模块；大量的寄存器以及片内数据存储器可参加多种运算；在8MHz 晶振工作时，指令速度可达8MIPS.这些特点即保证了可编制出高效率的源程序，又为系统的单片解决方案提供了极大的方便[3].

CC2430 的选择性和敏感性指数超过了IEEE802.15.4 标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性。利用此芯片开发的无线通信设备支持数据传输率高达250Kbps,可以实现多点对多点的快速组网。更重要的是，CC2430 只需极少外部元器件，性能稳定且功耗极低。

MSP430 在低功耗节能方面表现突出，ZigBee 的特色之一也是低功耗，选用这两种芯片，可以保证二者在功耗方面的一致性，有利于系统应用，同时也能保证工作的稳定性。

在电路设计中，利用MSP430 的P3 口接收CH375 读取的U 盘数据，并通过DMA 方式将数据传送给USART1,后者将数字音频信号以SPI 方式传送给ZigBee 主节点。

3.3 音频解码部分

在接收端，ZigBee分节点接收到数字信号后，以SPI方式将数据串行传输给解码芯片VS1003,此时CC2420为主模式，VS1003为从模式。

VS1003是由荷兰VLSI公司出品的一款单芯片的MP3/WMA/MIDI音频解码和ADPCM编码芯片，其拥有一个高性能低功耗的DSP处理器核VS_DSP,5K的指令RAM,0.5K的数据RAM,串行的控制和数据输入接口， 4个通用IO口，一个UART口；同时片内带有一个可变采样率的ADC、一个立体声DAC以及音频耳机放大器。

VS1003通过一个串行接口来接收输入的比特流，比特流被解码后通过一个数字控制器到达一个18位过采样多位&epSILon;-ΔDAC.通过串行总线控制解码器。

除了基本的解码，在用户RAM中它还可以做其他特殊应用，例如DSP音效处理。

VS1003与单片机连接的引脚主要有7个，分别为SO、SI、SCLK、/XCS、/XRESET、DREQ、/XDCS.

只有保证它们与单片机正确可靠的连接，才能对VS1003 进行有效的操作与控制[4] .CC2430 与VS1003的连接关系如图3所示。

图3 CC2430 与音频解码芯片连接电路图。

　　4 协议的实现

　　4.1 USB 协议

　　USB 设备就是能够通过USB 来发送和接收数据，从而实现一定功能的实体。每个USB 设备都具有表明自身能力和所需资源的描述符。在设备第一次连接到主机上之后，首先要接受主机枚举，提供描述符。在得到主机的允许之后，设备就可以分得的USB 带宽，进行数据传输了。

　　系统通过简单的数据线上的电平变化检测到USB设备的接入与移出，接着主机和外设就按照事先约定的顺序执行一系列的信息交换，也就是主机复位设备->主机给设备供电->设备通过缺省的地址0 与主机通信->主机给设备分配地址->主机请求设备的一系列功能和设备描述符…，因此，在程序中，通过顺序的编程和中断的调度，就可以完成主机系统的标准的USB 活动。以上是主机软件的第一部分，主要实现对外设的配置，读取外设的信息，从而判断该设备属于USB 的哪一类，并确定下一步选用哪个特定的程序加以支持。

　　单片机系统中，限于系统的性能和要求，只需要支持某几个特定的类就可以了。本系统是一个在USBFlash 存储器中的应用，这个USB 主机需要支持的就是USB 的Mass Storage 类，那么程序就要实现USB的Mass Storage 类所规定的各种命令。主机的程序流程如图4 所示。

　　图4 USB 主机的软件流程。

　　整个主机协议的实现主要可以分为以下三点：

　　①单片机与接口芯片通信的实现。②主机最底层数据包发送的实现。③请求命令的实现。1,2,3,层层递进，一级比一级高级。

　　4.2 ZigBee 协议

　　ZigBee协议栈建立在IEEE802.15.4标准之上，该标准制定了物理层（PHY）和媒体接入控制层（MAC）规范。ZigBee联盟则定义了其上的网络层（NWK）、应用层（APL）以及安全服务规范。

