? ? ? ?1 引言

　　近幾年來，隨著嵌入式系統技術、網絡通訊技術以及家電產業的迅猛發展，信息技術正逐漸滲透到人們的生活當中，智能家居設計也漸漸進入視野。然而，現階段的智能家居設計，多采用有線設計，存在著系統結構復雜、不易改動等缺點。

　　本文設計了一種基于嵌入式USB 主機的家用無線音響系統，可以實現在不連接PC 機的情況下直接讀取U盤或MP3 中的音頻數據，并通過ZigBee 無線網絡傳輸給家庭內部各個位置上的分節點，實現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 系統結構

　　系統主要由嵌入式USB 主機和ZigBee 分節點播放器組成。而USB 主機又是系統設計的關鍵，主要由USB接口、MCU 控制器、ZigBee 主節點和電源模塊等組成，系統結構如圖1 所示。

　　系統處理流程為：本地端控制器MSP430 通過CH375 按照相應的USB 協議，讀取U 盤或MP3 中的音頻文件，并將其傳輸給ZigBee 主節點。ZigBee主節點利用ZigBee 網絡將音頻信號發送給位于不同位置的ZigBee 分節點。分節點接收到信號后，經過處理，將數字信號傳送給音頻解碼芯片，經解碼后實現音頻輸出。

　　圖1 系統結構。

　　3 系統硬件設計

　　3.1 USB 接口部分

　　3.1.1 CH375 介紹

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

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

　　3.1.2 U盤接口電路設計

　　由于CH375 和單片機采用并行方式通信傳輸速度快，編程簡單，所以本設計采用并行連接方式。

　　圖2 CH375 并行接口電路。

　　在CH375 芯片的復位期間，TXD 引腳用于選擇通訊接口。如果CH375 在復位期間檢測到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 位雙向數據總線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，由于在本系統中CPU 只有一片CH375 擴展，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 無線網絡部分

　　本系統采用MSP430F1611 構成控制模塊，采用CC2430 為核心的無線收發模塊，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，具有精簡指令集結構（RISC）以及豐富的尋址方式；擁有高性能模擬技術及豐富的片上外圍模塊；大量的寄存器以及片內數據存儲器可參加多種運算；在8MHz 晶振工作時，指令速度可達8MIPS.這些特點即保證了可編制出高效率的源程序，又為系統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超過了IEEE802.15.4 標準的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片開發的無線通信設備支持數據傳輸率高達250Kbps，可以實現多點對多點的快速組網。更重要的是，CC2430 只需極少外部元器件，性能穩定且功耗極低。

　　MSP430 在低功耗節能方面表現突出，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，有利于系統應用，同時也能保證工作的穩定性。

　　在電路設計中，利用MSP430 的P3 口接收CH375 讀取的U 盤數據，并通過DMA 方式將數據傳送給USART1，后者將數字音頻信號以SPI 方式傳送給ZigBee 主節點。

　　3.3 音頻解碼部分

　　在接收端，ZigBee分節點接收到數字信號后，以SPI方式將數據串行傳輸給解碼芯片VS1003，此時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，其擁有一個高性能低功耗的DSP處理器核VS_DSP，5K的指令RAM，0.5K的數據RAM，串行的控制和數據輸入接口， 4個通用IO口，一個UART口；同時片內帶有一個可變采樣率的ADC、一個立體聲DAC以及音頻耳機放大器。

　　VS1003通過一個串行接口來接收輸入的比特流，比特流被解碼后通過一個數字控制器到達一個18位過采樣多位&epSILon;-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用，例如DSP音效處理。

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

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

　　圖3 CC2430 與音頻解碼芯片連接電路圖。

　　4 協議的實現

　　4.1 USB 協議

　　USB 設備就是能夠通過USB 來發送和接收數據，從而實現一定功能的實體。每個USB 設備都具有表明自身能力和所需資源的描述符。在設備第一次連接到主機上之后，首先要接受主機枚舉，提供描述符。在得到主機的允許之后，設備就可以分得的USB 帶寬，進行數據傳輸了。

　　系統通過簡單的數據線上的電平變化檢測到USB設備的接入與移出，接著主機和外設就按照事先約定的順序執行一系列的信息交換，也就是主機復位設備-》主機給設備供電-》設備通過缺省的地址0 與主機通信-》主機給設備分配地址-》主機請求設備的一系列功能和設備描述符…，因此，在程序中，通過順序的編程和中斷的調度，就可以完成主機系統的標準的USB 活動。以上是主機軟件的第一部分，主要實現對外設的配置，讀取外設的信息，從而判斷該設備屬于USB 的哪一類，并確定下一步選用哪個特定的程序加以支持。

　　單片機系統中，限于系統的性能和要求，只需要支持某幾個特定的類就可以了。本系統是一個在USBFlash 存儲器中的應用，這個USB 主機需要支持的就是USB 的Mass Storage 類，那么程序就要實現USB的Mass Storage 類所規定的各種命令。主機的程序流程如圖4 所示。

