基于USB主機(jī)和ZigBee的無線音響系統(tǒng) （一）

　1 引言

　　近幾年來，隨著嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)以及家電產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，信息技術(shù)正逐漸滲透到人們的生活當(dāng)中，智能家居設(shè)計(jì)也漸漸進(jìn)入視野。然而，現(xiàn)階段的智能家居設(shè)計(jì)，多采用有線設(shè)計(jì)，存在著系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不易改動等缺點(diǎn)。

　　本文設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式USB 主機(jī)的家用無線音響系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)在不連接PC 機(jī)的情況下直接讀取U盤或mp3 中的音頻數(shù)據(jù)，并通過ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)傳輸給家庭內(nèi)部各個(gè)位置上的分節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)家庭音響的無線播放mp3 的功能，將人們從繁雜的布線中解放出來。

　　2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)主要由嵌入式USB 主機(jī)和ZigBee 分節(jié)點(diǎn)播放器組成。而USB 主機(jī)又是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，主要由USB接口、MCU 控制器、ZigBee 主節(jié)點(diǎn)和電源模塊等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

　　系統(tǒng)處理流程為：本地端控制器MSP430 通過CH375 按照相應(yīng)的USB 協(xié)議，讀取U 盤或MP3 中的音頻文件，并將其傳輸給ZigBee 主節(jié)點(diǎn)。ZigBee主節(jié)點(diǎn)利用ZigBee 網(wǎng)絡(luò)將音頻信號發(fā)送給位于不同位置的ZigBee 分節(jié)點(diǎn)。分節(jié)點(diǎn)接收到信號后，經(jīng)過處理，將數(shù)字信號傳送給音頻解碼芯片，經(jīng)解碼后實(shí)現(xiàn)音頻輸出。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

　　3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　3.1 USB 接口部分

　　3.1.1 CH375 介紹

　　CH375 是一個(gè)USB 總線的通用接口芯片，支持USB-HOST主機(jī)方式和USB-DEVICE/SLAVE 設(shè)備方式。在本地端，CH375 具有8 位數(shù)據(jù)總線和讀、寫、片選控制線以及中斷輸出，可以方便地掛接到單片機(jī)/DSP/MCU/MPU 等控制器的系統(tǒng)總線上。

　　CH375的USB主機(jī)方式支持常用的USB全速設(shè)備，外部單片機(jī)可以通過CH375按照相應(yīng)的USB協(xié)議與USB 設(shè)備通訊。CH375 還內(nèi)置了處理Mass-Storage 海量存儲設(shè)備的專用通訊協(xié)議的固件，通常情況下，外部單片機(jī)不需要編寫固件程序，就可以直接以扇區(qū)為基本單位讀寫常用的USB存儲設(shè)備（包括USB硬盤/USB閃存盤/U盤）。

　　3.1.2 U盤接口電路設(shè)計(jì)

　　由于CH375 和單片機(jī)采用并行方式通信傳輸速度快，編程簡單，所以本設(shè)計(jì)采用并行連接方式。

圖2 CH375 并行接口電路。

　　在CH375 芯片的復(fù)位期間，TXD 引腳用于選擇通訊接口。如果CH375 在復(fù)位期間檢測到TXD 引腳為低電平則啟用并行接口。硬件連接方式如下：CH375的8 位雙向數(shù)據(jù)總線D7~D0、中斷輸出引腳INT#、讀選通輸入引腳RD#、寫選通輸入引腳WR#以及地址輸入引腳A0 分別接MSP430 的P3 口、P1.0、P4.4、P4.5、 P4.6 腳，由于在本系統(tǒng)中CPU 只有一片CH375 擴(kuò)展，所以片選輸入引腳CS#接地選通，接口電路如圖2 所示。

3.2 主控制器與ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)部分

　　本系統(tǒng)采用MSP430F1611 構(gòu)成控制模塊，采用CC2430 為核心的無線收發(fā)模塊，核心芯片之間采用SPI 方式通訊，MSP430F1611 采用主模式，CC2430采用從模式。

　　MSP430 系列單片機(jī)是美國TI 公司推出的超低功耗16 位混合信號處理器，具有精簡指令集結(jié)構(gòu)（RISC）以及豐富的尋址方式；擁有高性能模擬技術(shù)及豐富的片上外圍模塊；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器可參加多種運(yùn)算；在8MHz 晶振工作時(shí)，指令速度可達(dá)8MIPS.這些特點(diǎn)即保證了可編制出高效率的源程序，又為系統(tǒng)的單片解決方案提供了極大的方便[3].

　　CC2430 的選擇性和敏感性指數(shù)超過了IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片開發(fā)的無線通信設(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達(dá)250Kbps,可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。更重要的是，CC2430 只需極少外部元器件，性能穩(wěn)定且功耗極低。

　　MSP430 在低功耗節(jié)能方面表現(xiàn)突出，ZigBee 的特色之一也是低功耗，選用這兩種芯片，可以保證二者在功耗方面的一致性，有利于系統(tǒng)應(yīng)用，同時(shí)也能保證工作的穩(wěn)定性。

　　在電路設(shè)計(jì)中，利用MSP430 的P3 口接收CH375 讀取的U 盤數(shù)據(jù)，并通過DMA 方式將數(shù)據(jù)傳送給USART1,后者將數(shù)字音頻信號以SPI 方式傳送給ZigBee 主節(jié)點(diǎn)。

　　3.3 音頻解碼部分

　　在接收端，ZigBee分節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)字信號后，以SPI方式將數(shù)據(jù)串行傳輸給解碼芯片VS1003,此時(shí)CC2420為主模式，VS1003為從模式。

　　VS1003是由荷蘭VLSI公司出品的一款單芯片的MP3/WMA/MIDI音頻解碼和ADPCM編碼芯片，其擁有一個(gè)高性能低功耗的DSP處理器核VS_DSP,5K的指令RAM,0.5K的數(shù)據(jù)RAM,串行的控制和數(shù)據(jù)輸入接口， 4個(gè)通用IO口，一個(gè)UART口；同時(shí)片內(nèi)帶有一個(gè)可變采樣率的ADC、一個(gè)立體聲DAC以及音頻耳機(jī)放大器。

　　VS1003通過一個(gè)串行接口來接收輸入的比特流，比特流被解碼后通過一個(gè)數(shù)字控制器到達(dá)一個(gè)18位過采樣多位ε-ΔDAC.通過串行總線控制解碼器。

　　除了基本的解碼，在用戶RAM中它還可以做其他特殊應(yīng)用，例如DSP音效處理。

　　VS1003與單片機(jī)連接的引腳主要有7個(gè)，分別為SO、SI、SCLK、/XCS、/XRESET、DREQ、/XDCS.

　　只有保證它們與單片機(jī)正確可靠的連接，才能對VS1003 進(jìn)行有效的操作與控制[4] .CC2430 與VS1003的連接關(guān)系如圖3所示。

圖3 CC2430 與音頻解碼芯片連接電路圖。