　　物理层提供了基本的物理无线通信能力；MAC层提供设备间的可靠性授权和单跳通信连接服务；ZigBee协议栈的核心部分在网络层，主要实现节点加入或离开网络、接收或抛弃其他节点、路由查找及传送数据等功能；应用层包括应用支持子层（APS）、ZigBee设备对象（ZDO）和应用对象。APS提供了网络层和应用层之间的接口；ZDO负责所有设备的管理，如初始化设备的发现和建立安全关系等功能。

　　ZigBee采用自组织方式组网，支持星形网、网状网和簇状网等多种拓扑结构。由于在智能家居中多采用星型拓扑结构， 因而本论文主要对星型拓扑进行组网和测试。

　　5 系统软件设计

　　5.1MSP430控制读取U盘数据

　　当设备连接到USB总线时，固件执行USB处理程序，处理程序的流程如下：

　　（1）FAT文件系统初始化。

　　本系统采用的U盘是满足FAT文件格式的，了解FAT文件系统是系统软件设计的基础。

　　FAT文件系统有固定的格式，主要分为主引导扇区、引导扇区、文件目录表和数据区等几个部分。MP3文件的内容存放在数据区，但为了得到数据区的地址，首先要得到主引导区和引导扇区的内容；文件目录表中记录着文件的信息，如文件名称、类型和簇号等，可以通过得到文件目录表来判断分区中MP3格式文件的数目和每个文件的簇号，这些都为正确地定位MP3文件打基础。

　　（2）获得MP3文件个数，在这个程序中仅仅查询根目录下MP3格式的文件个数。

　　FAT文件系统的文件目录表中包含分区中所存的文件信息，每个文件的文件目录表占用32个字节空间，该空间的第9、10、11位为文件的扩展名，可以把每个文件的扩展名和MP3格式文件的扩展名相比，进而得到总的MP3格式文件个数。

　　（3）通过文件目录表找到MP3文件所在的簇号之后就可以得到文件的物理地址，进而读取MP3文件的帧头并获得该文件的信息。MP3文件由三部分组成，首先是ID3V2,然后是数据帧，最后为ID3V1,数据帧的帧头包含MP3的采样率信息，将这些信息通过无线方式传送到接收端，进而对解码器和接口模块进行配置，这样就可以读取文件了。

　　5.2 ZigBee 网络传输的软件设计

　　ZigBee 无线通信网络由三种节点组成：协调器（ZC）、路由器（ZR）和终端设备（ZD）。协调器是网络的中心节点，在本文中即为ZigBee 主节点；路由器负责网络内信息帧的路由；终端设备连接解码器，实现音频输出。

　　网络组建过程主要包括以下三个过程：

　　（1）网络初始化过程：节点初始化后， 扫描信道检查网络是否存在；（2）主节点配置网络过程：产生协调器网络节点，开始配置网络；（3）从节点入网过程：终端设备节点申请加人协调器节点或路由节点。

　　网络协调器启动后，其它普通节点加入网络时，只要将自己的信道设置成与现有的协调器使用的信道相同，并提供正确的认证信息，即可请求加入网络。一个节点若成功地接收一个子节点，或者子节点成功脱离网络，都必须向协调器汇报[8].图5 是节点加入及脱离网络握手示意图。

　　图5 节点及脱离网络握手示意图。

　　5.3 音频解码部分的软件说明

　　（1）MP3播放器初始化处理子函数。

　　初始化程序完成对VS1003的PLL、MP3解码器和AUDIO接口初始化，设定控制器的时钟和采样率，开启MP3中断等工作。

　　（2）MP3播放子程序。

　　找到MP3文件并且配置完MP3解码器和AUDIO接口后，就可以播放MP3了。播放MP3的过程就是按照MP3解码器的请求，把接收到的MP3数据传输到解码器的输入缓冲区的过程。

　　6 结语

　　本设计借助嵌入式USB 主机和ZigBee 无线通信技术，为家用音响系统的设计提供了一种灵活、方便的无线解决方案，该系统具有良好的可扩展性和实用价值。相信随着智能家居产业的发展和ZigBee 无线通讯技术的不断完善，ZigBee 技术将越来越好地融合在智能家居系统的设计中。

　　本文作者创新点：将嵌入式USB 主机和ZigBee 技术创新性地应用于家用无线音响系统，实现了音频数据通过ZigBee 网络的无线传输，实验证明，系统设计合理，方便扩展，价格低廉，是一种有效的解决方案。