　　圖4 USB 主機的軟件流程。

　　整個主機協議的實現主要可以分為以下三點：

　　①單片機與接口芯片通信的實現。②主機最底層數據包發送的實現。③請求命令的實現。1，2，3，層層遞進，一級比一級高級。

　　4.2 ZigBee 協議

　　ZigBee協議棧建立在IEEE802.15.4標準之上，該標準制定了物理層（PHY）和媒體接入控制層（MAC）規范。ZigBee聯盟則定義了其上的網絡層（NWK）、應用層（APL）以及安全服務規范。

　　物理層提供了基本的物理無線通信能力；MAC層提供設備間的可靠性授權和單跳通信連接服務；ZigBee協議棧的核心部分在網絡層，主要實現節點加入或離開網絡、接收或拋棄其他節點、路由查找及傳送數據等功能；應用層包括應用支持子層（APS）、ZigBee設備對象（ZDO）和應用對象。APS提供了網絡層和應用層之間的接口；ZDO負責所有設備的管理，如初始化設備的發現和建立安全關系等功能。

　　ZigBee采用自組織方式組網，支持星形網、網狀網和簇狀網等多種拓撲結構。由于在智能家居中多采用星型拓撲結構， 因而本論文主要對星型拓撲進行組網和測試。

　　5 系統軟件設計

　　5.1MSP430控制讀取U盤數據

　　當設備連接到USB總線時，固件執行USB處理程序，處理程序的流程如下：

　　（1）FAT文件系統初始化。

　　本系統采用的U盤是滿足FAT文件格式的，了解FAT文件系統是系統軟件設計的基礎。

　　FAT文件系統有固定的格式，主要分為主引導扇區、引導扇區、文件目錄表和數據區等幾個部分。MP3文件的內容存放在數據區，但為了得到數據區的地址，首先要得到主引導區和引導扇區的內容；文件目錄表中記錄著文件的信息，如文件名稱、類型和簇號等，可以通過得到文件目錄表來判斷分區中MP3格式文件的數目和每個文件的簇號，這些都為正確地定位MP3文件打基礎。

　　（2）獲得MP3文件個數，在這個程序中僅僅查詢根目錄下MP3格式的文件個數。

　　FAT文件系統的文件目錄表中包含分區中所存的文件信息，每個文件的文件目錄表占用32個字節空間，該空間的第9、10、11位為文件的擴展名，可以把每個文件的擴展名和MP3格式文件的擴展名相比，進而得到總的MP3格式文件個數。

　　（3）通過文件目錄表找到MP3文件所在的簇號之后就可以得到文件的物理地址，進而讀取MP3文件的幀頭并獲得該文件的信息。MP3文件由三部分組成，首先是ID3V2，然后是數據幀，最后為ID3V1，數據幀的幀頭包含MP3的采樣率信息，將這些信息通過無線方式傳送到接收端，進而對解碼器和接口模塊進行配置，這樣就可以讀取文件了。

　　5.2 ZigBee 網絡傳輸的軟件設計

　　ZigBee 無線通信網絡由三種節點組成：協調器（ZC）、路由器（ZR）和終端設備（ZD）。協調器是網絡的中心節點，在本文中即為ZigBee 主節點；路由器負責網絡內信息幀的路由；終端設備連接解碼器，實現音頻輸出。

　　網絡組建過程主要包括以下三個過程：

　　（1）網絡初始化過程：節點初始化后， 掃描信道檢查網絡是否存在；（2）主節點配置網絡過程：產生協調器網絡節點，開始配置網絡；（3）從節點入網過程：終端設備節點申請加人協調器節點或路由節點。

　　網絡協調器啟動后，其它普通節點加入網絡時，只要將自己的信道設置成與現有的協調器使用的信道相同，并提供正確的認證信息，即可請求加入網絡。一個節點若成功地接收一個子節點，或者子節點成功脫離網絡，都必須向協調器匯報［8］。圖5 是節點加入及脫離網絡握手示意圖。

　　圖5 節點及脫離網絡握手示意圖。

　　5.3 音頻解碼部分的軟件說明

　　（1）MP3播放器初始化處理子函數。

　　初始化程序完成對VS1003的PLL、MP3解碼器和AUDIO接口初始化，設定控制器的時鐘和采樣率，開啟MP3中斷等工作。

　　（2）MP3播放子程序。

　　找到MP3文件并且配置完MP3解碼器和AUDIO接口后，就可以播放MP3了。播放MP3的過程就是按照MP3解碼器的請求，把接收到的MP3數據傳輸到解碼器的輸入緩沖區的過程。

　　6 結語

　　本設計借助嵌入式USB 主機和ZigBee 無線通信技術，為家用音響系統的設計提供了一種靈活、方便的無線解決方案，該系統具有良好的可擴展性和實用價值。相信隨著智能家居產業的發展和ZigBee 無線通訊技術的不斷完善，ZigBee 技術將越來越好地融合在智能家居系統的設計中。